Отраженный от луны радиосигнал

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

10 января 1946 впервые был принят радиосигнал, отраженный от Луны

ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

Первая попытка «прикоснуться» к другому небесному телу была предпринята Центром связи сухопутных Войск США (USASC) 10 января 1946 года, когда отраженные от Луны радиосигналы были приняты на Земле.

Проект, названный «Диана» в честь римской богини Луны, заложил основы того, что сегодня известно как EME связь (Earth-Moon-Earth — Земля-Луна-Земля), используемая радиолюбителями.

Проект Диана многие считают датой рождения как американской космической программы, так и астрономической радиолокации. Проект был первой демонстрацией того, что искусственно созданные сигналы могут проникать через ионосферу, открывая для космических аппаратов и космонавтов-исследователей возможность радиосвязи за пределами Земли.

Проект Диана также заложил традицию присвоения космическим проектам имен римских богов и богинь, в соответствии с которой последующие программы пилотируемых полетов были названы «Меркурий» и «Апполон».

Первое успешно принятое отражение было зарегистрировано в 11:58 утра Джоном Х Дьюиттом (John H DeWitt) и его научным руководителем Э Кингом Стодолой (E King Stodola) из лаборатории Кэмп Эванс, расположенной в Уолл-Тауншип, штат Нью-Джерси.

В этой лаборатории для проекта были созданы большой передатчик, приемник и антенная система. Передатчик представлял собой сильно модифицированную радарную установку SCR-271, использовавшуюся во Второй мировой войне, которая могла излучать четвертьсекундные импульсы мощностью 3000 ватт на частоте 111.5 МГц, в то время как плоская дипольная антенна обеспечивала усиление 24 дБ.

Отраженные сигналы были приняты через 2.5 секунды с помощью приемника, компенсировавшего доплеровскую модуляцию отраженного сигнала.

Прием сигналов был возможен лишь тогда, когда во время восхода и захода Луна проходила через луч шириной 15 градусов, поскольку антенна могла вращаться только по азимуту. Условия для наблюдения сохранялись в течение примерно 40 минут, пока Луна пересекала разные лепестки диаграммы направленности антенны.

Сегодня Проекта Диана поддерживается сайтом Музея истории мировой науки.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

Радиосвязь с отражением от Луны

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°.

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