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.