Как работает отражение от луны

Недавно перебирая в гараже старые документы, журналы, нашел черновики статьи «Лунная связь 144 Мгц» бесследно пропавшей в редакции журнала » РАДИО» двадцать один год назад! Тема не потеряла своей актуальности и сегодня, остались те же вопросы и проблемы.

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.

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:

Источник

Радиосвязь с использованием отражения от Луны

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.

Источник

Опыт работы на УКВ — связи через метеоры, Луну

Автор: Александр, RU1AA

В 1992 году после DX-pedition на остров Малый Высоцкий ( MVI )Martin OH2BH предложил организовать экспедицию ОH-UA на 6 м, т.к. из России и других стран СНГ практически никто не работал на этом диапазоне. Выбрали г. Выборг, где нет первого телевизионного канала. Получили разрешение и отработали около 1 тысячи связей. А на следующий год мы поехали сами под Приозерск, также получив разрешение для работы на 6м. С собой мы взяли FT 726, где были два диапазона 6м и 2М. Сделали антенны на 6м и на 2м для связи с городом . Когда мы работали на 6м и говорили наш QTH LOC, радиолюбители из Европы предложили нам поработать MS (связь с отражением от следов метеоритов ) на 2м, т.к. наш квадрат (КР40) тогда был редкий. MS мы никогда не работали. Но Сергей RX1AS рассказал нам процедуру работы и дал свой старый катушечный магнитофон, переделанный для работы MS. Электронный ключ позволял нам тогда передавать со скоростью где-то 700-800 знак/мин.Так началось увлечение радиосвязью на УКВ. По различным видам связи на УКВ можно найти много интересных и познавательных статей как в старых журналах «Радио», так и на новых страницах Интернета.

Больше всего, конечно, информации можно найти о различных видах тропосферной УКВ связи и связи через Аврору. Авроральное прохождение и, особенно, дальнее тропосферное прохождение явления, воообшем-то, случайные и надо иметь большое терпение, чтобы ими заниматься.

Я хочу немного рассказать и, может быть, дополнить о связи через Луну и метеориты.

В свое время на нашей станции все мы увлекались только КВ соревнованиями, а сейчас многие уже и УКВ. Метеорные отражения (Meteor Scatter) – MS – вид связи как и многие другие виды связи с использованием отражений, в данном случае от следов сгорающих метеоритов. Многие, конечно, не знают, что за год нашу землю пронизывают примерно 360 потоков, которые имеют названия. Свои названия потоки, в основном, получают от тех звезд или созвездий, со стороны которых они прилетают к земле. Все потоки очень стабильны по времени и хорошо изучены.
Основные параметры метеорных потоков — это количество метеоров в час и скорость потока. Интенсивность потоков меняется от года к году по астрономическим законам. Имеется 12 основных потоков, которые используют радиолюбители для связи. В профессиональной связи метеорные потоки, а также спорадические метеориты используются давно и круглогодично.
Самые известные потоки Персеиды, Гемениды, Леониды, Лириды, Квадрантиды и другие характеризуются количеством метеоров 60-120 в час. Но бывают годы, когда интенсивность потоков возрастает во много раз за счет влияния других небесных странников – комет.
Так ,например , в ноябре 1998 года скромные потоки Леониды превратились в настоящий небесный дождь, о котором всех жителей планеты оповещали заранее. Для космических аппаратов возникла большая опасность. Для метеорной связи возникли невероятные условия. Отражения от такого огромного количества сгоревших (их число характеризовалось по разным оценкам до 200000/час!) были постоянны. Т.е. можно было работать как при отличном тропосферном прохождении. Я сам работал (в основном SSB для скорости) часов 12 подряд, пока не выдохся.
Исследования, которые проводились в этой области, показали, что наиболее эффективны частоты порядка 80 МГц. У радиолюбителей наиболее популярен диапазон 2 м – 144 мГц, хотя 430 МГц и 50 МГц тоже используют. На диапазоне 50 МГц, на котором нам (RZ1AWT) довелось поработать некоторое время, метеорная связь еще лучше.
Связи проводят как по договоренности по времени и частоте (sked),так и случайным образом (random), для этого есть общая вызывная частота 144.100МГц. Во время соревнований ,а также в сильных потоках , чтобы не создавать помех на одной частоте используют так называемую буквенную систему ( Letter system ) . При передаче CQ O RZ1AWT буква O означает , что оператор RZ1AWT будет слушать на частоте 144.100 +15 =144.115 МГц , т.к. буква O пятнадцатая в алфавите .
Связи по договоренности проводят , как правило ,на частотах выше 144.120 МГц .
Современная процедура проведения связи выглядит так :

CQO RZ1AWT CQO RZ1AWT … —1 period 2.5 min на 144.100 МГц
RZ1AWT DL5MAE 2727 RZ1AWT DL5MAE 2727 –2 period 2.5 min на 144.115 МГц
DL5MAE RZ1AWT R28R28 … —3 period 2.5 min на 144.115 МГц
RRRRRRRRRMAE RRRRRRRRRRMAE —4 period 2.5 min на 144.115 МГц
RRRRRRRRRAWT RRRRRRRRRRAWT —5 period 2.5 min на 144.115 МГц

Наиболее приемлимые расстояния для связи от 800 до 2000 км . На расстояниях меньше 800 км используют не прямые отражения , а под различными углами и даже поворачивают антенну на 180 градусов . При проведении связей CW используют период приема и передачи 2,5 мин, SSB – 1 мин. Скорость передачи в последнее время значительно выросла от 1000 знаков в минуту до 10000 – этот вид связи называют HSCW (High Speed) или HSMS. Передаваемая информация, как правило компьютером, а не электронным ключом, многократно повторяется за период 2,5 мин. На приемной стороне она записывается или на специальный магнитофон или в память компьютера. Запись осуществляется непрерывно, но моменты, когда прослушиваются короткие сигналы отражений, т.н. пинги или бурсты, определенным образом отмечаются, и затем прослушиваются на пониженной скорости.
Пинг — это сигнал малой длительностью менее секунды ,
бурст – более длинный.
При высоких скоростях передачи даже короткие пинги несут некоторую информацию.

Большинство УКВ трансиверов или передатчиков имеют максимальную скорость манипуляции CW от 1000-3000 знаков/мин. Поэтому при больших скоростях используют тональную манипуляции в SSB режиме.

Имеется прекрасная программа (свободная) 9A4GL http://www.qsl.net/dk5ya/- WinMSDSP ,
которая используется как для передачи, так и для приема MS сигналов.
Многие радиолюбители используют также программу OH5IY http://www.sci.fi/

oh5iy/- OH5IY 5.1
для формирования сигналов передачи, а для приема несколько переделанные обычные или цифровые магнитофоны.
Немецкие радиолюбители также разработали для MS цифровые магнитофоны – DTR ( Digital Tape Recorder ) of DK7KF http://www.qsl.net/dk5ya/ ,которые можно недорого приобрести.
Программа OH5IY содержит всю необходимую информацию также о потоках.
В интернете существует масса WEB SITEов, на которых также все можно найти, а на METEOR-SCATTER NET можно подписаться meteor-scatter@qth.net.

Для MS связи самая подходящая антенна – двойной вертикальный стэк от 6 до 16 элементов. Многие работают и на одиночных антеннах. Мощность от 20 вт и более.
На страницах http://www.meteorscatter.net/ можно найти много полезной информации о процедуре проведения метеорной связи, о сокращениях, используемых в различных ситуациях.

Другая сторона MS связи это соревнования и различные DX-pedition. Самый крупный контест – BCC MS CONTEST проводится в декабре (обычно 11-14 декабря) во время потоков – Гемениды. В нем участвуют радиолюбители Европы. А теперь уже и USA и Канады. Но предельное расстояние

2300 км, которое определяет MS связь, конечно, позволяет проводить связи только в пределах Европы . BCC Contest нам всем очень нравится и мы с большим удовольствием в нем работаем. В 1993 году Олег Архипов RW3TJ организовал MS экспедицию в редкий квадрат по тем временам как раз во время BCC контеста. Это было недалеко от г. Луга. Мы выиграли эти соревнования с новым рекордом и с большим отрывом. С тех пор, работая уже из Луги, мы неоднократно их выигрывали, улучшая каждый раз результат.
По редким квадратам Европы каждый год в дни метеорных потоков отправляется множество экспедиций.

Самым сложным видом связи на УКВ является связь с отражением от поверхности Луны –ЕМЕ (Eath Moon Eath).
Для этого вида связи используются диапазоны 50 ,144, 220,432,902,1296, 2304, 5760MHz,10GHz и 24GHz и,как правило ,CW. SSB ,в основном, на 1296 и выше.
На диапазонах до 1296 МГц используются, как правило, антенные системы (arrays) из нескольких многоэлементных волновых каналов. Наиболее обжит диапазон 2м –144 МГц. Здесь работает больше всего радиолюбителей. В мире есть несколько радиолюбителей таких, как W5UN, SM5FRH, KB8RQ, F3VS, IK3MAC, W7GJ и др., которые имеют огромные системы по 48, 32, 24 антенны. Они способны проводить связи ЕМЕ с радиолюбителями, имеющими только одну антенну и мощность от 50 Вт. Т.е. практически каждый, кто имеет антенну 2-3м длиной и трансивер от 50 вт может сделать свою первую связь через Луну на ее восходе, т.к. не сразу все делают элевацию своих антенных устройств. Для связи можно использовать обычные приемники с полосой 250-500 Гц , при высокой мачте потребуются мачтовые (антенные) усилители.
Для улучшения приема CW сигналов используют специальные узкополосные фильтры по НЧ (DSP), которые выполняются аппаратно или программно. Имеется несколько прекрасных программ, которые делают DSP обработку сигналов и отображают также следы сигналов на экране монитора: это программы известных радиолюбителей: AF9Y, SM5BSZ ,I2PHD.
http://www.webcom.com/af9y/
http://ham.te.hik.se/homepage/sm5bsz/index.htm
http://padan.freeyellow.com/

Связи проводят по договоренности , так и случайным образом . Sked назначают по переписке , если известен адрес e-mail , или с помощью специальной программы Vhfsched.skd , которую используют подписчики MOON-NET Moon-Net@nlsa.com,
на который можно подписаться : Moon-Net-request@nlsa.com.
В Moon-Netе можно читать и писать самому обо всем , что касается связи через луну.

Обычно все «лунники » работают в эфире в субботу и воскресенье , это бывает один или два раза в месяц , когда луна находится в благоприятном для связи положении. Эти дни можно определить по программе , например , N1BUG: http://www.n1bug.net- Z-Track 3.21.

Процедура проведения связи через луну похожа на процедуру проведения обычной связи на КВ , если сигналы стабильные , то она ничем не отличается. Но сигналы , отраженные от луны очень сильно ослаблены пока проходят такой длинный путь туда и обратно (

720.000-800.000 км) , к тому же происходит изменение вектора поляризации, все это приводит к сильным и иногда к длинным замираниям. Поэтому принят следуюший порядок работы :

на skedах 2 минуты передают , на Random 1 минуту .

Еще соблюдается порядок передачи : восточные станции – первые.

При работе через луну наблюдается эффект Допплера , при приближении луны значение отраженной частоты увеличивается (

до 350 Гц ), и уменьшается при удалении луны , это надо учитывать при работе и отслеживать по программе. Так как значения силы принимаемых сигналов по шкале S-метра чаще всего близки к нулю , то чтобы не передовать 509 , передают просто букву О . Конечно , если сигналы выше 0 , то передают их реальные значения по шкале S-метра , 529, 539 и др. Сигналы от луны приходят с задержкой порядка 2.5 секунд. Очень интересно принимать свое эхо, но для этого , конечно , надо постараться — сделать хорошую антенну и аппаратуру . Не все могут слышать свое эхо , но это не значит , что их эхо не услышат более сильные станции . Первое время , когда у меня была небольшая антенна , я не слышал свое эхо , но связи проводил . Направление антенны на луну по азимуту и углу места осуществляют чаще вручную , но на диапазонах до 1296 МГц . На более высоких частотах антенны имеют более острую диаграмму направленности и отслеживание луны ведется с помощью следящего привода под управлением компьютера.

В дни активности лунники используют известный кластер http://oh2aq.kolumbus.com/dxs/, или специальный лунный http://dxworld.com/emelog.html.

Также как и на КВ здесь можно работать и получить дипломы WAC, DXCC, WAS и др. Многие лунники их уже имеют. По ЕМЕ связи проводится также несколько соревнований: ARRL EME в два тура, EU WORLD WIDE EME, ARI . Можно участвовать в разных подгруппах на разных диапазонах. Каждый год организуется много DX-педиций по всему миру. В последние годы многие КВ экспедиции, если они совпадают по времени с благоприятными для проведения связей через Луну днями, берут с собой необходимую УКВ аппаратуру.
В 1999 г. наша УКВ команда RU1A c позывным R1MVZ работала с острова Малый Высоцкий. Для этого была сделана легкая антенная система из 4-х 10 метровых антенн. Экспедиция прошла очень успешно, было сделано много связей через луну и также во время I тура EME ARRL Contest. ( В 1998 мы работали MVI через метеоры позывным R1MVA).

Источник