VOACAP ja optimaalinen antennikorkeus

HFTA-mallinnuksesta HamCAPiin

2011-11-22T18:57:00.008+02:00

Markku OH2RA otti yhteyttä ja pyysi mallintamaan stakkiensa lähtökulmat ja tekemään mallinnuksen tuloksista sellaiset antennitiedostot, joita hän voisi käyttää HamCAP-ohjelman kanssa. Suostuin, koska luulen olevani sinut niin HFTA:n (HF Terrain Assessment) kuin VOACAP:n kanssa. HamCAP (http://www.dxatlas.com/HamCap/) on pikkuinen ja näppärä ohjelma, joka hyödyntää ennustelaskelmissaan VOACAP-ohjelmaa. HamCAP näyttää niin tietyn yhteysvälin ennusteet kuin peittokartatkin yhteisen käyttöliittymän kautta. HamCAPin ohjelmoija Alex Shovkoplyas, VE3NEA, on tunnettu muistakin hyötyohjelmistaan kuten DX Atlas, CW Skimmer, Faros, IonoProbe ja Morse Runner.

HamCAPin mukana tulee pari kourallista hyödyllisiä antennitiedostoja joita voi ohjelmassa käyttää. Markulla sen sijaan on neljän JP2000-antennin stakki ja tällaista stakkia ei luonnollisesti HamCAPin antennivalikoimasta löydy, joten antenni pitää mallintaa itse. Oikean antennin valinta ennusteohjelmaan on tärkeätä sen takia, että mitä parempi mallinnus saadaan aikaan, sitä luotettavampia ennusteetkin ovat - tai ainakin pystyy arvioimaan mahdolliset keliavaukset, joita muilla antenneilla ei välttämättä näe.

HFTA tekee VOACAP-antennin

HFTA (HF Terrain Assessment) -ohjelmaa on levitetty mm. ARRL:n Antenna Handbookin mukana tulevalla CD-ROM-levyllä. HFTA:n erikoisuutena on, että sille voidaan määrittää antennia ympäröivän maaston muoto. Maaston muoto oleellisesti vaikuttaa antennin lähtökulmiin ja siten suorituskykyyn. Markun antenneja ympäröivä maasto on tasaista, joten käytin maastoprofiilina HFTA:n mukana tulevaa FLAT.PRO-profiilia. Tämän jälkeen mallinsin neljän antennin stakin kolmelle bandille: 20, 15 ja 10 metrille. 20 ja 15 metrillä aktiivisia elementtejä on kolme ja 10 metrillä neljä. Maan johtavuudeksi valitsin varmuuden vuoksi huonosti johtavan maaperän, "2, 13 (Poor Soil)".

HFTA:n käyttöliittymä.

Stakin antennien korkeudet ovat 50, 41, 31 ja 22 metriä. Taajuudeksi määritin 14,2 MHz. Kun painaa "Compute!"-painiketta, HFTA laskee stakin lähtökulmat, tässä tapauksessa 34 asteeseen asti. Sen korkeammille lähtökulmille analyysi ei ulotu.

HFTA:n laskemat lähtökulmat OH2RA:n stakille 14 MHz:llä.

Lähtökulmajakauma tietylle kohdealueelle

HFTA:ssa on mahdollista asettaa kohtaan "Elevation File" erityinen lähtökulmajakauma-tiedosto. Tässä kerrotaan tilastollisesti, millaisilla lähtökulmilla yhteys omasta QTH:sta esim. tietylle maantieteelliselle alueelle toimii. Näin HFTA:lla pystyy arvioimaan, mikä on mallinnettavan antennin suorituskyky, koska HFTA laskee antennille hyvyysluvun sen mukaan, miten antennin lähtökulmat kattavat vertailukohdaksi asetetun lähtökulmajakauman.

Näitä lähtökulmajakauma-tiedostoja löytyy mm. ARRL:n Antenna Handbook -kirjan CD-ROM:lta Deanin N6BV:n tekeminä. Nämä tiedostot eivät kuitenkaan Suomen osalta ole kovin tarkkoja, sillä ne on laskettu vain yhdestä koordinaatista. Lisäksi kohdealueen havaintopisteiden maantieteellinen jakauma ei välttämättä ole tarpeeksi kattava.

Tämä oli mm. yksi syy siihen, miksi itse halusin kehittää menetelmän, jolla voisin laskea paremman lähtökulmajakauman mistä hyvänsä koordinaatista mihin hyvänsä kohdealueelle. Samalla halusin varmistua, että kohdealue on maantieteellisesti mahdollisimman kattava niin, että jakaumasta muodostuu edustava otos kyseiselle alueelle tarvittavista lähtökulmista.

Tätä varten kehitin VOACAP-ohjelmalle joukon eräajotiedostoja, joista saa tuloksena satoja megatavuja raakadataa, ja näistä voidaan jalostaa lähtökulmajakauma-tiedostot täysin omiin tarpeisiinsa. Tämän massiivisen raakadatan käsittelemiseksi tein oman ohjelman, EAA:n eli Elevation-Angle Analyzerin. Se on vapaasti ladattavista osoitteesta http://www.voacap.com/eaa10.zip . Tein ohjelmalle suppean englanninkielisen käyttöohjeen: http://www.voacap.com/antennas/eaa.html . En ole kuitenkaan vielä julkistanut näitä VOACAP:lle tarkoitettuja eräajotiedostoja, joilla tarvittava raakadata saadaan tehtyä. Tarkoitukseni on julkistaa ne pikapuoliin, mutta mikäli lukija ei malta odottaa, lähetän ne pyydättäessä sähköpostitse.

Muunnoksessa olikin bugi!

Mutta takaisin vielä HFTA-ohjelmaan. HFTA laskee siis mallinnetun stakin lähtökulmat, kun painaa "Compute!"-painiketta. Graafinen tulos avautuu omaan ikkunaan. Ikkunassa on oikealla alhaalla "Out File" -painike, jota painamalla HFTA tekee tiedoston, josta voidaan HFTA:n mukanatulevalla apuohjelmalla MAKEVOA.EXE tehdä VOACAP-ohjelmalle sopiva antennitiedosto. Valitettavasti tämä antennitiedosto ei kuitenkaan suoraan sovellu HamCAP-ohjelmalle. Mutta hyvä uutinen on kuitenkin se että VOACAP-ohjelman avulla tästä antennitiedostosta saadaan HamCAPille soveltuva antenni.

MAKEVOA:ssa ei ole graafista käyttöliittymää.

MAKEVOA.EXE on tekstipohjainen (käytössä ei siis ole graafista käyttöliittymää) apuohjelma, jolla HFTA:n laskeman antennin lähtökulmista tehdään antennitiedosto, jota VOACAP ymmärtää. Valitettavasti ohjelman lähtökulmadatan muunnoksessa vaikuttaa olevan virhe. MAKEVOA asettaa 1 asteen lähtökulman vahvistuksen aina nollaksi ja aloittaa HFTA:n laskemat vahvistukset vasta 2 asteesta. Näin siis HFTA:n 1 asteen vahvistus on MAKEVOA:ssa tekemässä antennissa 2 asteen kohdalla, HFTA:n 2 asteen vahvistus 3 asteen kohdalla ja niin edelleen. Tämä vääristää VOACAP-antennin vahvistuksia näillä kriittisillä alhaisilla lähtökulmilla.

PÄIVITYS 23.11.2011: Dean N6BV kertoi, että MAKEVOA-ohjelmasta on kuin onkin sittemmin ilmestynyt versio 1.2 (8.7.2005), joka korjaa tämän kyseisen virheen! En ollut vain törmännyt tähän uuteen versioon aiemmin.

MAKEVOA:ssa 1 asteen lähtökulmassa on vahvistus aina nolla (max. gain 18.10 dBi -18.10 = 0)!

Ainoa mahdollisuus on korjata MAKEVOA:n tekemän antennin vahvistustiedot käsin. Se on mahdollista, sillä VOACAP-antenni on kuvattu tekstimuotoisena ja arvoja voidaan siten onneksi muuttaa esim. NotePad-tekstieditorilla.

HUOM! MAKEVOA.EXE:stä on vuonna 2005 ilmestynyt versio 1.2., ja nyt sain Deanilta luvan jakaa MAKEVOA.EXE:n versiota 1.3 (23.11.2011). Lataa uusi MAKEVOA.EXE tästä (zippipaketti)!

VOACAP tekee HamCAP-antennin

Kun MAKEVOA:lla tehdyn antennimallin virheet on käsin korjattu, voidaan siirtyä viimeiseen vaiheeseen: HamCAP-antennin tekemiseen. Alex VE3NEA on kirjoittanut asiasta jo aikoinaan ohjeen (http://www.voacap.com/hamcap-type1314.html), jota seuraamalla asia onnistuu. Tässä käyn toimenpiteet vain päällisin puolin läpi.

Käytetään VOACAP:n Point-to-Point-ennusteohjelmaa, jossa TX-paikka asetetaan johonkin koordinaattiin ja RX-paikka tästä paikasta suoraan pohjoiseen. Viedään MAKEVOA:lla tehty (ja korjattu) antennitiedosto hakemistoon C:\itshfbc\antennas\samples. Sitten ohjelmassa TX-antenniksi valitaan tämä antennitiedosto. RX-antenni saa olla mitä vain. TX-antennin suunta asetetaan suoraan RX-paikkaa kohti. Nyt ajetaan ennuste esim. valitsemalla Run-valikosta Circuit. Ennusteen muilla parametreillä ei ole merkitystä. Merkitystä on ainoastaan sillä että TX-antenni on suunnattu suoraan RX-paikkaa kohti ja että RX-paikka on TX-paikan pohjoispuolella. Tämän koko harjoituksen jujuna on se, että kun ennuste ajetaan, VOACAP luo käyttäjän valitsemasta TX-antennista itselleen sopivan version, joka sopii pienin muutoksin myös HamCAPille!

VOACAP:n luoma TX-antennimalli on hakemistossa C:\itshfbc\run nimellä GAIN01.DAT. Tämä on tekstitiedosto, jonka alkuriveille täytyy tehdä muutamia muutoksia, jotta HamCAP ymmärtää sen.

Otetaan esimerkiksi OH2RA:n 28 MHz:n stakki. GAIN01.DAT-tiedoston ensimmäiset rivit näyttävät tämän ajon jälkeen seuraavalta:

2-D Table 28US      , FLAT.,  28.3 MHz , 50.0/41.0/31.0/22.0:Sample type 11  Gai
   2.  30.   0.00   0.00   0.00000   0.00000
 1  0.00   0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000
           0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000
           0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000

Poistetaan kaksi ensimmäistä riviä ja lisätään tilalle 5 riviä seuraavasti:

10M 4xJP2000
 3     3 parameters
  0.00  [ 1] Max Gain dBi..:
  14    [ 2] Antenna Type..: 30 x (efficiency + 91 gain values) follow
  28.3  [ 3] Frequency
 1  0.00   0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000
           0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000
           0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000  0.000

Uusista riveistä ensimmäinen on vapaa tekstirivi, joka näkyy HamCAPissa antennin nimenä. Se kannattaa siksi pitää lyhyenä ja ytimekkäänä. Rivit 2-4 pitää säilyttää muuttumattomina. Riville 5 voidaan kirjoittaa oikea taajuus - desimaalipisteen paikka on kriittinen. Tämän tiedoston käsittelyssä pitää olla tarkkana, sillä rivipositioissa olevilla tiedoilla on merkitystä!

Lopuksi annetaan antennitiedostolle uusi nimi, esim. oh2ra28.ant ja siirretään se HamCAPin antennihakemistoon C:\Program Files\Afreet\Ham CAP\AntBkup . Nyt kun HamCAP käynnistetään, uusi antenni näkyy valikoimassa ja sen lähtökulmia voidaan tarkastella myös HamCAPissa.

VOACAP:n virittäminen HamCAP-käyttöön

Lopuksi vielä pari sanaa VOACAP:n ja HamCAP:n yhteiskäytöstä. Kuten jo aluksi sanoin, HamCAP:n ennusteet lasketaan VOACAP-ohjelmalla. Kaikista ensimmäiseksi haetaan ja asennetaan siis VOACAP-ohjelmiston uusin versio (http://www.greg-hand.com/versions/itshfbc_110714.exe) ja HamCAP-ohjelmiston v 1.8 (http://www.dxatlas.com/HamCap/Files/HamCap.zip). Hyväksytään ohjelmien ehdottamat asennushakemistot.

VOACAP-ohjelmiston asennuksen jälkeen avataan VOACAP:n Point-to-Point-ennusteohjelma (nimeltä VOACAP) ja muutetaan System-painiketta painamalla kohta "Absorption model" arvosta "Normal" arvoon "IONCAP". Tämän tulisi antaa aavistuksen verran parempia ennusteita alabandeille kuin "Normal". Tämä asetus näin vaikuttaa HamCAP:in esittämiin ennusteisiin. Kun arvoksi on asetettu "IONCAP", voidaan VOACAP sulkea. Pitää tietysti muistaa, että tästäkin toimenpiteestä huolimatta VOACAP:n ennustetarkkuus alabandeilla ei ole kovin hyvä.

Valitaan kohdan Absorption model arvoksi "IONCAP".

HamCAPista on saatavilla erikoisversio

HamCAPiin on saatu mahtumaan pieneen tilaan uskomattoman paljon toimintoja: siinä yhdistyvät sekä tietyn yhteysvälin laskenta että peittokarttojen laskenta. Näitä molempia toimintoja varten VOACAP-ohjelmistopaketissa on kaksi erillistä ohjelmaa. Olen jo pitkään itsekseni harmitellut, että Alex oli valinnut HamCAPiin erityisesti minimilähtökulman osalta arvon 3 astetta. Suomeksi tämä tarkoittaa, että olipa valitsemassamme antennissa kuinka paljon vahvistusta hyvänsä 1 tai 2 asteen lähtökulmassa, kuten esimerkiksi OH2RA:n antenneissa on, ei HamCAP huomioi tätä vahvistusta mitenkään, jolloin luonnollisesti ennustetarkkuus kärsii.

Olin asiasta jälleen kerran yhteydessä Alexiin ja esittelin hänelle OH2RA:lle suunnittelemani antennit. Pyysin häntä vielä kerran harkitsemaan minimilähtökulman asettamista arvosta 3 astetta arvoon 0,1 astetta. Näin tehokkaiden antennien vahvistukset matalimmillakin lähtökulmilla tulisivat otettua huomioon ennusteessa. Alex suostui tällä kertaa pyyntööni, ja nyt OH-kansalla on ainutlaatuinen tilaisuus saada tämä versio käyttöönsä ensimmäisten joukossa maailmassa!

Erikoisversion tunnistaa 0,1 asteen tunnuksesta.

Tätä kirjoitettaessa Alex ei tarjoa tätä erikoisversiota vielä omilla www-sivuillaan. Olen kuitenkin saanut luvan lähettää tämän ohjelman kaikille sitä tarvitseville sähköpostitse. Joten mikäli ohjelmaa tarvitsette, ottakaa yhteyttä omakutsu-osoitteella. Lähetän siis uuden HamCap.exe-ohjelman zippipaketissa. Tällä ohjelmalla korvataan asennusohjelman asentama HamCap.exe, jossa alin lähtökulma on rajattu 3 asteeseen.

HamCAPin normaali- ja erikoisversion vertailu

Seuraavassa kolme esimerkkiä, joista näkee millainen vaikutus minimilähtökulman asettamisella 3 asteesta 0.1 asteeseen on, kun käytössä on tehokas antennistakki, tässä tapauksessa OH2RA:n 4x JP2000. Kaikissa tapauksissa kaikki parametrit ovat samoja, vain ohjelmaversio on eri. Uuden erikoisversion ennuste vasemmalla ja normaaliversion vastaava ennuste oikealla puolella.

Nämä voisivat olla ennusteita vaikka tulevaan CQ WW CW -kisaan. SSN:ksi on valittu 80.


Marraskuu 01 UTC 28 MHz:llä.

Marraskuu 17 UTC 28 MHz:llä.

Marraskuu 18 UTC 28 MHz:llä.

Antennin korkeus pitää optimoida maaston mukaan

2009-12-27T13:26:00.002+02:00

Tein lisää kokeiluja Tomin OH2BBT:n maastoprofiililla, joka oli laskettu suuntaan 310 astetta eli USA:n itäosiin. Näissä HFTA:lla tehdyissä kokeiluissa, jotka näette pian alla, antennin korkeuden muuttaminen poiki mielenkiintoisia havaintoja:

Korkeammalla oleva antenni ei tuo merkittävää lisähyötyä
Antenneja kerrostamalla eli stakkaamalla saadaan 1-2 desibeliä lisää vahvistusta, mutta mikä tärkeintä, erityisesti korkeampien lähtökulmien peitto paranee.

Antennikorkeuksien vertailu: less is more

Ryhdyin kokeilemaan, miltä Tomin antennin lähtökulmat näyttäisivät eri korkeuksilla. Valitsin korkeuksiksi 24, 18, 12 ja 6 metriä ja tutkin, miltä lähtökulmat näyttäisivät 20M:m, 15M:n ja 10M:n bandeilla. Saattaahan olla, että Tomi on itsekin tehnyt vastaavat analyysit ja näin valinnut antennin korkeudeksi 18 metriä. Erittäin hyvä valinta.

(klikkaa todelliseen kokoon)

Kuten kuvista havaitaan, Tomin valitsema 18 metrin antennikorkeus on lähes tulkoon optimaalinen kaikilla noilla bandeilla: antennin vahvistus on hyvä ja lähtökulmien peitto on suorastaan kadehdittavan hyvä.

20M:llä 18 metriä on hyvä korkeus, vaikka vahvistus putoaakin 2-3 dB:tä yllättäen 8-9 asteen kohdilla. Huomataan, että mikäli antennin laskee 12 metriin, alkaa antennin vahvistus ja peitto nopeasti laskea alemmilla lähtökulmilla, vaikka HFTA laskee vielä hyvän arvon n. 2 asteeseen. 6 metrissä hyvä maaston muoto ei pelasta lähtökulmia eikä vahvistusta, vaan 5-elementtisen antennin suorituskyky olisi jokseenkin pelkän dipolin luokkaa.

15M:llä lähtökulmien peitolla ja vahvistuksella arvioituna 12 metriä on ehkä optimaalisin yleisesti ottaen. Tässä meidän tapauksessamme HFTA antaa paremman hyvyysluvun 18 metrissä olevalle antennille, koska tutkimme suorityskykyä USA:n suuntaan. 24 metrissä oleva antenni antaisi vielä paremman hyvyysluvun, mutta samalla näemme, että mitä korkeammalla antenni on, sitä jyrkempiä nollakohtia lähtökulmien peittoon tulee.

15M:llä 18 metrissä olevan antennin vahvistus loppuu kokonaan 22 asteessa ja vahvistus alkaa uudestaan 25 asteesta ylöspäin. 24 metrissä olevan antennin vahvistus on nollassa jo 15 asteen kohdalla. Jos ajatellaan, että dipolilla on vahvistusta 7-8 dBi:tä, niin silloin Tomin 5-elementtisen jagin vahvistus tippuu dipolin tasolle n. 14 asteessa (h=24 m) ja n. 19 asteessa (h=18 m). Antennien kerrostaminen eli stakkaus on yksi tapa paikata näitä melko kriittisissä astelukemissa olevia nollakohtia. Stakkienkin lähtökulmissa on nollakohtia, mutta ne yleensä saadaan vähän korkeammille astelukemille niin, etteivät nuo nollat haittaa DX-työskentelyä. Taas kerran 6 metrissä oleva jagi olisi dipolin veroinen alempien lähtökulmien osalta.

10M:llä 12 metrissä oleva antenni on vahvistuksen ja peiton suhteen paras. Antennien korkeuden tuomat nollakohdat lähtökulmien peitossa näkyvät nyt vielä selkeämmin. 24 metrissä oleva antenni peittää hyvin alemmat DX-lähtökulmat ja lähialueita ajatellen vahvistus ja peitto on hyvä myös korkeammilla lähtökulmilla. Tämän antennin lähtökulmapeitossa on kuitenkin ikävä aukko 11-13 asteen kohdalla 12 metrissä olevaan verrattuna. Myös 18 metrissä oleva on erinomainen alempien lähtökulmien peitto. 6 metrissä oleva sinnittelee jo paremmin, vaikkei ole mitenkään erinomainen.

Stakkaamalla vahvistusta ja peittoa

Vaikka Tomin antenni onkin "vain" 18 metriä korkealla, HFTA väittää, että kerrostamalla kaksi jagia päällekkäin Tomi voisi saada kaiken hyödyn irti antennijärjestelmästään. Stakkausväli olisi 9 metriä: antennit 18 ja 9 metrissä. Alla olevista kuvista näkyy stakin vahvistus ja peitto suhteessa yksittäisiin antenneihin näillä korkeuksilla. Vahvistusta tulisi lisää 1-2 desibeliä bandista riippuen, mutta tärkeintä on lähtökulmapeiton parantuminen. Erityisesti 20M:llä stakin antama vahvistus ja peitto vaikuttaisi jopa liian hyvältä ollakseen totta!

(klikkaa todelliseen kokoon)

Maaston muoto vaikuttaa antennin lähtökulmiin

2009-12-25T23:40:00.007+02:00

CCF:n reflektorin sähköpostikeskustelussa tuli esille tärkeä asia, jota en ole tarkemmin vielä lähtenyt tarkastelemaan, nimittäin: antennia ympäröivän maaston muoto vaikuttaa merkittävästi antennin vertikaaliseen säteilykuvioon. Aiemmin olin yksinkertaistanut asiaa tarkastelemalla antenneja laakeassa tasaisessa maastossa, kuten esim. pelloilla. Antennin suorityskykyyn vaikuttaa muitakin tekijöitä, kuten maaperän johtamiskyky, mikä voi näkyä säteilykulmissa ja antennin vahvistuksessa.

Maaston muodon vaikutus antennin säteilykuvioon voi kuitenkin olla paljon dramaattisempi kuin minkään muun tekijän vaikutus. Jos ollaan ihan tarkkoja, niin maston ja antennin läheisyydessä oleva esim. puusto, talot tai lipputanko luultavasti vaikuttavat myös antenniin, mutta yksinkertaisuuden vuoksi oletetaan, että niiden vaikutus on häviävän pieni. Yksi syy siihen, että HF-antennien mallinnus tehdään mielellään ns. vapaassa tilassa, johtuu siitä, että kun antenni viedään sen todelliseen, kolmiulotteiseen ympäristöön, asiat mutkistuvat. Kuten nähdään, antenniin ja sen säteilykuvioon vaikuttaa monta tekijää, jotka on hankala määrittää tarkasti.

Otetaan nyt maaston vaikutuksesta esimerkiksi Tomin OH2BBT:n 20/15/10 metrin KT34-XA-monialuejagi (5 aktiivista elementtiä 20/15 metrillä ja 6-elementtiä 10 metrillä), joka on 18 metrin korkeudessa. Ympäröivän maaston ansiosta 20M:llä antennin säteilykulmat ovat samantyyppiset kuin tasaisessa maastossa n. 50 metrin korkeudessa olevan jagin!

(klikkaa todelliseen kokoon)

Kuvasta nähdään, miten Tomin antennin 20M:n säteilykuviossa yhdistyvät oikeastaan kahden antennin parhaat ominaisuudet:

korkeiden säteilykulmien hyvä kattavuus (maan pinnasta matalalla olevan antennin ominaisuus - hyvä kattavuus esim. Euroopan signaaleille)
matalien säteilykulmien hyvä kattavuus (antennia ympäröivän maaston vaikutus - hyvä DX-signaalien kattavuus).

Tomin antennin säteilykulmat on merkitty sinisellä ja noudattelee Tomin luonnostelemaa maastoprofiilia suuntaan 310 astetta antennista. Vertailun vuoksi kuvassa näkyy punaisella 52 m:n korkeudessa tasamaalla olevan 5-elementtisen antennin kuvio ja vihreällä 18 m:n korkeudessa tasamaalla olevan antennin kuvio. HFTA:n laskema antennin hyvyysarvo (Fig. of Merit) on jopa aavistuksen parempi tässä tapauksessa kuin 52 m:n korkeudessa olevan antennin!

Figure of Merit on riippuvainen käytetystä lähtökulmastatistiikasta. Olin laskenut Tomille lähtökulmastatistiikan juuri hänen QTH:ta varten. Tässä esimerkissä oli käytetty sellaista statistiikkaa, jossa saavutettava REL-arvo on 90 % tai parempi auringonpilkkuvulla (SSN) 5.

Kannattaa huomioida, että antennin säteilyominaisuudet ovat esitetynkaltaiset vain suuntaan 310 astetta 20 metrillä. Maaston muoto on yleensä erilainen eri suuntiin ja säteilyominaisuudet muuttuvat, kun maaston muoto muuttuu. Tuntematta tarkemmin Tomin QTH:n ympärillä olevaa maastoa saattaahan olla, että etelän suuntaan antennin kuvio on normaalin 18 m:n korkeudessa tasamaalla olevan antennin säteilykuvion tapainen.

Oman maastoprofiilin tekeminen

(klikkaa todelliseen kokoon)

Kuvassa näkyy maaston muoto 1 600 metrin päähän Tomin antennista suuntaan 310 astetta. Tarkan maastoprofiilin määrittäminen HFTA-ohjelmaa varten on oma taidelajinsa, josta olen käynyt keskusteluja Ahdin OH2RZ kanssa. Meillä OH-miehillä on kaksi mahdollisuutta:

joko käsin luodaan maastoprofiili paperille painetuista topografikartoista
tai hankitaan Maanmittauslaitokselta omaa aluetta koskeva digitaalinen korkeusmalli.

Ilmeisesti tämä Maanmittauslaitoksen digitaalinen malli toimitetaan sellaisessa koordinaatistomuodossa, että sen hyödyntäminen HFTA:ssa vaatii koordinaatistonmuunnosta.

Itse maastoprofiilin kirjoittaminen ei ole kovin vaikeaa. Tässä esimerkki Tomin profiilista ensimmäisen sadan metrin osalta:

Jokaisella rivillä ensimmäisessä sarakkeessa on etäisyys mastosta metreinä ja toisessa sarakkeessa maaston korkeus merenpinnasta metreinä. HFTA-ohjelmaa varten tiedoston tekemiseen voi käyttää mitä hyvänsä tekstieditoria, kuten NotePad ja tallentaa tiedoston .pro-päätteisenä (esim. oh2hq.pro).

HFTA-analyysista VOACAP-antennimalliksi

Kun HFTA tietää maastoprofiilin, se laskee sen perusteella antennin lähtökulmat ottaen huomioon maaston vaikutuksen. Laskennan tuloksena saatu malli voidaan erillisohjelmalla muuttaa VOACAP-ohjelman ymmärtämäksi antennimalliksi. Näin voimme myöhemmin tehdä VOACAP:lla (tai VOAAREA:lla peittokarttoja) keliennusteita, joissa käytetään mahdollisimman tarkkaa antennimallia. Esimerkiksi Tomin 20M:n jagin säteilykuvio näyttää VOACAP:n antenninmallinnusohjelmassa (HFAnt) tällaiselta:

(klikkaa todelliseen kokoon)

Tarkka HFTA:n laskema säteilykuvio loppuu 34 asteeseen. Sitä ylemmille lähtökulmille muutin käsin antennin säteilykulmaa -30 dB:n arvoihin.

HFTA-analyysin muuttaminen VOACAP:n ymmärtämään antennimuotoon tehdään HFTA:n oheisohjelmalla nimeltä MAKEVOA.EXE. Se on DOS-ohjelma, jonka käyttöliittymä näyttää seuraavalta:

(klikkaa todelliseen kokoon)

Peittoaluekarttojen tekoon eli mitä hyötyä saamme tarkasta antennimallista?

Nyt kun meillä on 20M:lle melko tarkka malli siitä, miten antenni siellä käyttäytyy, voimme havainnollistaa VOACAP:n peittokarttojen avulla, miltä kuuluvuus näyttää Pohjois-Amerikassa 20M:llä joulukuussa 2009 (auringonpilkkulukema 7). Antennin suunta on 310 astetta (näkyy peittokartoissa kartan halkovana punaisena viivana). Lasketaan peittokartat aikavälille 11-17 UTC taajuudella 14,1 MHz. Tulokset alla, klikkaa karttaa niin saat sen näkyviin todellisessa koossaan.

(klikkaa todelliseen kokoon)

Nämä REL- eli Reliability-kartat ilmoittavat todennäköisyyden sille, että signaalimme saavuttaa CW-yhteydelle tarvittavan vähimmäistason (24 dB-Hz). Todennäköisyydet voidaan selittää kansantajuisemmin myös päivien lukumäärinä:

esim. 90 %:n todennäköisyys kartalla tarkoittaa, että niissä osissa maata voidaan saavuttaa CW:n vähimmäistaso 27 päivänä kuukaudessa (= 90 % kuukauden 30 päivästä).
Vastaavasti 10 %:n todennäköisyys tarkoittaa 3 päivää kuukaudessa.

Näissä statistisissa ennusteissa ongelmahan on vain siinä, ettemme tiedä, missä kohtaa kuukautta esim. nuo ennustetut 3 päivää todellisuudessa toteutuvat...

Kartoista voidaan päätellä, että paras kuuluvuus joulukuussa 2009 20M:llä saavutetaan (tarkasteluvälillä 11-17 UTC) 13-14 UTC välisenä aikana Yhdysvaltojen itäosassa. Näiden karttojen laskelmissa oletetaan, että vastaanottoantennina (olipa se missä hyvänsä kartan pisteessä) on puoliaaltodipoli 22,5 metrin (75 jalan) korkeudessa tasamaalla. Jokaisessa pisteessä vastaanottoantenni on myös käännetty kohti OH2BBT:n QTH:ta eli lähetysasemaa kohti. MAKEVOA.EXE:llä tekemämme antennimalli on ympärisäteilevä mutta lähtökulmiltaan kuitenkin edellä esitetyn kaltainen. Antennin ympärisäteilyvyys aiheuttanee karttoihin jonkin verran vääristymää.

Suuret kiitokset Tomille OH2BBT maastoprofiilin toimittamisesta ja mahdollisuudesta käyttää hänen antenniaan esimerkkinä.

Jatkosuunnitelmissani on mm. tutkia, miten antennien säteilykulmat näyttävät vuorilta. Myös muita tarkentavia aiheita on vielä tiedossa, esim. miten itse voi tehdä itselleen omat lähtökulmastatistiikat.

Case Vaasa-USA:n itäosa: HFTA ja lähtökulmastatistiikka

2009-12-20T22:40:00.008+02:00

Tässä pieni esimerkki siitä, miten HFTA:n kanssa käytetään VOACAPin ennustamaa lähtökulmastatistiikkaa. Tarkastelemme siis lähtökulmien jakautumaa välillä Vaasa - Yhdysvaltain itäosa.

Tältä alueelta vastaanottopaikoiksi oli määritelty seuraavat paikkakunnat:

VOACAPin tulostiedoston koko on n. 1,3 GB ja siitä suodatettu tietokanta, kun REL >= 0, on noin 76 MB.

Kun tarkastellaan sellaista lähtökulmajakaumaa, joka on laskettu etenemismallilla 25 ja jossa REL >= 10% (=0.1 VOACAP-notaatiolla) koko auringonpilkkujakson aikana kaikkina kuukausina, näyttää jakauma 20M:n bandilla seuraavalta ("Atlanta" oli tietokannan ensimmäinen vastaanottopaikka, kuva esittää kyllä koko USA:n itäosaa...):

Y-akselilla on prosentuaalinen osuus kaikista lähtökulmista ja X-akselilla lähtökulman asteluku. Esimerkiksi jakaumassa on 9 % osuus lähtökulmassa 9-10 astetta.

Ja nyt sitten samoilla ehdoilla mutta pelkästään auringonpilkkuluvulla 5 (vastaa suurinpiirtein tämänhetkistä auringonpilkkulukua):

Ylläolevissa kuvissa REL >= 10%. Jos tuon luotettavuusarvon ilmaisee toisin, voitaisiin sanoa että meillä on tällä lähtökulmajakaumalla yli 10%:n todennäköisyys saavuttaa SNR-suhde 24 dB-Hz (vastaa alinta CW-tason kuuluvuutta).

Jos haluammekin yli 90 % todennäköisyyden sille, että ko. SNR saavutetaan, niin lähtökulmajakauma näyttääkin seuraavalta (SSN 5):

Näemme, että mitä suuremmalla todennäköisyydellä haluamme yhteyden onnistuvan halutunlaatuisena, sitä alhaisemmiksi lähtökulmat tulevat. Yo. kuvan perusteella voisimme sanoa että antennissamme pitäisi olla vahvistusta eniten lähtökulmissa 2-5 astetta.

Jos meillä on nyt esim. 3-elementtinen jagi tasaisella maaperällä (sanotaan vaikka Vaasan laakeilla pelloilla), niin tarkastellaan tilannetta antennikorkeuksilla 32 metriä ja 52 metriä:

Jagi 32 metrissä (20M, kaikki kuukaudet, SSN 5, REL >= 10%):

Jagi 52 metrissä (20M, kaikki kuukaudet, SSN 5, REL >= 10%):

Tässä esimerkissä Figure of Merit on parempi 32 m:ssä olevalla antennilla, mutta pitää huomata että SNR:n saavuttamisen luotettavuusarvo REL oli >= 10%. Aiemmin suosittelemani 52 metriä 20M:n antennin optimikorkeudeksi ei ole juuri tässä tapauksessa optimikorkeus USA:n suuntaan.

Mikäli katsotaankin tilannetta jossa REL-arvo nostetaan 90%:iin, niin silloin 52 metrissä oleva antenni on paras FOM-hyvyysluvulla tarkasteltuna:

Jagi 32 metrissä (20M, kaikki kuukaudet, SSN 5, REL >= 90%):

Jagi 52 metrissä (20M, kaikki kuukaudet, SSN 5, REL >= 90%):

Koska pyrkimyksenä on tietysti maksimoida yhteysvälin luotettavuus, niin silloin valitsisin 52 metrissä olevan jagin.

Lataa tästä HFTA-lähtökulmajakauma-tiedostot yhteysvälille Vaasa - USA:n itäosa:

OH-asemilla 20 m liian lyhyet mastot

2009-12-20T09:51:00.005+02:00

Tein vuoden 2009 alussa suhteellisen ison analyysin, jonka tarkoituksena oli löytää antenneille sellaiset korkeudet, joilla saavutettaisiin mahdollisimman hyvä signaali kaikkialla maailmassa. Taustalla oli ajatus miettiä, miten korkea antennimasto esimerkiksi kilpailu- tai DX-asemalla pitäisi olla ja mille korkeuksille antennit pitäisi ripustaa kullekin bandille 80 metristä 10 metriin saakka. WARC-bandeja ei huomioitu.

Tarkastelussa käytetyt antennit olivat horisontaaliantenneja niin että pystyisin tutkimaan niitä HFTA-ohjelmalla. Analyysissa käytin antenneina puoliaaltodipoleita. Mikäli todellisuudessa käytettäisiin monielementtisiä jagiantenneja, analyysi olisi silloinkin kelvollinen lähtökulmien osalta, muutosta tulisi kuitenkin antennien vahvistusarvoihin. Käytännössä jageilla lähtökulmien kattavuus olisi hiukan parempi.

Ensimmäisestä blogiartikkelistani selviävät kohdealueet ja montako vastaanottopistettä alueelta oli valittu. Vastaanottopisteiden valinnassa olin pyrkinyt maantieteellisesti tasaiseen jakaumaan kyseisen alueen sisällä. Tasainen jakauma ei aina ollut etusijalla, jos alueella ei ollut paljon asutusta ja näin ollen edes radioamatöörejä. Näin yritin varmistaa, että ennusteen tulokset kuvaavat tasapuolisesti koko kohdealuetta tai kohdistuvat kohdealueen sellaisiin osiin, jossa todennäköisimmin voisi olla aktiviteettia.

Rakenna 60-metrinen masto!

Jos oletetaan että OH-asemilla tyypillisen maston korkeus on 42 metriä, niin silloin tämän tutkimuksen valossa tällainen masto on vähintäänkin 20 m liian lyhyt lähtökulmien optimoinnin kannalta! Jokin 60-metrinen masto, ainakin täällä länsirannikolla, tuntuisi olevan lähellä optimikorkeutta. Tällöinkin 80M:lle olisi löydettävä jokin muu ratkaisu kuin horisontaalidipoli/-jagi. Käytännössä varmaan kilpailuasema tulisi rakentaa esim. Vaasan/Mustasaaren/Maalahden saaristoon, jolloin maaperän johtavuus saadaan hyväksi ja yksinkertaisella vertikaaliryhmällä voitaisiin saavuttaa 80M:llä lähtökulmien kannalta sama tulos kuin esim. 95 metriä korkealla jagilla. Vertikaali olisi tuossa tapauksessa ratkaisu myös 160M:n antenniksi.

Alla olevissa taulukoissa itse antennikorkeuden valinta jokaiselle bandille oli kokeilun tulosta. Onneksi melko nopeasti tuntui löytyvän ne korkeudet, joilla saavutettaisiin (VOACAP-ennusteiden valossa) mahdollisimman paras tulos mahdollisimman monella kohdealueella. Käyn alempana vielä yksityiskohtaisemmin läpi, mitä seikkoja täytyi ottaa huomioon.

Seuraavassa siis Vaasan horisontista katsottuna optimaaliset antennien korkeudet eri bandeilla, säteilykulman suurin vahvistus ja antennin vertikaalisen säteilykuvion -3 dB:n kohdat. Kuten nähdään, ihan optimituloksen saavuttamiseksi olisi oltava kaksi mastoa: ykkösmasto olisi DX-masto (tietysti jos kilpailuissa haluaa ajaa moneen suuntaan yhtä aikaa, pitäisi tällaisia sitten olla tarpeellinen määrä...hi!). Kakkosmasto olisi optimaalisin vaihtoehto lähialueen yhteyksiin (Vaasasta katsoen siis lähinnä Eurooppa ja Lähi-itä).

Muistutetaan vielä, että "optimaalinen korkeus" tarkoittaa tässä yhteydessä sellaista antennin korkeutta, jolla HFTA:n hyvyysluku on mahdollisimman korkea VOACAP:n laskemille tilastollisille lähtökulmille. HFTA laskee antennille hyvyysluvun sen perusteella, miten hyvä on tarkasteltavan antennin lähtökulmat ja vahvistus tarkasteltavan (VOACAP-)lähtökulmajakauman suhteen.

Koska aikaa on kulunut lähes vuosi tämän analyysin jälkeen, pitää tässä joulun välipäivinä tehdä uusi analyysi ja tarkistaa noiden arvojen paikkansapitävyys vielä kerran :)

Taulu 1. Ykkösmaston antennikorkeudet

Taulu 2. Kakkosmaston antennikorkeudet

h/AGL = korkeus metreinä maanpinnasta

Analyysi kokonaisuudessaan kuvineen kaikkineen on luettavissa englanninkielisenä osoitteesta: http://www.voacap.com/antennas/statistical-elevation-angle-distribution/

Erityisesti em. sivuilla kannattaa tutkia kohdealuekohtaisia ennusteita. Niissä on tehty vertailua eri laskentamenetelmien ja auringonpilkkulukemien välillä. Vuoden alussa olin optimistinen sen suhteen, että Auringon aktiivisuus lähtisi nopeasti nousuun ja tein vertailuaineistoa pilkkulukemalle 25. Nyt voi todeta, että emme ole vielä niin pitkällä. Pilkkulukema on vieläkin alle 10...

Hajahuomioita tutkimusaineiston laadinnasta

Aineisto rakennetaan REL-parametristä

Tietenkin tärkeä kysymys on se, millaiset ennusteet kelpuutin osaksi aineistoa, jonka perusteella tilastollinen lähtökulma-analyysi tehtiin. Tässä minun ja Deanin lähestymistavat alkujaan erosivat. Omana valintakriteerinäni oli REL- eli luotettavuusparametri (Reliability). Käymämme sähköpostikirjeenvaihdon perusteella Dean alun perin kelpuutti omaan aineistoonsa arvoja vain S DBW:n eli signaalinvoimakkuuden perusteella. Myöhemmin käsittääkseni hän siirtyi käyttämään sekä REL- että S DBW-arvoja datan suodattamisessa.

REL kuvaa todennäköisyyden sille, että asetettu signaali-kohinasuhde (REQ. SNR) saavutetaan tietyllä taajuudella tiettyyn aikaan. Asetin signaali-kohinasuhteeksi 24 dB-Hz, mikä suurin piirtein vastaa arvoa, jolla CW:tä voi juuri ja juuri kopittaa. Valitsin aineistoon kaikki ne yhteysvälit, joilla REL oli suurempi kuin nolla. Tämän jälkeen käyttäjä voi itse EAA-ohjelmalla tehdä aineistosta suodatuksen esimerkiksi niin, että vain sellaiset yhteysvälit huomioidaan, joissa CW-tason kuuluvuudenlaadun saavuttamisen todennäköisyys on välillä 10-90 %. Mitä suuremmaksi prosenttiluvun nostaa, sitä vähemmän aineistosta löytyy tuloksia. REL-parametrin valinta oli osaltani ehkä periaatteellinen, koska halusin olla uskollinen VOACAPin perusfilosofialle: REL kuvaa todennäköisyyttä saavuttaa tietty signaali-kohinasuhde (SNR), sen sijaan S DBW kuvaa pelkkää signaalinvoimakkuutta ottamatta huomioon kohinaa.

Vertaillaan kahta etenemismallia

Toinen periaatteellinen Deanin ja omaa aineistonlaadintaa koskeva kysymys on ennusteen etenemismallin valinnassa. Dean suosi (silloin ainakin) laskentamenetelmää 25 eli "pakotettua pomppumallia", joka kertoo tietyn yhteysvälin kaikki mahdolliset etenemismuodot. Itse käytän laskennassa luonnollisesti samaa mallia. "Pakotettu pomppumalli" on etenemismalli, jossa oletetaan että signaali taipuu aina ionosfääristä takaisin maahan ja maasta taipuu takaisin ionosfääriin. Se ei huomioi mahdollista ionosfäärin kerroksissa tapahtuvaa etenemistä. Laskentamenetelmästä 25 sanotaan, että 7000-10000 km:n jälkeen sen ennustetarkkuus alkaa heiketä.

Itse käytin vertailun vuoksi lisäksi laskentamenetelmää nro 30, joka n. 10000 km:n jälkeen alkaa huomioida signaalin mahdollisen etenemisen ionosfäärin kerrosten sisällä. Tämä mielestäni antaa selvästi totuudenmukaisempia tuloksia erittäin pitkillä yhteysväleillä kuin menetelmä 25. Noin 10000 km:iin saakka menetelmä 30 käyttäytyy kuten menetelmä 25. Kuitenkin niillä on periaatteellinen ero, josta syystä Dean ei mieltynyt siihen. Nimittäin laskentamenetelmä 30 ei kerro muuta kuin todennäköisimmän etenemismuodon tiedot eli lähtökulmatiedon vain yhdestä etenemismuodosta, joka on VOACAPin mielestä tarkasteltavan yhteysvälin todennäköisin etenemismuoto.

Tyypillisesti todennäköisin etenemismuoto toteutuu alhaisilla lähtökulmilla. Menetelmä 25 arvioi siis kaikki mahdolliset etenemismuodot eli se huomioi myös korkeammilla lähtökulmilla mahdollisesti onnistuvat yhteydet, mutta menetelmä 30 ei. Tässä yhteydessä pitää kuitenkin muistuttaa, että mikäli haluaa rakentaa asemalleen kilpailukykyiset antennit, silloin täytyy keskittyä kattamaan analyysien alimmat lähtökulmat. Siellä signaali on parhaimmillaan, ja siitähän mm. kilpailuissa on kyse: mahdollisimman kovasta signaalista.

Huomioidaan koko auringonpilkkujakso

Kolmas seikka, joka on tärkeä huomioida lähtökulma-analyyseissä, on auringonpilkkulukemien valinta. Tutkimusaineistoa laadittaessa tulee huolehtia siitä, että koko auringonpilkkujakso otetaan huomioon. Tämä tarkoittaa että kaikki yhteysväliennusteet pitää ajaa monella erilaisella auringonpilkkulukemalla, nimittäin lukemilla 5, 25, 50, 75, 100 ja 150. Deanin lähtökulma-aineisto, joka löytyy ARRL:n Antenna Bookin CD:ltä, on laskettu kaikilla auringonpilkkulukemilla. Näin kannattaa ehdottomasti menetellä. EAA-ohjelmassa on laskennan jälkeen mahdollisuus valita, haluaako tilastollisen lähtökulma-aineiston kaikille vai jollekin tietylle auringonpilkkulukemalle. Tällä tavalla voi tarkastella, miten lähtökulmien jakauma mahdollisesti muuttuu pilkkuminimin ja pilkkumaksimin aikoihin.

Huomioidaan vuoden kaikki kuukaudet

Ja vielä löytyy neljäskin huomioitava seikka: laskentaan valittavat kuukaudet. Alun perin Dean koosti aineistonsa vain loka-, marras- helmi- ja maaliskuun yhteysväliennusteista. Hän nykyään laskee aineiston kaikkien kuukausien osalta, kuten itse teen. Aiemmin tietokoneet olivat tehoiltaan melko vaatimattomia ja kokonaisvaltaiseen tilastolliseen analyysiin olisi kulunut huomattavan paljon aikaa.

Kun tein analyysikokeiluja, VOACAPin tulosmateriaali tyypillisesti kasvoi 0,5-1 gigatavun kokoisiksi tiedostoiksi, joissa saattoi olla lähes 30 miljoonaa tekstiriviä. Tällaisen tiedoston lukeminen millä hyvänsä tekstieditorilla on haaste, tässä yhteydessä itse kehun EditPad Pron kykyä käsitellä näinkin suuria aineistoja sujuvasti.

Ionosfääri määrää parhaan säteilykulman

2009-12-19T17:50:00.000+02:00

Jotta ymmärtäisimme, miksi juuri lähtö- eli säteilykulmien ennustaminen ja analysointi tuntuu mielenkiintoiselta aiheelta, meidän täytyy muistuttaa itseämme siitä, että:

Ionosfääri määrää, millä lähtökulmalla yhteys syntyy kahden paikan välillä. Sitä ei määrää lähetysantennimme.

Lähtökulma-analyysin tekemiseksi minulla ei ole mitattua havaintoaineistoa. Sen sijaan analyysi tehdään VOACAP-ohjelmalla, tuolla aikoinaan Amerikan Äänen eli Yhdysvaltain yleisradio Voice of American HF-taajuussuunnitteluun tarkoitetulla PC-ohjelmistolla, joka sittemmin oikeasti vapautettiin kaikista tekijänoikeusrajoituksista. Tämä on johtanut siihen, että erittäin moni radioamatöörikäyttöön tarkoitettu HF-ennusteohjelmisto käyttää VOACAPia ennusteen laskennassa. Näiden (kaupallisten) ohjelmistojen lisäarvo itse VOACAPiin nähden on lähinnä käyttöliittymässä (lähtötietojen syöttö ja tulosten esittäminen). Varsinainen ennusteen laskenta tehdään samalla algoritmilla.

VOACAPissa on neljä muuttujaa, jotka vaikuttavat siihen, miten VOACAP virittää ennusteen laskennassa tarvittavan ionosfäärimallin kohdilleen:

Ionosfääridata (valittavana "CCIR Oslo" ja "URSI 88 Australian")
Tarkasteltava kuukausi (Month)
Tarkasteltavan kuukauden tasoitettu auringonpilkkuluku (SSN)
Ionosfäärikerrosten ns. kriittisiin taajuuksiin vaikuttavat kertoimet (Fprob)

Muutama huomio ionosfääriä koskevien lähtötietojen asettamiseksi oikein

Ionosfääridataksi valitaan aina "CCIR Oslo". Onneksi tai epäonneksi on mahdollisuus valita myös "URSI 88 Australian", joka kuitenkin on väärä datajoukko nimenomaan VOACAP:n yhteydessä. VOACAP on suunniteltu käytettäväksi vain CCIR Oslo -datan kanssa.
Fprob-lukuihin ei tarvitse puuttua. Ne on oletusarvoisesti asetettu oikein.
Maailmalta on saatavana auringonpilkkulukuja monista lähteistä. VOACAP on suunniteltu käytettäväksi pilkkuluvuilla, jotka löytyvät täältä: ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/STP/SOLAR_DATA/SUNSPOT_NUMBERS/sunspot.predict

Aiemmin puhuin Deanin N6BV:n ohjelmasta nimeltä HFTA eli HF Terrain Assessment. Tämä ohjelma visuaalisesti näyttää horisontaalisen antennin - kuten vaakadipolin, horisontaalisen jagin tai stakatun jagiryhmän - lähtökulmat ja antennin vahvistuksen eri korkeuksilla maan pinnasta. Erityisen kiinnostavaksi HFTA:n tekee se, että siihen voidaan syöttää tieto maanpinnan muodosta lähetysantennin lähialueella. Tämän maanpinnan muodon HFTA osaa ottaa huomioon laskiessaan, miltä tutkimamme antennin säteilykulmat näyttävät!

Tässä omassa analyysissani olen asian yksinkertaistamiseksi olettanut, että ollaan täällä laakealla Pohjanmaalla eli antennimme sijaitsee vaikkapa keskellä peltoa ja ympärillämme on aivan tasaista maata horisonttiin saakka.

HFTA-ohjelma on ladattavissa ARRL:n Antenna Handbookin mukana tulevalta CD-ROM:lta.

Jos palaamme tuohon artikkelin alussa mainittuun väitteeseen ionosfäärin määräävästä roolista, näin saamme kiteytettyä että:

VOACAP ennustaa, millä säteilykulmalla (ja mihin aikaan) voidaan saavuttaa radioyhteys kahden maantieteellisen paikan välillä ionosfäärin kautta.
HFTA näyttää graafisesti, miten oma horisontaalinen antennimme kattaa ne lähtökulmat, jotka VOACAP on ennustanut tälle yhteysvälille. HFTA laskee tarkasteltavalle antennille hyvyysluvun lähtökulmien peiton mukaan.

VOACAPissa ennustetut lähtökulmat ovat luonteeltaan tilastollisia. Ennustettu lähtökulma-arvo on "mediaaniarvo" eli 50 %:n todennäköisyys arvolle. Ennustetun kulman ympärillä lienee paljon hajontaa. Todellisuudessa säteilyähän lähtee antennista moneen eri suuntaan, mutta ennustettu arvo on VOACAP:n mielestä se kulma, johon suurin osa säteilystä pitäisi kohdistaa. Samoin kun tulokulmia tarkastellaan eli otetaan vastaan radiosäteilyä, säteilyä tulee monessa eri kulmassa ja kulma vaihtelee erittäin nopeasti hetkestä toiseen. Taas voisi olettaa (minulla ei ole asiasta kokemusperäistä tietoa), että jos pääsisimme todistamaan tietystä paikasta saapuvan radiosignaalin tulokulmia, voisi kuvitella että tietyllä ajanhetkellä signaalin kulma vaihtelee hyvin nopeasti ja kun keräisi havaintoaineistoa tarpeeksi ja tutkisi sitä tarkemmin, voitaisiin löytää jokin kulma, jonka ympärillä arvot vaihtelisivat suurimman osan aikaa tietyllä ajanjaksolla. Näin ajattelen, että VOACAPinkin säteilykulmaennusteet pitäisi käytännössä ymmärtää.

Tässä analyysissa tutkimme siis sitä, kuinka korkealla antennimme pitää olla maan pinnasta, että saamme HFTA:n hyvyysluvun mahdollisimman korkeaksi VOACAP:n laskemille tilastollisille lähtökulmille. Mitä suurempi hyvyysluku, sitä paremmaksi nousevat yhteydenpidon onnistumisen edellytykset parhaaseen ennustettuun kellonaikaan (ja sen liepeillä).

Kun nyt ymmärrämme, että VOACAP ja HFTA voivat tällä tavalla tehdä merkittävää yhteistyötä, niin ongelmaksi jää se, miten VOACAP:n lähtökulmaennustedata saadaan muutettua HFTA-ohjelman syötetietomuotoon. Juuri tätä varten ohjelmoin n. vuosi sitten oman ohjelman nimeltä EAA eli Elevation-Angle Analyzer, suomeksi Lähtökulma-analysaattori.

Ohjelman englanninkielinen ohjesivu löytyy omalta sivultaan: OH6BG Elevation-Angle Analyzer for VOACAP.
Itse ohjelma on ladattavissa suoraan tästä osoitteesta: http://www.voacap.com/eaa06a.zip

Kohti parempaa lähtökulma-analyysia

2009-12-19T09:06:00.000+02:00

Tervetuloa blogiin, jossa prosessikirjoittamisen keinoin käsitellään sitä, miten VOACAP-ohjelmalla pystytään optimoimaan antennin korkeus eri bandeilla ja eri kohdealueille. Optimoinnin tarkoituksena on se että yritetään saavuttaa kohdealueilla mahdollisimman hyvä signaali, kuitenkin niin että tavallinenkin hami pystyisi tarvittavan maston rakentamaan, mikäli sitä todella haluaa. Tästä syystä yli 100-metrisiä mastoja/antennin korkeuksia ei kannata juuri käsitellä.

Tämä antennien korkeuden optimointi on suoraa jatkoa viime vuonna PileUppiin kirjoittamaani artikkeliin "Squeezing the decibels out of a simple dipole". Valitettavasti optimointiasia on jäänyt hautumaan vuodeksi, mutta nyt on hyvä aika palata asian tiimoille näin joulun aikaan.

Noin vuosi sitten olin tiiviissä kirjeenvaihdossa Deanin N6BV:n kanssa kahdesta hänen tekemästään ohjelmasta: HFTA eli HF Terrain Assessment ja ARRL:n Antenna Handbookin CD:llä olevista lähtökulmatietokannoista. Tuossa keskustelussa paljastui että hänen laskemansa lähtökulmat esim. Suomesta eri puolille maailmaa perustuivat melko pieneen vastaanottopaikkojen lukumäärään. Ajattelin että ei voida saada kovin tarkkaa kuvaa lähtökulmien jakaumasta esim. koko Afrikkaan jos lähtökulma-analyysi perustuu muutamaan havaintopisteeseen pohjoisessa ja etelässä, kun puhutaan näinkin isosta mantereesta. Tähän halusin muutosta eli kattavamman analyysin. Minusta pieni tutkimusaineisto aiheuttaa sen verran paljon virhettä lähtökulma-analyysiin että päätin tehdä vastaavan työn itse, eli laskea Vaasasta parhaimmat lähtökulmat eri puolille maailmaa käyttämällä VOACAP-ohjelmaa.

Tällöin päätin lisätä vastaaottopaikkojen lukumäärää huomattavasti niin että:

Euroopasta valitsin sopivasti maantieteellisesti levittäen 19 vastaanottopistettä,
Lähi-idästä 16 pistettä,
Afrikasta 20 pistettä,
Aasiasta 22 pistettä,
Japanista erikseen 8 pistettä,
Australian ja Tyynenmeren alueelta 11 pistettä,
Etelä-Amerikasta 10 pistettä

Yhdysvallat jaoin kolmeen osaan: länsi, keski, itä. USA:n länsi- ja keskiosista valitsin kustakin n. 12 pistettä ja itäosasta 25 pistettä. Painotus itäosaan riippui siitä että siellä on kuitenkin suurin osa hamiväestöstä.

Tällaisesta lähtökohdasta ajattelin että tutkimusaineistosta tulisi ainakin hiukan kattavampi kuin Deanin tekemästä lähtökulma-analyysista. Keskustelimme näistä asioista paljon Deanin kanssa, ja myös hän innostui niin paljon että paransi omaa analyysiään ja esitteli uudet tuloksensa Visaliassa huhtikuussa 2009. Hänen PDF-muotoinen esitelmä löytyy täältä: Contest Antennas - DX or Domestic, What’s Your Pleasure? Tämä esitys on erittäin arvokas ja siinä on (tosin Lontoon kielellä) mietitty samoja ongelmia kuin itse pohdin.