Ай арқылы радиобайланыс

Кіріспе

Радиобайланыс техникасы

Жер–Ай–Жер байланысы (EME), сондай-ақ "Айдан секіру" деп те аталады, – бұл радиобайланыс техникасы. Ол радио толқындарының Жердегі бергіштен Ай бетінен шағылысып, Жердегі қабылдағышқа таралуына негізделген.

Тарих

Айды пассивті байланыс спутнигі ретінде пайдалануды 1940 жылы Ұлыбританияның Бас почта басқармасының В. Дж. Брей ұсынды. Есептеулерге сәйкес, қолда бар микротолқынды тарату қуаты және төмен шулы қабылдағыштардың болуы, Жерден микротолқынды сигналдарды жоғарыға шығарып, Айдан шағылыстыруға мүмкіндік беретін еді. Кем дегенде бір дауыстық каналды пайдалануға болады деп есептелді. Айдан радиолокациялық шағылыстар 1943 жылы неміс эксперименттері кезінде радиоөлшеу жабдықтарымен қабылданды және олар радиолокациялық шағылыстар екені анықталды, деп хабарлады доктор инженер В. Степп "Der Seewart" журналында. Степп "бұзылыс" деп аталатын құбылысты байқады, ол "бірнеше импульстің ұзақтығына ие болды және жақын маңдағы ең күшті нысаналарға қарағанда күші зор болды. Бұл құбылыс, таратушыны қосқаннан кейін шамамен екі секундтан кейін пайда болып, таратушыны өшіргеннен кейін (импульстік түрде) сәйкесінше жоғалып кетті. Ал эхо-сигналдың қалған бөлігі таратушыны қосып-өшірген сәтте пайда болып, жоғалатын еді. Бұл "бұзылыс" тек антенна шығысқа бағытталғанда ғана пайда болды және бағыттың күрт өзгеруімен бірден жоғалып, бастапқы бағытқа қайтарылғаннан кейін екі секундтан соң ғана қайта пайда болды. Көрінетін нәрсе – біз бұлттардың артындағы көтеріліп келе жатқан Айды жабдықпен байқағанбыз. Импульстердің бірте-бірте жоғалып кетуін, шағылыстыратын дене горизонттан жоғары көтерілгенде, қатты шоғырланған, көлденең бағытталған сәуледен баяу шығып кететінімен түсіндіруге болады". Дегенмен, екінші дүниежүзілік соғыс аяқталғанға дейін, радиолокациялық толқындарды Айдан шағылыстырып, оларды қорғаныс, байланыс және радиолокациялық астрономияда қолдану мүмкіндігін көрсетуге арналған арнайы техникалар әзірленбеді. Бірінші сәтті әрекет 1946 жылдың 10 қаңтарында Нью-Джерси штатының Монмут фортында Джон Х. ДеУитт басқарған, "Диана" жобасы деп аталған топпен жүзеге асырылды. Одан бір айдан аспаған соң, 1946 жылдың 6 ақпанында Золтан Бей басқарған венгр тобы екінші рет сәтті әрекет жасады. Одан кейін жүргізілген "Ай релесі" жобасы практикалық мақсаттарға, соның ішінде Гавайидегі Перл-Харбор теңіз базасы мен Вашингтондағы АҚШ Әскери-теңіз күштерінің штаб-пәтері арасындағы телетайп байланысына әкелді. Коммуникациялық спутниктер пайда болғанға дейін, ионосфералық таралудың әсерінен туындайтын қиындықтардан азат байланыс революциялық жаңалық болды. 1960 жылдары коммуникациялық спутниктердің дамуы бұл техниканы қолданусыз қылды. Алайда, радио әуесқойлар EME байланысын хобби ретінде қабылдады; алғашқы радио әуесқойлардың Айдан шағылыстырылған байланысы 1953 жылы тіркелді, және бүгінгі күнге дейін әлемдік радио әуесқойлар осы әдісті пайдалануда.

The use of the Moon as a passive communications satellite was proposed by W. J. Bray of the British General Post Office in 1940. It was calculated that with the available microwave transmission powers and low noise receivers, it would be possible to beam microwave signals up from Earth and reflect them off the Moon. It was thought that at least one voice channel would be possible. Radar reflections off the moon were received and recognized as such in 1943 during German experiments with radio measurement equipment, as reported by Dr. Ing. W. Stepp in Der Seewart magazine. Stepp noted a "perturbation", which "appeared, had a duration of several impulses, and larger impulse strength than the strongest nearby targets. It didn't appear until about two seconds after switching on the transmitter and disappeared (pulsatingly) correspondingly later after switching it off. But the rest of the echo image appeared and disappeared at the instance of switching the transmitter on/off. The 'perturbation' only occurred when the antenna was aimed to the east, and it disappeared immediately upon a major change of direction, but reappeared only about two seconds after rotating back to the original direction. Apparently we had detected the rising moon behind the clouds with the equipment. It explained the gradual disappearance of the impulses by the reflecting body slowly moving out of the strongly focussed, horizontally aimed beam, as it rises above the horizon." It was not until the close of World War II, however, that techniques specifically intended for the purpose of bouncing radar waves off the moon to demonstrate their potential use in defense, communication, and radar astronomy were developed. The first successful attempt was carried out at Fort Monmouth, New Jersey, on January 10, 1946, by a group code named Project Diana, headed by John H. DeWitt. It was followed less than a month later, on February 6, 1946, by a second successful attempt, by a Hungarian group led by Zoltán Bay. The Communication Moon Relay project that followed led to more practical uses, including a teletype link between the naval base at Pearl Harbor, Hawaii and United States Navy headquarters in Washington, D. C. In the days before communications satellites, a link free of the vagaries of ionospheric propagation was revolutionary. The development of communication satellites in the 1960s made this technique obsolete. However, radio amateurs took up EME communication as a hobby; the first amateur radio moonbounce communication took place in 1953, and amateurs worldwide still use the technique.

Қазіргі кездегі EME хабарламалары

Аматорлық радио операторлары екі тарапты байланыс үшін EME-ді қолданады. EME әлсіз сигналмен байланысқа қызығушылық танытқан әуесқой операторларға елеулі қиындықтар туғызады. EME Жердегі кез келген екі станцияға қол жетімді ең ұзын байланыс жолын ұсынады. 50 МГц-тен 47 ГГц-ке дейінгі аматорлық жиілік диапазондары сәтті пайдаланылған, бірақ EME байланыстарының көп бөлігі 2 метрлік, 70 сантиметрлік немесе 23 сантиметрлік диапазондарда жүзеге асырылады. Көбінесе қолданылатын модуляция түрлері – Морзе кодімен үздіксіз толқын, цифрлық (JT65) және байланыс бюджеті мүмкіндік берген жағдайда дауыс. Цифрлық сигналды өңдеудегі соңғы жетістіктер 100 ватт қуатты және бір Яги-Уда антеннасын қолдана отырып, төмен жылдамдықты EME байланыстарын мүмкін етті. 29 маусым 2009 жыл – Әлемдік Айға секіру күні, оны "Аполлон эхосы" (Echoes of Apollo) ұйымдастырды және ол Аполлон-11 Айға қонған күнінің 40 жылдығына арналған шаралар алдында бүкіл әлемде тойланды. Мерекелік шаралардың ең қызықты бөлігі – Аполлон-8 ғарышкері Билл Андерспен Ай арқылы жасалған сұхбат, ол сонымен қатар Аполлон-11 миссиясының резервтік экипажының мүшесі болған. Австралиядағы Тасмания университетінің 26 метрлік (85 фут) диаметрі бар тарелкасы Ай бетінен деректер сигналын жіберді, оны Нидерландыдағы ірі тарелка – Двинглу радио обсерваториясы қабылдады. Деректер сигналы сәтті қалпына келтіріліп, деректерге айналдырылды, бұл Айдан алынған ең төмен қуатты деректер сигналы бойынша жаңа әлемдік рекордты орнатты, оның тарату қуаты 3 милливатт, шамамен фонарьдың қуатының 1/1000 бөлігін құрады. Екінші Әлемдік Айға секіру күні 2010 жылдың 17 сәуірінде, Аполлон-13 миссиясының аяқталуының 40 жылдығымен бірге тойланды. 2009 жылдың қазан айында медиа-суретші Даниэла де Паулис Двинглу радио обсерваториясында орналасқан CAMRAS радио әуесқойлар қауымдастығына тікелей бейне беру үшін Айдан секіру әдісін пайдалануды ұсынды. Оның ұсынысының нәтижесінде 2009 жылдың желтоқсанында CAMRAS радио операторы Ян ван Муйльвик және радио операторы Даниэль Гауччи MMSSTV ашық кодты бағдарламалық жасақтамасын қолдана отырып, Ай арқылы алғашқы бейне беруді жүзеге асырды. Де Паулис бұл инновациялық технологияны "Визуальды Айға секіру" деп атады және 2010 жылдан бері оны өзінің бірнеше өнер жобаларында, соның ішінде OPTICKS деп аталатын тікелей эфирдегі қойылымда қолданып келеді, онда цифрлық суреттер Айға жіберіліп, нақты уақытта кері қайтарылады және тікелей эфирде көрсетіледі.

Amateur radio (ham) operators utilize EME for two way communications. EME presents significant challenges to amateur operators interested in weak signal communication. EME provides the longest communications path any two stations on Earth can use. Amateur frequency bands from 50 MHz to 47 GHz have been used successfully, but most EME communications are on the 2 meter, 70 centimeter, or 23 centimeter bands. Common modulation modes are continuous wave with Morse code, digital (JT65) and when the link budgets allow, voice. Recent advances in digital signal processing have allowed EME contacts, admittedly with low data rate, to take place with powers in the order of 100 watts and a single Yagi–Uda antenna. World Moon Bounce Day, June 29, 2009, was created by Echoes of Apollo and celebrated worldwide as an event preceding the 40th anniversary of the Apollo 11 Moon landing. A highlight of the celebrations was an interview via the Moon with Apollo 8 astronaut Bill Anders, who was also part of the backup crew for Apollo 11. The University of Tasmania in Australia with their 26 meter (85') dish were able to bounce a data signal off the surface of the Moon which was received by a large dish in the Netherlands, Dwingeloo Radio Observatory. The data signal was successfully resolved back to data setting a world record for the lowest power data signal returned from the Moon with a transmit power of 3 milliwatts, about 1,000th of the power of a flashlight lamp. The second World Moon Bounce Day was April 17, 2010, coinciding with the 40th anniversary of the conclusion of the Apollo 13 mission. In October 2009 media artist Daniela de Paulis proposed to the CAMRAS radio amateur association based at the Dwingeloo Radio Observatory to use Moon bounce for a live image transmission performance. As a result of her proposal, in December 2009 CAMRAS radio operator Jan van Muijlwijk and radio operator Daniel Gautchi made the first image transmission via the Moon using the open source software MMSSTV. De Paulis called the innovative technology "Visual Moonbounce" and since 2010 she has been using it in several of her art projects, including the live performance called OPTICKS, during which digital images are sent to the Moon and back in real time and projected live.

Эхоның кешігуі және уақыт аралығы

Радио толқындары вакуумда жарық жылдамдығы c, дәл 299 792 458 м/с жылдамдықпен таралады. Айға және кері таралу уақыты 2,4 – 2,7 секунд аралығында, орташа есеппен 2,56 секунд (Жерден Айға орташа қашықтық 384 400 км). Айдың пішіні шамамен шар тәрізді, ал радиусы толқынның 5,8 миллисекундтық уақытына сәйкес келеді. Ай дискісінің шетіндегі тегіс емес беттік ерекшеліктерден шағылған эхоның соңғы бөліктері алдыңғы шетінен осы мәннен екі есеге дейін кешіктіріледі. Айдың беті әдеттегі микротолқындық ұзындықтарда әуесқойлар үшін қолданылатын жағдайда шамамен тегіс болып көрінеді. Көптеген әуесқойлар 6 ГГц-тан төмен жиілікте ЭМЭ байланысын жасайды, ал Айдың шағылысу қабілетіндегі айырмашылықтарды 1 ГГц-тан жоғары ажырату қиын. Айдың шағылысуы табиғатынан квази-көрнекі (жасыл шарлы подшипник сияқты). Коммуникация үшін қажетті қуат негізінен дискінің ортасына жақын орналасқан шағын аймақтан шағылысады. Эхоның тиімді уақыт аралығы 0,1 мс-ден аспайды. ЭМЭ станциялары үшін антенна поляризациясы тегіс беттен шағылысқанда сызықтық поляризацияны сақтайтынын, бірақ дөңгелек поляризацияның бағытын өзгертетінін ескеру қажет. Ысқырық толқын ұзындықтарында Айдың беті көбірек дөрекі болып көрінеді, сондықтан 10 ГГц және одан жоғары жиілікте шағылыстарда маңызды диффузиялық және квази-көрнекі компоненттер болады. Диффузиялық компонент деполяризацияланады және оны төмен деңгейдегі жүйе шуының көзі ретінде қарастыруға болады. Диффузиялық компоненттің маңызды бөлігі Айдың шетіне жақын орналасқан аймақтардан пайда болады. Сондықтан, медиандық уақыт аралығы бірнеше миллисекундқа жете алады. Алайда, барлық практикалық жағдайларда уақыт аралығы жеткілікті түрде аз болғандықтан, ол цифрлық ЭМЭ үшін әдетте қолданылатын баяу кілттелген модуляцияларда CW кілттеуіне немесе символдар арасындағы кедергіге елеулі әсер етпейді. Диффузиялық компонент жоғары мәліметтер беру жылдамдықтарында маңызды шу ретінде көрінуі мүмкін. ЭМЭ уақыт аралығының таралуының бір маңызды салдары бар. Айдың әртүрлі бөліктерінен шағылған сигнал компоненттері әртүрлі қашықтықты басып өтеді және Жерге кездейсоқ фазалық қатынастармен жетеді. Тарату станциясының, қабылдау станциясының және шағылыстыратын Айдың бетінің геометриясы өзгергенде, сигнал компоненттері кейде қосылады, кейде олардың фазалық қатынасына байланысты жойылады, бұл қабылданған сигналдың амплитудалық тербелісін тудырады. Бұл "либрациялық әлсіреу" амплитудалық өзгерістер когеренттік ені бойынша (әдетте бірнеше кГц) жақсы байланысты. Либрациялық әлсіреу компоненттері шағылған сигналдардың уақыт аралығында таралуымен байланысты.

Radio waves propagate in vacuum at the speed of light c, exactly 299,792,458 m/s. Propagation time to the Moon and back ranges from 2.4 to 2.7 seconds, with an average of 2.56 seconds (the average distance from Earth to the Moon is 384,400 km). The Moon is nearly spherical, and its radius corresponds to about 5.8 milliseconds of wave travel time. The trailing parts of an echo, reflected from irregular surface features near the edge of the lunar disk, are delayed from the leading edge by as much as twice this value. Most of the Moon's surface appears relatively smooth at the typical microwave wavelengths used for amateur EME. Most amateurs do EME contacts below 6 GHz, and differences in the moon's reflectivity are somewhat hard to discern above 1 GHz. Lunar reflections are by nature quasi specular (like those from a shiny ball bearing). The power useful for communication is mostly reflected from a small region near the center of the disk. The effective time spread of an echo amounts to no more than 0.1 ms.

Antenna polarization for EME stations must consider that reflection from a smooth surface preserves linear polarization but reverses the sense of circular polarizations. At shorter wavelengths the lunar surface appears increasingly rough, so reflections at 10 GHz and above contain a significant diffuse component as well as a quasi specular component. The diffuse component is depolarized, and can be viewed as a source of low level system noise. Significant portions of the diffused component arise from regions farther out toward the lunar rim. The median time spread can then be as much as several milliseconds. In all practical cases, however, time spreading is small enough that it does not cause significant smearing of CW keying or intersymbol interference in the slowly keyed modulations commonly used for digital EME. The diffused component may appear as significant noise at higher message data rates. EME time spreading does have one very significant effect. Signal components reflected from different parts of the lunar surface travel different distances and arrive at Earth with random phase relationships. As the relative geometry of the transmitting station, receiving station and reflecting lunar surface changes, signal components sometimes add and sometimes cancel, depending on their phase relationship, creating large amplitude fluctuations in the received signal. These "libration fading" amplitude variations are well correlated over the coherence bandwidth (typically a few kHz). The libration fading components are related to the time spread of reflected signals.

EME-ге әсер ететін басқа факторлар

144 МГц жолағындағы Доплер эффектісі Айдың шығуы мен батуы кезінде 300 Гц-қа жетеді. Ай тік үстінде болғанда доплерлік ығысу нөлге жуықтайды. Басқа жиіліктерде басқа доплерлік ығысулар болады. Ай шыққанда қайтарылған сигналдардың жиілігі шамамен 300 Гц-қа артады. Ай оңтүстікке немесе солтүстікке қарай жылжығанда Доплер эффектісі нөлге жақындайды. Ай батқанда олар 300 Гц-қа төмендейді. Доплер эффектісі Айдан келетін сигналдарды қабылдау және оларға құластыру кезінде көптеген мәселелер тудырады. Поляризация әсері қабылданған сигналдардың күшін азайтуы мүмкін. Мұның бір компоненті – бергіш және қабылдағыш антенналардың геометриялық сәйкестігі. Көптеген антенналар поляризацияның белгілі бір жазықтығын жасайды. Бергіш және қабылдағыш станцияларының антенналары Айдан бақылаушының көзқарасынан сәйкес келмеуі мүмкін. Бұл компонент антенналардың орналасуымен анықталады және станцияларда поляризацияны реттеу үшін антенналарды бұру мүмкіндігі болуы мүмкін. Тағы бір компонент – Жер-Ай-Жер траекториясындағы Фарадейдің айналуы. Радиотолқындардың поляризация жазықтығы Жер атмосферасының иондалған қабаттарынан өтетін кезде айналады. Бұл әсер төменгі ВЧ жиіліктерінде күштірек байқалады және 1296 МГц және одан жоғары жиіліктерде маңыздылығы азаяды. Үлкен антенна массивін (көптеген Яги элементтері немесе үлкен табақ) пайдалану арқылы поляризацияның сәйкес келмеуінен туындаған сигнал жоғалуының бір бөлігін азайтуға болады.