Радиосвязь с отражением от луны. Связь с отражением от лунной поверхности (EME) и отражением от метеорных следов (MS)
Луна — ближайшее к Земле небесное тело. Её радиус равен 1737 км, масса в 81,3 раза меньше массы Земли, а средняя плотность 3,35 г/куб. см, т.е. в полтора раза меньше плотности Земли. Продолжительность лунных суток составляет 29,5 земных. Среднее расстояние на трассе Земля-Луна-Земля составляет 750 тыс. км, затухание сигнала на этом пути для радиоволн метрового диапазона около 200db, т.е. сигнал ослабляется в десять, в десятой степени раз и идет туда и обратно 2,5 секунды.
Идея использовать Луну – спутник Земли в качестве пассивного ретранслятора пришла давно. Первые отражения радиоволн от поверхности Луны были получены еще в1946 году учеными Венгрии и США, работающими в этом направлении независимо друг от друга. При экспериментах использовались передатчики мощностью 200 КВт, работающие на волне около 2 метров и антенны с коэффициентом усиления 400.
«Лунная» антенна Александра, RN6BN. 64 антенны по 32 элемента.
Большие работы в этом направлении были проведены в 1954-57 годах в Горьковском университете. Для опытов использовались волны 10 и 3 см, коэффициент направленного действия антенн на волне 3 см достигал 120 тыс., т.е. энергия концентрировалась в угле 0,5 градуса. В результате этих опытов был измерен коэффициент отражения радиоволн от Луны, который составил примерно 0,25 — и было установлено, что отражение происходит от центральной части видимого диска Луны. Опыты радиолокации Луны дали реальную почву для осуществления идеи использования Луны в качестве пассивного ретранслятора.
Заинтересовались этой идеей и радиолюбители. И вот в июле 1960 года была проведена первая радиолюбительская связь в диапазоне 1296 Мгц между американскими клубными любительскими радиостанциями W6HB и W1BU. В 1964 году была проведена первая радиосвязь в диапазоне 144 Мгц между радиолюбителями OH1NL и W6DNG.
В Советском Союзе первая любительская радиосвязь через Луну была проведена 11 мая 1979 года операторами коллективной радиостанции UK2BAS, в диапазоне 432 Мгц. Их партнером был K2UYH. Позднее 19 января 1981 года радиолюбителем UT5DL была проведена первая радиосвязь в диапазоне 144 Мгц. Его партнером был K1WHS из штата Мэн, имеющий на то время самую большую антенну (24 стрелы по 14 элементов).
20 апреля, того же 1981 года, провел свою первую радиосвязь и автор этой статьи (ex UB5JIN). А дальше пошло – поехало: 6 декабря 1981 года, первая внутрисоюзная радиосвязь (UB5JIN и UA3TCF), 11 января 1982 года — первая радиосвязь с территории СССР на SSB – (UB5JIN и K1WHS), 15 августа 1982 года первая связь с Японией (UB5JIN и JA6DR), 10 октября с Венесуэлой (UB5JIN и YV5ZZ) и так далее…
Сегодня через Луну проводят любительские связи тысячи радиолюбителей всех континентов земного шара в диапазонах 144, 432, 1296, 5600 Мгц. Каждый из диапазонов имеет свои особенности, достоинства и недостатки.
Прием на земле сигналов, отраженных от Луны, встречает большие принципиальные трудности:
Луна движется относительно Земли с большой угловой скоростью, поэтому отраженный сигнал подвержен «Доплеровскому” эффекту, т.е. волна, отраженная от движущегося тела, имеет частоту колебаний отличную от частоты, посланной волны. Эта разница для диапазона 144 Мгц достигает 427 Гц.
Большое влияние на принимаемый сигнал оказывает также эффект «Фарадея”, т.е. вращение вектора поляризации передаваемого сигнала, который выражается в глубоких замираниях сигнала. Для устранения этого эффекта необходимы антенны с круговой поляризацией, которые трудно осуществимы в диапазоне 144 Мгц из конструктивных соображений.
Сильно влияют на прием сигналов метрового диапазона космические шумы, к примеру: минимальная шумовая температура небесной сферы на частоте 136 Мгц в феврале 1982 года составляла 210 градусов Кельвина или 2,35 db в точках минимума и 2750 градусов или 10,2 db в точках максимума.
Много проблем связано также с прозрачностью тропосферы и ионосферы Земли, атмосферными и местными электрическими помехами.
Ориентировочное затухание на трассе Земля-Луна-Земля для разных диапазонов можно выразить таблицей:
Для того, чтобы перекрыть такое затухание, радиолюбитель, желающий заниматься E-M-E радиосвязями, должен сделать очень серьезную аппаратуру и антенны.
EME-антенна W5UN. 32 антенны по 32 элемента.
Чтобы получить эхо своего сигнала с уровнем 1 db над шумами в диапазоне 144 Мгц надо, чтобы антенны (передающая и приемная) имели в сумме примерно 43 db, т.е. хорошая антенна для Е-М-Е должна иметь коэффициент усиления не менее 21,5 db. Хотя возможны радиосвязи при использовании антенн с меньшим усилением, так, для проведения радиосвязи с радиолюбителем K1WHS (антенна 24 х14 и К.У. равном 27db) вполне достаточно иметь антенну с усилением 15-16 db!
Для успешной Е-М-Е работы нужно четко знать положение Луны, время ее восхода и захода у Вас и Ваших партнеров. В этом вам очень помогут компьютерные программы, к примеру: WSJT и Orbitron
Радиолюбителю необходимо знать периоды перигея и апогея Луны и “окна” на Европу, Японию, Южную и Северную Америку. Необходимо знать дни, когда траектория Луны близка к траектории движения Солнца, т.к. проведение радиосвязи при разнице менее 30 градусов невозможно, из-за больших шумовых излучений Солнца.
При Лунной работе наблюдается также интересное явление, называемое “грунт-эффект”, т.е. на восходе и заходе Луны происходит заметное увеличение уровня отраженных сигналов на 1-3 db.
Очень интересным занятием при работе через Луну является проведение эхо-тестов. Это лучше делать за пределами Е-М-Е участка (144,000-144.015 Мгц). Передаётся серия точек или тире, лучше воспринимаются сочетания “BK”, “SK”, Примерно через 2,5 секунды принимается эхо-сигнал. Он будет в стороне по частоте (доплеровский эффект) не более 427 Гц. Эхо слышно не всегда и не постоянно, это зависит от условий. Если в данный момент времени эхо не слышно в Вашем QTH — это не значит, что сигнал не отражается и не принимается, например, в Африке или Америке. И наоборот – можно хорошо слышать своего партнера, свое эхо, а партнер в этот момент времени Вас не слышит. Опыты показали, что вполне приемлемым для Е-М-Е работы будет эхо с уровнем 1-2 db над шумами, принимаемое время от времени.
Как говорилось ранее, антенные системы для приема Е-М-Е сигналов являются одним из основных факторов. Антенная система должна иметь вращение по горизонту, а также вертикальную элевацию с точностью установки азимута и элевации не хуже 5-7 градусов. Усиление антенной системы должно быть не менее 18-19 db.
И напоследок об антенных усилителях, хочется обратить внимание радиолюбителей на тщательную скурпулезную настройку предусилителя. Мало поставить хороший транзистор — надо реализовать его технические параметры.
В качестве части своего программного проекта WSJT, Joe Taylor, K1JT, разработал JT65 для работы EME, как расширение WSJT. Основная масса радиолюбителей (если не все) сейчас проводят EME — QSO’s с помощью этой программы и весьма успешно. Пожалуйста, для получения дополнительной информации посетите сайт K1JThttp://www.physics.princeton.edu/pulsar/K1JT/wsjt.html . Этот цифровой режим связи по-видимому, дает выигрыш в соотношении сигнал/шум около 10 dB по сравнению с CW и сделает гораздо более легким проведение низкоэнергетической станцией большего количества EME QSO, чем это было бы возможно с использованием CW (кроме ситуаций с лучшими условиями).
EME — антенна KB8RQ.
Некоторые выдержки взяты из статьи Василия Бекетова, UU2JJ (ex UB5JIN) — Лунная связь на 144 Мгц.
Вдоволь наработавшись через метеоры, решил попробовать провести хотя бы одну EME — связь. Опыт работы с программой WSJT был уже большой и аппаратура, как бы теоретически позволяла, сработать с BIG GUN’s-ами (радиолюбителями обладающими большой энергетикой и целой системой направленных антенн).
На тот период времени у меня был ICOM IC-910H c выходной мощьностью 100 ватт на диапазоне 144 Мгц, предусилитель ICOM AG-25, 4 антенны по 10 элементов каждая (A144S10 фирмы Diamond, Japan) и поворотка Yaesu G-800 DXA.
Первую связь решил провести с Александром, RN6BN — так как громче (как в CW, так и в SSB) и сильней по уровню (по программе WSJT), я больше ни кого и ни когда не принимал!
Вызывать его начал модой JT65 специально без предварительной договоренности (связь рандом) и он без проблем мне ответил. Первое моё EME — QSO состоялось!!!
Это меня сильно воодушивило и теперь я стал с нетерпением ожидать восхода и захода Луны. Так, как у меня антенна была без возможности элевации, то мне отводился, примерно, 1 час для того, что бы попытаться провести связь, когда Луна находится низко над горизонтом.
К тому же очень сильно помогал «эффект грунта», когда к основному сигналу добавлялись дополнительные 1-2 дцб в результате отражения сигнала от Земли.
Вторая связь была без проблем с W5UN, третья с KB8RQ и так потихоньку-помаленьку «поехало»…
За 1 год я провёл более 50 EME — связей (конечно с «большими станциями»). Что бы работать и дальше через Луну нужно было соответственно улучшать свой SETUP. Но как оно всегда в жизни бывает: отсутствие финансов, ограничение в площади для установки антенн, помехи соседям из-за большой мощности усилителя, в конце-концов остудили мой пыл. Но ту безмерную радость и ощущение того, что ты ещё можешь что-то на этой грешной земле, испытал сполна…
73!
Луна - ближайшее к Земле небесное тело. Её радиус равен 1737 км, масса в 81,3 раза меньше массы Земли, а средняя плотность 3,35 г/куб. см, т.е. в полтора раза меньше плотности Земли. Продолжительность лунных суток составляет 29,5 земных. Среднее расстояние на трассе Земля-Луна-Земля составляет 750 тыс. км, затухание сигнала на этом пути для радиоволн метрового диапазона около 200db, т.е. сигнал ослабляется в десять, в десятой степени раз и идет туда и обратно 2,5 секунды.
Идея использовать Луну – спутник Земли в качестве пассивного ретранслятора пришла давно. Первые отражения радиоволн от поверхности Луны были получены еще в 1946 году учеными Венгрии и США, работающими в этом направлении, независимо друг от друга.
При экспериментах использовались передатчики мощностью 200 КВт, работающие на волне около 2 метров и антенны с коэффициентом усиления 400.
Большие работы в этом направлении были проведены в 1954-57 годах в Горьковском университете. Для опытов использовались волны 10 и 3 см, коэффициент направленного действия антенн на волне 3 см достигал 120 тыс., т.е. энергия концентрировалась в угле 0,5 градуса. В результате этих опытов был измерен коэффициент отражения радиоволн от Луны, который составил примерно 0,25 - и было установлено, что отражение происходит от центральной части видимого диска Луны. Опыты радиолокации Луны дали реальную почву для осуществления идеи использования Луны в качестве пассивного ретранслятора.
Заинтересовались этой идеей и радиолюбители. И вот в июле 1960 года была проведена первая радиолюбительская связь в диапазоне 1296 МГц между американскими клубными любительскими радиостанциями W6HB и W1BU. В 1964 году была проведена первая радиосвязь в диапазоне 144 МГц между радиолюбителями OH1NL и W6DNG.
В Советском Союзе первая любительская радиосвязь через Луну была проведена 11 мая 1979 года операторами коллективной радиостанции UK2BAS, в диапазоне 432 МГц. Их партнером был K2UYH. Позднее 19 января 1981 года радиолюбителем UT5DL была проведена первая радиосвязь в диапазоне 144 МГц. Его партнером был K1WHS из штата Мэн, имеющий на то время самую большую антенну (24 стрелы по 14 элементов).
20 апреля, того же 1981 года, провел свою первую радиосвязь и автор этой статьи (ex UB5JIN). А дальше пошло – поехало: 6 декабря 1981 года, первая внутрисоюзная радиосвязь (UB5JIN и UA3TCF), 11 января 1982 года - первая радиосвязь с территории СССР на SSB – (UB5JIN и K1WHS), 15 августа 1982 года первая связь с Японией (UB5JIN и JA6DR), 10 октября с Венесуэлой (UB5JIN и YV5ZZ) и так далее…
Сегодня через Луну проводят любительские связи тысячи радиолюбителей всех континентов земного шара в диапазонах 144, 432, 1296, 5600 МГц. Каждый из диапазонов имеет свои особенности, достоинства и недостатки.
Прием на земле сигналов, отраженных от Луны, встречает большие принципиальные трудности:
Луна движется относительно Земли с большой угловой скоростью, поэтому отраженный сигнал подвержен "Доплеровскому” эффекту, т.е. волна, отраженная от движущегося тела, имеет частоту колебаний отличную от частоты, посланной волны. Эта разница для диапазона 144 МГц достигает 427 Гц.
Большое влияние на принимаемый сигнал оказывает также эффект "Фарадея”, т.е. вращение вектора поляризации передаваемого сигнала, который выражается в глубоких замираниях сигнала. Для устранения этого эффекта необходимы антенны с круговой поляризацией, которые трудно осуществимы в диапазоне 144 МГц из конструктивных соображений.
Сильно влияют на прием сигналов метрового диапазона космические шумы, к примеру: минимальная шумовая температура небесной сферы на частоте 136 МГц в феврале 1982 года составляла 210 градусов Кельвина или 2,35 db в точках минимума и 2750 градусов или 10,2 db в точках максимума.
Много проблем связано также с прозрачностью тропосферы и ионосферы Земли, атмосферными и местными электрическими помехами.
Ориентировочное затухание на трассе Земля-Луна-Земля для разных диапазонов можно выразить таблицей: Положение Луны Дистанция (тыс.км) 144 МГц (db) 432 МГц (db) 1296 МГц (db)
Перигей 356,334187,08196,62206,15
Апогей 406,610188,21197,76207,21
Для того, чтобы перекрыть такое затухание, радиолюбитель, желающий заниматься E-M-E радиосвязями, должен сделать очень серьезную аппаратуру и антенны. Исходя из затухания на трассе и известных исходных данных приемника и передатчика, можно построить график усиления антенн для разных диапазонов радиоволн:
При: TX = 700 watts
RX = 1 db
DF = 100 Hz
Как видно из графика, чтобы получить эхо своего сигнала с уровнем 1 db над шумами в диапазоне 144 МГц надо, чтобы антенны (передающая и приемная) имели в сумме примерно 43 db, т.е. хорошая антенна для Е-М-Е должна иметь коэффициент усиления не менее 21,5 db. Хотя возможны радиосвязи при использовании антенн с меньшим усилением, так, для проведения радиосвязи с радиолюбителем K1WHS (антенна 24 х14 и К.У. равном 27db) вполне достаточно иметь антенну с усилением 15-16 db!
Для успешной Е-М-Е работы нужно четко знать положение Луны, время ее восхода и захода у Вас и Ваших партнеров. Радиолюбителю необходимо знать периоды перигея и апогея Луны и "окна” на Европу, Японию, Южную и Северную Америку. Необходимо знать дни, когда траектория Луны близка к траектории движения Солнца, т.к. проведение радиосвязи при разнице менее 30 градусов невозможно, из-за больших шумовых излучений Солнца.
При Лунной работе наблюдается также интересное явление, называемое "грунт-эффект”, т.е. на восходе и заходе Луны происходит заметное увеличение уровня отраженных сигналов на 1-3 db. Так, для квадрата "KN74BX”, наблюдался ярко выраженный эффект на заходе (в этом направлении равнина 40-50 км заканчивается Черноморским бассейном), на восходе "грунт-эффект” не наблюдался (холмистая местность, переходящая в гряду Крымских гор).
Очень интересным занятием при работе через Луну является проведение эхо-тестов. Это лучше делать за пределами Е-М-Е участка (144,000-144.015 МГц). Передаётся серия точек или тире, лучше воспринимаются сочетания "BK”, "SK”, Примерно через 2,5 секунды принимается эхо-сигнал. Он будет в стороне по частоте (доплеровский эффект) не более 427 Гц. Эхо слышно не всегда и не постоянно, это зависит от условий. Если в данный момент времени эхо не слышно в Вашем QTH - это не значит, что сигнал не отражается и не принимается, например, в Африке или Америке. И наоборот – можно хорошо слышать своего партнера, свое эхо, а партнер в этот момент времени Вас не слышит. Опыты показали, что вполне приемлемым для Е-М-Е работы будет эхо с уровнем 1-2 db над шумами, принимаемое время от времени.
Автором статьи проводились эксперименты с разными антеннами: 13 EL , 16 EL, 8х9 EL, 8х15 EL и предусилителями на антенне с коэффициентом шума 0,5 – 1,5 db. Усилитель мощности передатчика был выполнен на двух лампах 4CX350A по двухтактной схеме (P out ~ 1 Kw). Опыт показал, что такой аппаратуры, антенн и энергетики вполне достаточно для удовлетворительной работы с использованием отраженных от Луны сигналов. В течение года были проведены радиосвязи с более 100 различными корреспондентами на 5-ти континентах.
Как говорилось ранее, антенные системы для приема Е-М-Е сигналов являются одним из основных факторов. Антенная система должна иметь вращение по горизонту, а также вертикальную элевацию с точностью установки азимута и элевации не хуже 5-7 градусов. Усиление антенной системы должно быть не менее 18-19 db. Хорошо зарекомендовали себя антенные решетки на базе антенн типа F9FT: 8х9, 8х13, 4х16, 8х16, которые легко повторимы и конструктивно просты.
И напоследок об антенных усилителях, хочется обратить внимание радиолюбителей на тщательную скурпулезную настройку, хотя бы простейшим шум генератором на лампе 2Д2С, т.к. мало поставить хороший транзистор, надо реализовать его технические параметры.
На выход НЧ приемника желательно подключать при экспериментах вольтметр переменного тока (с децибельной шкалой) типа В3-38, В3-39, для точного измерения уровней Е-М-Е сигналов.
Сокращенный вариант статьи, отправленной в журнал "Радио” 9 ноября 1982 года.
Восстановлено из сохранившихся черновиков, 22 ноября 2003 года, 21 год спустя!!!
Луна - естественный спутник Земли. Ее диаметр составляет 3476 км, среднее расстояние от Земли - 384900 км. Угловой диаметр Луны при наблюдении с Земли составляет 33 минуты. Луна движется вокруг Земли в направлении с запада на восток с угловой скоростью 12-13° в сутки, возвращаясь в то же самое положение относительно Земли и Солнца спустя один лунный месяц, что составляет 29,53 средних солнечных суток. Орбита Луны наклонена к плоскости орбиты Земли под углом 5° 9′. В связи с наклоном оси Земли относительно плоскости ее орбиты на 27° 27′
Луна с территории, например, европейской части России видна под углами от 11° до 68°. Точное угловое положение Луны относительно любой точки на Земле приведено в астрономических ежегодниках. Поверхность Луны обладает коэффициентом отражения для радиоволн 0,1. Эффективная отражающая поверхность Луны представляет собой круг диаметром 340 км, который расположен на ближайшей к Земле части поверхности Луны. Луна повернута к Земле одной и той же стороной. Однако из-за явления вибрации мы видим несколько большую чем половина часть поверхности Луны. В результате вибрации положение наиболее эффективно отражающей области на поверхности Луны постоянно меняется, что приводит к переменному во времени процессу интерференции отраженных волн. Это, в свою очередь, приводит к флуктуации (на 4-5 дБ) уровня отраженного от Луны и принятого на Земле сигнала. Уровень сигнала уменьшается до нуля только в небольшие интервалы времени (несколько секунд), соответствующие моментам, когда направление вибрации изменяется на противоположное.
Разница в расстояниях от центра наиболее эффективной части отражающей поверхности Луны до Земли и от ее периферийной части до Земли составляет около 8 км, что соответствует времени распространения радиоволны около 100 мкс. Это приводит к деформации фронта отраженной от Луны волны, что ограничивает полосу модуляции передатчика до 10 кГц. Волна, падающая на поверхность Луны, при отражении изменяет фазу. Поэтому при использовании радиоволн с круговой поляризацией необходимо учитывать, что после отражения направление вращения поляризованной волны меняется на обратное.
Проявление эффекта Допплера в отраженном сигнале обязано вибрации Луны. Знак изменения допплеровского сдвига частоты при отражении от двух противоположных сторон Луны различен. В диапазоне 2 м допплеровский сдвиг достигает плюс-минус 2 Гц, в диапазоне 70 см - плюс-минус 6 Гц, в диапазоне 23 см - плюс-минус 18 Гц.
Время распространения сигнала от Земли до Луны и обратно составляет 2,56 с. За это время можно осуществить ручную коммутацию антенны с передачи на прием.
Сигнал при проведении лунных радиосвязей дважды проходит через земную атмосферу, т.е. дважды преломляется в тропосфере и ионосфере Земли. При малых угломестных положениях Луны сигнал даже при нормальном состоянии атмосферы подвергается рефракции: в тропосфере - до 1°, в ионосфере - До 0,5°. При аномальных состояниях атмосферы приведенные значения углов преломления могут быть большими. В этом случае может возникнуть такая ситуация, когда излучение с Земли проходит мимо Луны, а при высоком расположении слоя Е ионосферы вообще не покидает поверхность Земли.
Радиоволна, проходя через атмосферу Земли, испытывает влияние эффекта Допплера: в диапазоне 2-х метров допплеровское изменение частоты составляет 14 Гц, а на 70 см - 3 Гц. Точное значение допплеровского сдвига определяется как угломестным расположением станции, так и свойствами атмосферы. Учитывая, что и отраженная от поверхности Луны радиоволна подвержена допплеровскому сдвигу, а знак изменения противоположен знаку изменения частоты, вызванному влиянием атмосферы Земли, может возникнуть ситуация, когда результирующий частотный сдвиг будет равен нулю.
Радиоволна, проходящая ионосферу Земли, под действием ее магнитного поля изменяет плоскость поляризации (эффект Фарадея). Поворот плоскости поляризации зависит от длины пути в ионосфере, т.е. от угломестного положения Луны, и пропорционален квадрату частоты. Для 2-метрового диапазона при низком положении Луны над горизонтом поворот плоскости поляризации равен 3360е, т. е. составляет девять полных оборотов плюс 120°.
Страница 3 из 3
Как только Луна стала подниматься достаточно высоко, эксперименты с эхо-сигналами продолжились. И вот 8 августа новый этап - Barry VE4MA принял мои сигналы. Это была последовательность тире длительностью около 0,3 секунды и с периодом около 1секунды. Через три дня мои сигналы были приняты всеми участниками эксперимента. К сожалению, все мои попытки принять ответные сигналы от Gary AD6FP не дали результата. Не было даже намека на присутствие сигнала.
Следует заметить, что сейчас наихудший момент для проведения связей через Луну, особенно в диапазоне миллиметровых волн. Из-за больших потерь в атмосфере проведение связи возможно только при больших углах места. Для EME QSO с Северной Америкой есть всего 3-5 дней в месяц, когда Луна поднимается достаточно высоко, но эти дни сейчас совпадают с апогеем лунной орбиты, что дает 2 дБ дополнительных потерь. К тому же в эти дни сейчас полнолуние, что соответствует максимуму тепловых шумов Луны, В отличие от более низкочастотных диапазонов, на которых фаза Луны на шум почти не влияет (отражение там происходит на большей глубине от поверхности Луны, где температура достаточно постоянна), в диапазоне 47 ГГц наблюдается более, чем полуторакратное изменение шумовой температуры Луны. Если учесть, что диаграмма направленности антенны полностью укладывается в угловой размер Луны, то ясно, что ее шум ставит предел повышению чувствительности приемника. По этой причине решил отказаться от попыток охлаждения малошумящего усилителя. Технически это довольно сложно реализовать, а максимальный выигрыш в соотношении сигнал/шум при охлаждении жидким азотом мог составить 1-2 дБ. Судя по всему такой прибавки явно не хватало.
В результате оставался только один способ - цифровая обработка принятого сигнала. К сожалению, широко известные программы в данном случае не подходят, так как они рассчитаны на узкополосные сигналы низкочастотных диапазонов. В нашем же случае ширина спектра отраженного сигнала достигает нескольких сотен Гц. Это вызвано, во-первых, многолучевым характером отражения от Луны, когда каждый луч имеет свой доплеровский сдвиг частоты, а во-вторых, флуктуациями сигнала при распространении миллиметровых радиоволн в атмосфере. Так как ничего готового найти не удалось, пришлось думать о собственной программе. Тут мне опять повезло, мой старый знакомый Владимир Барчуков (http://www.orc.ru/~micron) согласился помочь в этом деле.
Первые результаты были получены 2 ноября, когда удалось принять от Gary AD6FP серию “тире”, а 27 ноября удалось выделить из шумов оба позывных (47GHz.wav). Для передачи был использован обычный код Морзе в режиме двухтоновой частотной телеграфии (BFSK), а для приема метод некогерентного накопления повторяющейся информации.
При этом надо было обеспечить высокую точность установки частот передатчика и приемника и автоматическую коррекцию постоянно изменяющегося доплеровского сдвига частоты на протяжении всего сеанса. Ведь никакой возможности подстройки частоты по реальному сигналу в данном случае нет. После того, как сигнал был выделен, выяснилось, что погрешность составила всего около 100 Гц. Еще пару лет назад это было бы невозможно, так как отсутствовали программы для точного расчета доплеровского сдвига частоты сигнала, отраженного от поверхности Луны. Теперь такие программы есть, и самая удобная из них - это последняя версия F1EHN (EME SYSTEM V5.1). Само собой разумеется, что точность калибровки частоты у обоих корреспондентов измеряется десятками герц. Для сравнения в двухметровом диапазоне это соответствует точности установки частоты около 0,1 Гц.
Анализ показал, что уровень принимаемого сигнала составлял окодо - 20 дБ по отношению к мощности шумов в полосе 2,5 кГц (как это принято в WSJT). Для сравнения такой «авророподобный» сигнал практически не слышен и не виден с помощью программы «Spectran» с уровня около - 15 дБ.
Я предложил назвать программу MWCW (Millimeter wave CW). Однако после соответствующей доводки она может быть полезна не только на миллиметровых волнах.
Таким образом, все технические проблемы в основном решены. Осталось только дождаться высокой Луны, хорошей погоды и определенной доли удачи. И чтобы аппаратура не подвела.
Проверка и настройка ЛБВ на рабочем столе.
В последние годы развивается новый вид радиосвязи, использующий эффект отражения радиоволн от поверхности Луны. Этот вид радиосвязи привлекает все большее количество энтузиастов.
Для реализации данного вида радиосвязи требуется более совершенная аппаратура. Так, например, для радиосвязи в диапазоне 144 МГц требуются приемники с уровнем шумов не более 2 дБ, а для диапазона 432 МГц - не более 4 дБ; мощность передатчика достигает 500...1000 Вт. Узкополосная радиосвязь требует использования в приемнике малошумящих входных устройств, а также стабильных кварцевых фильтров.
Очень серьезные требования предъявляются в данном случае и к антенным устройствам. Наиболее часто используется параболическая антенна, диаметр которой составляет 4...10 м, а также многоэлементная антенна типа «волновой канал», число элементов в которой достигает несколько сотен. Кроме того, антенна должна быть постоянно ориентирована на Луну, что требует применения системы автоматической ориентации диаграммы излучения антенны.
Приведем основную информацию, касающуюся использования поверхности Луны в качестве пассивного ретранслятора.
Луна - естественный спутник Земли. Ее диаметр составляет 3476 км, среднее расстояние от Земли - 384 900 км. Угловой диаметр Луны при наблюдении с Земли равен 33". Луна движется вокруг Земли в направлении с запада на восток с угловой скоростью 12...13° в сутки, возвращаясь в то же самое положение относительно Земли и Солнца спустя один лунный месяц, что составляет 29,53 средних солнечных суток. Орбита Луны наклонена к плоскости орбиты Земли под углом 5°9".
В связи с наклоном оси Земли относительно плоскости ее орбиты на 27°27" Луна с территории Польши видна под углами от 11,5° до 68,5° (географическая широта Польши около 50°).
Точное угловое положение Луны относительно любой точки на Земле приведено в астрономических ежегодниках.
Поверхность Луны обладает коэффициентом отражения для радиоволн ρ = 0,1 . Эффективная отражающая поверхность Луны представляет собой круг диаметром 340 км, который расположен на ближайшей к Земле части поверхности Луны.
Луна повернута к Земле одной и той же стороной. Однако из-за явления либрации мы видим несколько большую, чем половина, часть поверхности Луны.
В результате либрации положение наиболее эффективно отражающей области на поверхности Луны постоянно меняется, что приводит к переменному во времени процессу интерференции отраженных волн. Это, в свою очередь, приводит к флуктуации (на 4-5 дБ) уровня отраженного от поверхности Луны и принятого на Земле радиосигнала. Указанной флуктуации сигнал подвержен приблизительно в течение 50% времени. Уровень флуктуации сигнала уменьшается до нуля лишь в крайне небольшие интервалы времени (несколько секунд), соответствующие моментам, когда направление либрации изменяется на противоположное.
Разница в расстояниях от центра наиболее эффективной части отражающей поверхности Луны до Земли и от ее периферийной части до Земли составляет около 8 км, что соответствует времени распространения радиоволны τ ≈ 100 мкс . Это обстоятельство приводит к деформации фронта отраженной от поверхности Луны волны, которая обусловлена отражением от областей, расположенных на различных расстояниях (рис. 4.30а ). Деформация фронта ограничивает полосу модуляции передатчика, сужая ее до 10 кГц (рис. 4.30б ).
Волна, падающая на поверхность Луны, при отражении изменяет фазу. Поэтому при использовании волны с круговой поляризацией необходимо учитывать, что после отражения направление вращения поляризованной полны меняется на обратное. Это, в свою очередь, требует применения специальных поляризационных устройств в передающем и приемном каналах используемой антенны.
Проявление эффекта Доплера в отраженном сигнале обязано явлению либрации Луны. Следует особо отметить, что знак изменения частоты при отражении от двух противоположных сторон Луны различен. Это приводит к расширению спектра принимаемого отраженного сигнала. В диапазоне 144 МГц доплеровский сдвиг достигает ±2 Гц, в диапазоне 432 МГц - ±6 Гц, а в диапазоне 1296 МГц - ±18 Гц. Если учесть, что полоса приемника составляет всего 50 Гц, то становится ясным, что влияние рассматриваемого эффекта весьма существенное (рис. 4.30в ).
Время распространения сигнала от Земли до Луны и обратно составляет 2,56 с. За это время можно осуществить ручную коммутацию антенны с передающего режима на приемный и обратно.
Сигнал при радиосвязи с использованием отражения от поверхности Луны дважды проходит через земную атмосферу, т. е. дважды преломляется в тропосфере и ионосфере Земли. При малых угломестных положениях Луны сигнал даже при нормальном состоянии атмосферы подвергается рефракции: в тропосфере до 1°, а в ионосфере до 0,5° (точное значение угла преломления зависит от частоты). При аномальных состояниях атмосферы приведенные значения углов преломления могут быть превышены. В последнем случае может возникнуть такая ситуация, когда излучение с Земли проходит мимо Луны, а при высоком расположении слоя Е ионосферы вообще не покидает поверхности Земли. Поэтому использование остронаправленных антенн диктует необходимость специальных мер, направленных на то, чтобы «не потерять» Луну (см. рис. 4.30).
Радиоволна, проходя атмосферу Земли, испытывает влияние эффекта Доплера: на частоте 144 МГц доплеровское изменение частоты составляет 14 Гц, а на частоте 432 МГц - 3 Гц. Точное значение доплеровского сдвига определяется как угломестной ориентацией направления излучения антенны, так и свойствами атмосферы (главным образом, тропосферы). Само собой разумеется, что и отраженная от поверхности Луны волна подвержена влиянию эффекта Доплера. Однако надо иметь в виду, что во втором случае знак изменения частоты противоположен знаку изменения частоты, вызванного влиянием атмосферы Земли. Поэтому не исключено возникновение ситуации, когда результирующий частотный сдвиг будет равен нулю.
Радиоволна, проходящая ионосферу, под действием магнитного поля Земли изменяет плоскость поляризации (эффект Фарадея ). Поворот плоскости поляризации зависит от длины пути в ионосфере, т. е. от угломестного положения Луны, а также от квадрата частоты (рис. 4.31). Например, для f = 144 МГц при низком положении Луны (α = 10° ) поворот плоскости поляризации равен 3360°, т. е. составляет девять полных оборотов и плюс еще 120°. Поворот плоскости поляризации для частоты f = 1296 МГц составляет 41,5°. Еще раз подчеркнем, что этот параметр сильно зависит от условий распространения в ионосфере, которые, как уже известно, подвержены цикличным изменениям в пределах суток.
Анализируемый эффект необходимо учитывать при проектировании антенных устройств для линий радиосвязи, использующих отражение от Луны. Так, например, при использовании обеих антенн с линейной поляризацией пренебрежение эффектом Фарадея может привести к существенному снижению уровня сигнала. Если применить хотя бы одну антенну с регулируемой ориентацией поляризации (например, приемную антенну), то можно получить ощутимый выигрыш в уровне принимаемого сигнала. Именно по этой причине на таких линиях радиосвязи используются антенны с круговой поляризацией, так как радиоволна с круговой поляризацией не подвержена влиянию эффекта Фарадея.
Можно принять комбинированное решение: одна антенна с круговой поляризацией, а другая с линейной. Эта комбинация позволяет устранить вредное влияние эффекта Фарадея, однако при этом, естественно, уровень принимаемого сигнала уменьшается на 3 дБ.
