Введение

Техника радиосвязи
Связь через Луну (EME), также известная как лунное отражение, — это техника радиосвязи, основанная на распространении радиоволн от земного передатчика, направленных посредством отражения от поверхности Луны, обратно к земному приемнику.

История

Использование Луны в качестве пассивного спутника связи было предложено В. Дж. Брэем из Британского генерального почтового отделения в 1940 году. Было вычислено, что с доступной мощностью микроволновых передатчиков и малошумящими приемниками, можно было бы передавать микроволновые сигналы с Земли и отражать их от Луны. Предполагалось, что будет возможен как минимум один голосовой канал. Радарные отражения от Луны были получены и идентифицированы в 1943 году во время немецких экспериментов с радиоизмерительным оборудованием, о чем сообщил д-р Инг. В. Степп в журнале "Der Seewart". Степп отметил "возмущение", которое "появилось, имело длительность в несколько импульсов и большую импульсную мощность, чем у самых сильных близлежащих целей. Оно появилось примерно через две секунды после включения передатчика и исчезло (пульсирующе) соответственно позже после его выключения. Однако остальное эхо-изображение появлялось и исчезало одновременно с включением/выключением передатчика. "Возмущение" возникало только при наведении антенны на восток и сразу же исчезало при значительном изменении направления, но вновь появлялось только примерно через две секунды после возвращения в исходное положение. Очевидно, мы обнаружили восходящую Луну за облаками с помощью оборудования. Постепенное исчезновение импульсов объяснялось тем, что отражающий объект медленно покидал сильно сфокусированный, горизонтально направленный луч по мере подъема над горизонтом". Однако, только к концу Второй мировой войны были разработаны методы, специально предназначенные для отражения радиолокационных волн от Луны с целью демонстрации их потенциального применения в обороне, связи и радиолокационной астрономии. Первая успешная попытка была предпринята 10 января 1946 года на Форт-Монмуте, штат Нью-Джерси, группой под кодовым названием "Проект Диана" под руководством Джона Х. Девитта. Менее чем через месяц, 6 февраля 1946 года, последовала вторая успешная попытка, осуществленная венгерской группой во главе с Золтаном Баем. Последующий проект "Лунного ретранслятора связи" привел к более практическим применениям, включая телетайпную связь между военно-морской базой в Перл-Харборе, Гавайи, и штаб-квартирой ВМС США в Вашингтоне, округ Колумбия. В те дни, когда не существовало спутников связи, связь, не зависящая от изменчивости ионосферного распространения, была революционной. Развитие спутников связи в 1960-х годах сделало эту технику устаревшей. Однако радиолюбители подхватили EME-связь как хобби; первая любительская луно-отражательная связь состоялась в 1953 году, и радиолюбители по всему миру до сих пор используют эту технику.

Современные коммуникации EME

Операторы любительской радиотехники используют EME для двусторонней связи. EME представляет значительные трудности для радиолюбителей, интересующихся связью на слабых сигналах. EME обеспечивает самый протяженный путь связи, доступный для любых двух станций на Земле. Для EME-связи успешно используются любительские диапазоны частот от 50 МГц до 47 ГГц, однако большинство EME-связей осуществляется в диапазонах 2 метра, 70 сантиметров или 23 сантиметра. Распространенные виды модуляции – непрерывная волна с кодом Морзе, цифровая (JT65) и, при достаточной мощности сигнала, голосовая связь. Недавние достижения в области цифровой обработки сигналов позволили осуществлять EME-связи, хотя и с низкой скоростью передачи данных, при мощности порядка 100 Вт и с использованием одной антенны Yagi–Uda. Всемирный день лунного отражения, 29 июня 2009 года, был учрежден проектом Echoes of Apollo и отмечался во всем мире как событие, предшествующее 40-й годовщине высадки на Луну миссии «Аполлон-11». Кульминацией празднования стало интервью с астронавтом «Аполлона-8» Биллом Андерсом, который также входил в состав дублирующего экипажа «Аполлона-11». Университет Тасмании (Австралия) с помощью своей 26-метровой (85') антенны смог отразить сигнал данных от поверхности Луны, который был принят большой антенной в Нидерландах, в радиообсерватории Двингэлу. Сигнал данных был успешно восстановлен, установив мировой рекорд по минимальной мощности сигнала данных, возвращенного с Луны – 3 милливатта, что примерно в 1000 раз меньше мощности лампы фонарика. Второй Всемирный день лунного отражения состоялся 17 апреля 2010 года, совпав с 40-й годовщиной завершения миссии «Аполлон-13». В октябре 2009 года медиа-художник Даниэла де Паулис предложила радиолюбительской ассоциации CAMRAS, базирующейся в радиообсерватории Двингэлу, использовать лунное отражение для прямой трансляции изображений. В результате этого предложения в декабре 2009 года радиооператор CAMRAS Ян ван Муйлвик и радиооператор Даниэль Гауччи осуществили первую передачу изображений через Луну с использованием программного обеспечения с открытым исходным кодом MMSSTV. Де Паулис назвала эту инновационную технологию «Visual Moonbounce» и с 2010 года использует ее в ряде своих художественных проектов, включая живое выступление под названием OPTICKS, в ходе которого цифровые изображения отправляются на Луну и обратно в реальном времени и проецируются в прямом эфире.

Задержка эхо и распределение времени

Радиоволны распространяются в вакууме со скоростью света c, то есть 299 792 458 м/с. Время распространения до Луны и обратно варьируется от 2,4 до 2,7 секунд, в среднем 2,56 секунды (среднее расстояние от Земли до Луны составляет 384 400 км). Луна имеет почти сферическую форму, и её радиус соответствует примерно 5,8 миллисекундам времени прохождения волны. Завершающие части эхо-сигнала, отраженные от неровностей поверхности вблизи края лунного диска, могут запаздывать относительно переднего края до двух раз больше этого значения. Большая часть поверхности Луны выглядит относительно гладкой на типичных микроволновых длинах волн, используемых для любительских ЭМЭ-связей. Большинство радиолюбителей осуществляют ЭМЭ-связи на частотах ниже 6 ГГц, и различия в отражающей способности Луны сложно различить на частотах выше 1 ГГц. Лунные отражения по своей природе являются квазизеркальными (подобно отражениям от блестящего шарикоподшипника). Мощность, полезная для связи, в основном отражается от небольшой области вблизи центра диска. Эффективное временное растяжение эхо-сигнала не превышает 0,1 мс. Поляризация антенны для ЭМЭ-станций должна учитывать, что отражение от гладкой поверхности сохраняет линейную поляризацию, но меняет направление круговой поляризации. На более коротких длинах волн лунная поверхность кажется все более шероховатой, поэтому отражения на частоте 10 ГГц и выше содержат значительную диффузную составляющую, наряду с квазизеркальной составляющей. Диффузная составляющая деполяризована и может рассматриваться как источник низкоуровневого системного шума. Значительная часть диффузной составляющей возникает из областей, расположенных ближе к краю лунного диска. Среднее временное растяжение может достигать нескольких миллисекунд. Однако в практических условиях временное растяжение достаточно мало, чтобы не вызывать существенного искажения импульсов CW или интерсимвольной интерференции в медленно-ключевых модуляциях, обычно используемых для цифровой ЭМЭ. Диффузная составляющая может проявляться как значительный шум при более высоких скоростях передачи данных. Временное растяжение в ЭМЭ имеет один очень важный эффект. Компоненты сигнала, отраженные от разных частей лунной поверхности, проходят разные расстояния и достигают Земли с произвольными фазовыми соотношениями. По мере изменения взаимного расположения передающей станции, принимающей станции и отражающей лунной поверхности, компоненты сигнала то складываются, то вычитаются, в зависимости от их фазы, создавая большие колебания амплитуды принятого сигнала. Эти флуктуации амплитуды, называемые "либрационными затуханиями", хорошо коррелируют в пределах полосы когерентности (обычно несколько кГц). Компоненты либрационных затуханий связаны с временным растяжением отраженных сигналов.

Другие факторы, влияющие на коммуникации EME

Эффект Доплера в диапазоне 144 МГц составляет 300 Гц при восходе или заходе Луны. Доплеровский сдвиг уменьшается почти до нуля, когда Луна находится в зените. На других частотах будут наблюдаться другие доплеровские сдвиги. При восходе Луны отраженные сигналы будут смещены примерно на 300 Гц в сторону более высокой частоты. По мере движения Луны по небу к точке, находящейся строго на юге или на севере, эффект Доплера приближается к нулю. К моменту захода Луны они смещаются на 300 Гц в сторону более низкой частоты. Эффект Доплера создает множество проблем при настройке и удержании сигнала с Луны. Эффекты поляризации могут ослаблять силу принимаемых сигналов. Один из факторов – геометрическое выравнивание передающей и принимающей антенн. Многие антенны имеют предпочтительную плоскость поляризации. Передающие и принимающие антенны станций могут быть не выровнены с точки зрения наблюдателя на Луне. Этот фактор определяется выравниванием антенн, и станции могут быть оснащены возможностью вращения антенн для корректировки поляризации. Другой фактор – вращение Фарадея на трассе Земля-Луна-Земля. Плоскость поляризации радиоволн поворачивается при прохождении через ионизированные слои атмосферы Земли. Этот эффект более заметен на более низких частотах в диапазоне VHF и становится менее значительным на частотах 1296 МГц и выше. Часть потерь из-за рассогласования поляризации можно уменьшить, используя антенную решетку большего размера (большее количество элементов Яги или более крупную параболическую антенну).