Отражение от луны радиосвязь

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

Радиосвязь через Луну

Наверное многие из нас слышали о «лунатиках», которые способны бродить во сне минуя препятствия, при этом не нанося себе травматических последствий. Но речь в данной статье пойдет совсем о другой категории «лунатиков», а именно о группе энтузиастов, которые не жалея своих сил и ресурсов проводят интереснейшие эксперименты в области радиосвязи с помощью нашего естественного спутника Луны, изучая и исследуя все стороны данного процесса.

EME (от англ. «Earth — Moon — Earth» — «Земля — Луна — Земля») — техника радиосвязи на УКВ с использование Луны в качестве отражателя. 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).

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. Для EME применяются довольно сложные антенные устройства — параболические антенны или антенны типа «волновой канал» с большим количеством элементов.

Сущность EME — основные технические аспекты

Если две станции имеют соответствующее оборудование и могут одновременно видеть Луну, они могут провести EME радиосвязь. Однако, для достижения успеха может понадобиться несколько попыток. Сигналы — это очень слабые эхо, отраженные поверхностью Луны. Как правило, они находятся на уровне шумов или даже ниже, время от времени поднимаясь над шумами на короткие периоды. Давайте рассмотрим некоторые технические факторы, влияющие на EME радиосвязь, в частности, для диапазона 2 м.

Поляризация. Поляризация EME-сигналов постоянно меняется, что приводит к полному пропаданию сигнала или к очень глубоким замираниям. Есть два основных поляризационных эффекта:

Пространственная поляризация — это функция геометрии. Поляризация фронта волны EME-сигнала между двумя станциями может быть повернута. Величина поворота зависит от соотношения географических долгот двух станций и положения Луны на небе. Большинство компьютерных программ слежения за Луной вычисляют величину пространственной поляризации и показывают оптимальное время для назначения скедов.

Эффект Фарадея — Магнитное поле Земли вызывает поворот поляризации радиоволны несколько раз, когда сигнал проходит через ионосферу по пути к Луне и обратно. Это приводит к циклическому федингу принимаемого сигнала. На двух метрах период между пиками сигнала (т.е. время поворота на 90 градусов) составляет около 30 минут. Эффект Фарадея в настоящее время не может быть учтен в компьютерных программах.

Вредный эффект пространственной поляризации и вращения Фарадея может быть минимизирован использованием вращающихся линейно поляризованных антенн, вращающаяся вокруг осей X, Y и Z, или, что проще, использованием кросс-поляризованных Yagi, и многие другие. Радиосвязь могут успешно провести и две станции, использующие линейную поляризацию, просто «пережидая» неблагоприятное время или перенеся попытку на другое время, когда комбинация пространственной поляризации и эффекта Фарадея дает благоприятный результат.

Либрационный фединг. Если смотреть с Земли, Луна кажется слегка «качающейся» вперед-назад вокруг своей оси. Это движение называется «либрация». Длина пути, проходимого сигналами, отраженными от различных частей неровной поверхности Луны, все время меняется, что приводит к достаточно быстрому «дрожанию» сигнала в пределах нескольких dB. На двух метрах замирания и увеличения сигнала происходят с периодом около 2-х секунд. Возникновение кратковременного увеличения уровня сигнала может помочь станции с низкой энергетикой провести радиосвязь, которое иначе провести бы не удалось.

Эффект Доплера. Так как Луна движется по отношению к наблюдателю на Земле, возникает доплеровский сдвиг EME-сигнала. На 2-х метрах это приблизительно плюс 350 Гц на восходе Луны, 0 Гц, когда Луна над головой, и минус 350 Гц на заходе Луны. Доплеровский сдвиг увеличивается при увеличении частоты. Этот сдвиг частоты принимаемого сигнала должен учитываться использованием расстройки RIT или отдельного VFO, когда Вы слушаете свое эхо или другую станцию на назначенной частоте. Хорошая практика на 2-х метрах — крутить расстройку в пределах 750 Гц в обе стороны от ожидаемой частоты приема (т.е. частоты, назначенной для скеда +- доплеровский сдвиг), когда слушаете корреспондента. Лучше также при первоначальной настройке на станцию использовать «широкий» фильтр приемника, например, 500 Гц. Когда сигнал обнаружен, фильтр приемника можно заузить до необходимой величины для улучшения соотношения сигнал/шум.

Шум неба (шумовая температура). Луна, двигаясь по своей орбите в течение примерно 28-дневного лунного месяца, проходит перед разнообразными небесными телами, такими как Солнце и другие звезды и планеты, которые излучают радиочастотные шумы. Некоторые источники более шумные, чем другие, но любые дополнительные шумы ухудшают условия связи на трассе EME. Самые маленькие антенные системы 2-х метрового диапазона, используемые для EME, имеют ширину главного лепестка диаграммы направленности по половинной мощности примерно от 30 градусов для одиночной Yagi до 15 градусов для стэка из четырех Yagi. Так как угловой размер Луны при наблюдении с Земли составляет полградуса, антенна «видит» значительную часть шумного неба вокруг Луны. Шум неба, или шумовая температура, измеряется в градусах Кельвина (К). На двух метрах шум неба изменяется от минимум 175 К (редко) до более 3000 К. Чем меньше, тем лучше, и если эта величина более 400 К, станция с низкой энергетикой вряд ли услышит или будет услышана даже станцией с высокой энергетикой. Шумовая температура уменьшается пропорционально увеличению частоты.

Потери на трассе. В течение лунного месяца Луна движется по слегка эллиптической орбите с расстоянием до Земли от около 221500 миль в перигее (ближайшая к Земле точка) до примерно 252700 миль в апогее (наиболее удаленная точка). Эти расстояния приводят к примерно 2.5-секундному запаздыванию EME-эхо. На 2-х метрах затухание сигнала на этом расстоянии около 251.5 dB в перигее и 253.5 dB в апогее, и затухание возрастает с ростом частоты. Разница в 2 dB между перигеем и апогеем является существенным фактором для станции с низкой энергетикой. Таким образом, большинство скедов назначается, когда Луна около перигея.

Деградация. Это «число качества», вычисляемое большинством программ слежения за Луной, которые вычисляют деградацию (DGRD) EME сигнал/шум в dB для данного положения Луны и даты. Сравнивается дополнительный шум неба в направлении на Луну плюс расстояние Земля-Луна по отношению к наименьшему возможному шуму неба и абсолютно наименьшему расстоянию в перигее. В течение месячного лунного цикла этот фактор изменяется в пределах более чем 13 dB на двух метрах. Станция с низкой энергетикой имеет наилучшие шансы провести 2 м EME QSO, когда деградация менее 2.5 dB, и чем меньше, тем лучше.

Склонение. Это положение, измеренное в градусах над/под экватором, при котором Луна появляется на небе. Максимальное положительное (или северное) склонение составляет около +23 градуса. Лучшие условия для работы EME для станций северного полушария, когда склонение наибольшее, так как при этом имеются наибольшие по продолжительности возможные окна для работы между двумя станциями в северном полушарии (например, США-Европа, США-Япония). Кроме того, шум неба обычно меньше при большом склонении. Когда склонение Луны проходит через 0 градусов (прямо над экватором) и становится отрицательным, Луна восходит все дальше и дальше к югу и продолжительность окон для работы станций северного полушария сокращается.

Грунт-эффект. При работе EME на двух метрах, в частности, станции с низкой энергетикой, с или без элевации антенн, могут получить дополнительное усиление антенны до 6 dB, когда антенна направлена на горизонт. Отражения сигнала от плоской, ничем не загроможденной поверхности земли перед антенной вызывают пики и провалы в диаграмме направленности для определенных углов элевации, которые могут дать до 6 dB прибавки усиления. Предполагается, что при этом нет значительного увеличения уровня земного шума с горизонта. Грунт-эффект потенциально полезен, когда Луна находится между 0 и 10-12 градусами на восходе и закате.

Фазы Луны. Из четырех фаз Луны (новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть), новолуния плюс-минус один-два дня нужно избегать из-за шумов Солнца. Наиболее предпочтительно полнолуние в ночное время. Когда Луна видна в дневное время, ионосферные возмущения, вызываемые Солнцем, могут ухудшить условия для EME. Таким образом, ночное время обычно лучше.

Лучшее время для работы. Наилучшее время для работы EME на двух метрах — это когда перигей, наибольшее северное склонение (для станций северного полушария), минимальный шум неба, наименьшая деградация и вечерние часы, причем когда все это совпадает. Однако, такая оптимальная ситуация бывает только раз в девять лет, когда Луна находится так близко к Земле, как только возможно. В последний раз такое было в 1999-2000 г. В течение этого девятилетнего цикла максимальное склонение и перигей расползаются по времени. Обычно лучший компромисс — это выбор времени, когда шум неба (шумовая температура) минимален. Следующий раз, когда деградация будет минимальной и, соответственно, условия для EME будут наилучшими из возможных — это период 2007 — 2010 г. Тем не менее, много EME радиосвязей проводятся и в течение этого девятилетнего цикла.

В связи с тем что Луна находится очень далеко, зона покрытия радиосвязи очень большая. Радиолюбители с успехом проводят связи на многие тысячи километров. Существуют даже соревнования посвященные связи через луну, некоторые проводятся в день авиации и космонавтики.

Источник