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利用EME通信实验(一)
发表日期:2010-07-16 14:12:27 来源:《无线电》杂志 2009.02 作者:吴国光(BA7IA) 【 】 浏览:4285次 评论:0

利用月球表面反射电波进行地球两 点之间的通信,这种无线电通信 方式称为月面反射通信(Earth-Moon- Earth,地球-月球-地球通信)简称EME 通信。EME通信主要的挑战在于需要 运用各种技术措施来克服在地球-月球- 地球传输路径上大自然带来的种种困 难,因此,作为深空通信的第一步, 一直以来都吸引很多业余无线电爱好 者去尝试、研究和探索。

经过不断地改进设备器材 , 采 用先进的数字调制方式和信号处理方 法,逐步提高EME通信联络的成功率。 2007年10月24日我国首颗月球探测卫 星"嫦蛾一号"升入太空,奔向探索 月球的旅程,这一壮举极大地激发起 我国业余无线电爱好者对月球探索的 热情,吸引着更多的人投入到EME通信 活动中去。

 

 

◆WSJT软件让EME走近爱好者

 

 

EME这种通信方式一直以来都是 以CW和SSB作为主要通信模式,这两 种极其依赖操作员人工解读的模式, 要想获得稳定的通联效果,就必须要 有强大的发射输出功率、巨型的天线 阵、性能优越的接收机和精密的辅助 跟踪系统,这些设备条件都令许多爱 好者望而却步。但是随着电脑科技发 展,这种局面正在逐渐地改变,因为 K1JT开发出了一个名叫WSJT的通信信 号处理软件,这个软件采用先进的数 字信号处理技术,具有非常强的纠错 能力,即使接收信号非常微弱,也能 准确地解调出信息。采用这个软件使 得EME通信活动的门槛大大降低,只需 要掌握一些有关EME通信的知识,即使 用普通的器材加上一些辅助设备就能 进行EME通信,从而使更多的HAM非 常容易地就能够参与其中,去享受有 别于短波或卫星通信的另一种通信乐趣。

受传播特性、天线以及器材等因 素的影响,通常进行EME通信使用从 VHF到微波的频段进行,目前比较热 门的EME通信活动频段是144MHz、430MHz和1.2GHz,另外50MHz频段 也比较活跃。在144MHz频段中对于已 经安排好的联络,比较好的操作频率 为高于144.030MHz,而对随意进行的 QSO,则在144.000~144.030MHz较 为合适。如果信号足够大并能进行SSB QSO,最合适的频率为144.150MHz及 以上。

CW是EME通信中非常好的一种 方式。由于信号很微弱,这种方式最 为可靠。发送速度一般在10~15word/ min。低于这个速度将会由于衰减和颤 动导致通信中断,而速度过快又会导 致字母丢失。


现在应用在EME通信上的主流软 件是WSJT,你可以到这里下载: physics.princeton.edu/pulsar/K1JT/。 这个软件提供了几种通信模式, 相对应于几个不同的频段: ●JT6M模式主要应用在50MHz频段 (6m波段)。 ●JT65B模式主要应用在144MHz和 430MHz频段(2m和70cm波段)。 ●JT65C模式主要应用在1.2GHz频段 (23cm波段) WSJT与CW或语音通信最大的区 别是,WSJT是采用数字调制模式,完 全依赖电脑的高速运算,准确解读人耳 完全听不到的数据信号,正因为如此, 听上去感觉只有噪声的频率或有很多干 扰的信号,WSJT软件都能正确解读出 信息,并且从WSJT的音频频谱窗口就 能够很直观地看到。

◆EME通信电波传输特性

 

EME 通信的电波传输路径长 , 无线电波需要来回穿越大气层、电离 层、宇宙空间和月球表面等,因而无 线电波会受到其间的诸多物理现象的 作用和影响。其中影响EME通信的因素 包括以下几种:轨道抖动衰减、极大 的路径损耗,噪声(包括太阳及空间 背景的噪声)、法拉第旋转、多普勒 频移及由于空间位置的变化引起的极 化方向的改变等。

轨道抖动衰减

 

由于地球和月亮在沿其自身轨道 运行时存在着抖动,同时,由于月球 表面很不规则,反射回来的电波信号 也会呈现不规则的起伏,这两种因素 的影响使电台接收到的信号出现畸变。 轨道抖动和不规则的信号都可以引起 电波信号的衰落和造成两个试图联通 的电台之间有多普勒频移,这就是轨 道抖动衰减。当在144MHz频段上进行 操作时,你会感到信号有几秒短时间 的波峰和波谷出现,这就使得只能听 清呼号的一部分,接着就是很弱的信 号。这些影响并不仅在144MHz频段上 反映出来、在1.2GHz频段上甚至可以有高达20dB的 衰减并有10Hz 的频移。  一般 而 言 , 轨 道 抖 动 所 产 生 的 衰 减 在 月 升 或 月 落 时 刻 最 小 , 月 球 在 天 顶 时 产 生 的 效 应 最 大 。 由 于 地 球 旋 转 速 度 也 与 月 球 有 关 , 位 于 高 纬 度 地 区 的 电 台 受 轨 道抖动的影响会比较少一些。

 

 

路径损耗

 

月球距地球在近地点时的距离 约为363  300km,远地点的距离约为 405  500km。由于月面不规则形状的 影响,发射到月球的电波信号只有 7%(约- 11.8dB)左右可以被反射 回来。其余的(约93%)则被吸收和 损耗掉了。路径损耗和通信频率成正 比,频率越高,路径损耗越大。因此 在144MHz频段上,反射回来的电波在 近地点的路径损耗约为252dB,远地点 约为254dB。对于低功率的电台,近地 点和远地点这2dB的差别有可能是成功 QSO的一个重要因素,因此,通常EME 的QSO计划宜安排在近地点附近时段 进行。月球的反射率不会因满月或新 月而有差别,只是满月时能够比较容 易寻找目标。

 

天空噪声

 

由于太阳和背景空间产生的噪 声干扰,会影响电台接收弱信号的能 力。对处于北半球的电台,当月亮呈 新月状时(除了月食以外,肉眼无法 看到月亮),或月亮在空中位于远南 端时,通常通信效果不理想;当月亮 最靠近南方时,通信效果最不理想。 这不仅是由于在这种情况下南方的星 座引起的背景噪声增加,还由于天体 的运行规律,使电波的实际传输路径 变得更远,因此,当月球位于靠南的 位置时,纬度越高的电台看到的月亮 越小,通常他们很难在空中联通。对 于位于北半球的电台来说,一个月中 最理想的通信时间是当月亮从其向北 倾斜角度最大的位置转向天空南方 时。在太阳接近月球的时刻或者天线 有很大的旁波瓣时,所接收到的太阳 辐射噪声会非常强,有时甚至会超过 接收机所具有的噪声。对于使用较低 波段进行的EME通信,太阳辐射噪声会越严重。对于430MHz及1.2GHz频 段,有可能会接收到来自银河系星球 所辐射的噪声干扰,月球表面产生的 约210°K的辐射噪声也会对信号产生 干扰。

另外,还有一些奇怪的干扰会影 响到EME通信的效果,例如双重反射, 电离层变化产生的信号聚焦或散射现 象,太阳风造成磁暴等,好在这些现 象发生持续的时间很短暂,可以等这 些现象消失后再进行通信。

法拉第旋转

 

法拉第旋转是由于地球电离层 对无线电波信号的影响而产生的一种 极化旋转,也有人说是由于电波信号 通过电离层时地球磁场对其造成的影 响。当无线电波在前往月亮和返回途 中经过电离层的时候,地磁场导致到 来的无线电波的极化产生好几次的旋 转,因而引起接收信号有一个深的周 期性衰减。在一定的时间间隔内,这 个周期会有所改变,随着频率的增加 而变长。估计在144MHz频段上,这 个时间间隔为20~30分钟。因为法 拉第旋转受电离层密度和地球磁场的 影响,如果电波传播路径与地球磁场 成垂直角度则不会有这种现象,所以 设置在赤道上的电台就不会有法拉第 旋转现象的困扰。另外在夜间电离层 的密度比较低时,法拉第旋转的影响 也比较小。法拉第旋转并不具有可逆 性,因而电波来回往返会造成两倍的 影响,并不会两相抵消。如果采用一 个电动机控制天线极化角度去跟随着 法拉第极化旋转而旋转,则可减轻所 带来的信号衰减。也有人把两副天线 的振子互相垂直地成十字形安装在一 起,构成所谓"十字交叉"双极化八 木定向天线,通过用高频开关切换接 入两条不同极化的振子,也能在一定 程度上改善法拉第旋转所引起的衰 减。法拉第旋转所引起的衰减可以用 发射和接收圆极化波来消除。运用圆 极化波的另一个优点是左旋和右旋极 化波并不会互相干扰,可以在相同的 天线上运用两种不同的极化波,同一 条天线能以20dB以上的隔离度发射和 接收左旋或右旋极化波。

多普勒频移

 

因为月亮围绕地球运动,在EME 信号上会产生一个多普勒频移。多普 勒频移与工作频率及电波路径的变化 率成正比,对于144MHz频段,在月亮升 起时会产生高于你的频率300~500Hz 的多普勒频移,当月亮落下时则会产 生低于你的频率300~500Hz的多普勒 频移,当月亮在头顶上时则没有多普 勒频移现象。对于两个不同位置的电 台,两者之间的EME通信产生的多普 勒频移是两台信号多普勒频移的算术 平均值。最极端的例子是两个电台位 于地球的两端,一个电台处于月亮升 起时刻,而另一电台则是处于月亮落 下时刻,由于两者的多普勒频移效应恰好相反,两相抵消反而没有频移产 生。另外要注意的是在EME通信中,其 实多普勒频移的变化是缓慢的,如果 接收机的通频带比较宽的话,并不需 要频繁地调整,多普勒频移随频率的 增加而逐渐增加。在144MHz频段,可 以调节接收机的RIT或分开的VFO在将 要接收频率的±  750  Hz范围内跟踪信 号即可。采用WSJT软件进行QSO时, 软件会在一定范围内自动跟踪补偿信号的多普勒频移,甚至不需要人工去 干预和调整。

 

地面增益

 

当天线水平地指向地平线上可能 获得达6dB的额外信号增益,这是由于 在天线前面的平坦地面以特定角度反 射电波所造成的,这个现象称为"地 面增益"。尤其是一些简陋的电台, 可以使他们的天线以没有仰角、水平 地指向月亮将要升起来的地平线方向 架设,这样当月亮从地平线上升起的 时候,在0°到10°~12°之间的上升 区域中,就能利用到这6dB的信号增强 效果,达致成功的QSO,而且这个现 象在地平线上不会显著地增加地球的 噪声电平(当然,天线所指方向有人 为造成的干扰除外)。

最好的操作时机

 

通常EME通信最好的操作时机是 在月球处于近地点的时候,这时电波 的衰减量最低。然而,月亮最接近地 球的最佳位置以9年为一个周期,本 周期最接近位置是在2007~2010年 间,因此,现在正是处于操作EME通信 的最好时期,希望大家不要错过这个 月亮最接近地球的最佳时机。但是, 也不是说在其他时期不能进行EME通信 操作,事实上在整个9年周期内随时 都有很多非常好的EME联络发生。 另外,当月亮在天空的位置(与 水平面成的倾角)比较高时,通常天空噪声会比较低,也是EME最好的操 作时机。这一倾角还决定了北半球两 个电台之间最长可能的共同操作窗口 (例如中国和美国,中国与欧洲之 间),因此,北半球地区电台的最佳 EME操作条件应该是以月亮的最高倾角 而建立的。

 

在月亮的四个相中  (新月、上弦 月、满月和下弦月),在新月前后一两 天,由于太阳噪声比较大,并不适宜 进行EME通信。在能看见月亮的白天, 由太阳所引起的电离层扰动能降低EME 通信状况。因此,  通常在夜间进行EME 通信操作比较好。处于稳定夜间条件 的满月是进行EME通信操作的有利时 机。通常,每个月只有数天是EME通信 条件有利的时候。有些EME通信月球跟 踪软件会试图综合各种因素以一个图 表的形式告诉你每个月的哪几天是条 件最好的。一些EME通信的讨论组也有 定期发布传播预测的信息。不管怎么 样,选择月亮处于近地点、月球在最 大倾角上(最靠北方),再结合最低 天空噪声的时候就是EME通信成功的最 好机会。

 

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Tags:通信 EME 责任编辑:yanhuo
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