Связь Земля-Луна-Земля ( EME ), также известная как связь с Луной , представляет собой метод радиосвязи , основанный на распространении радиоволн от наземного передатчика, направленных посредством отражения от поверхности Луны обратно на наземный приемник .
Использование Луны в качестве пассивного спутника связи было предложено У. Дж. Бреем из британского Главного почтамта в 1940 году. Было подсчитано, что при имеющихся мощностях микроволновой передачи и малошумящих приемниках можно будет направлять микроволновые сигналы с Земли и отражать их от Луны. Считалось, что будет возможен по крайней мере один голосовой канал . [1]
Радарные отражения от Луны были получены и распознаны как таковые в 1943 году во время немецких экспериментов с радиоизмерительным оборудованием, о чем сообщал доктор инженер В. Степп в журнале Der Seewart . Степп отметил «возмущение», которое «появилось, имело длительность в несколько импульсов и большую силу импульса, чем самые сильные близлежащие цели. Оно появилось только через две секунды после включения передатчика и исчезло (пульсируя) соответственно позже после его выключения. Но остальная часть эхо-изображения появлялась и исчезала в момент включения/выключения передатчика. «Возмущение» возникало только тогда, когда антенна была направлена на восток, и исчезало немедленно после существенного изменения направления, но появлялось снова только примерно через две секунды после поворота обратно в исходное направление. По-видимому, мы обнаружили восходящую Луну за облаками с помощью оборудования. Это объясняло постепенное исчезновение импульсов отражающим телом, медленно движущимся из сильно сфокусированного, горизонтально направленного луча, по мере того, как оно поднимается над горизонтом». [2]
Однако только к концу Второй мировой войны были разработаны методы, специально предназначенные для отражения радиолокационных волн от Луны, чтобы продемонстрировать их потенциальное использование в обороне, связи и радиолокационной астрономии . Первая успешная попытка была предпринята в Форт-Монмуте , штат Нью-Джерси, 10 января 1946 года группой под кодовым названием Project Diana под руководством Джона Х. ДеВитта . [3] Менее чем через месяц, 6 февраля 1946 года, последовала вторая успешная попытка венгерской группы под руководством Золтана Бэя . [4] Последовавший за этим проект Communication Moon Relay привёл к более практическим применениям, включая телетайпную связь между военно-морской базой в Перл-Харборе , Гавайи , и штаб-квартирой ВМС США в Вашингтоне, округ Колумбия . Во времена, предшествовавшие появлению спутников связи , связь, свободная от капризов ионосферного распространения, была революционной.
Развитие спутников связи в 1960-х годах сделало эту технику устаревшей. Однако радиолюбители занялись EME-связью как хобби; первая любительская радиосвязь с использованием Moonbounce состоялась в 1953 году, и любители по всему миру до сих пор используют эту технику. Композитор Полин Оливерос использовала Moonbounce в своей работе 1987 года Echoes from the Moon [5] , а в 2024 году немецкий музыкант Хайнбах экспериментировал с Moonbounce и создал аудиоплагин для воспроизведения этого эффекта. [6]
Операторы любительской радиосвязи (ham) используют EME для двусторонней связи . EME представляет значительные трудности для операторов-любителей, заинтересованных в слабой связи. EME обеспечивает самый длинный путь связи, который могут использовать две станции на Земле.
Успешно использовались любительские диапазоны частот от 50 МГц до 47 ГГц, но большинство EME-связей осуществляется в диапазонах 2 метра , 70 сантиметров или 23 сантиметра . Обычные режимы модуляции — непрерывная волна с кодом Морзе, цифровая ( JT65 ) и, когда позволяет бюджет линии связи, голос.
Последние достижения в области цифровой обработки сигналов позволили проводить электромагнитные контакты, правда, с низкой скоростью передачи данных, при мощности порядка 100 Вт и одной антенне Yagi-Uda .
Всемирный день отражения лунных лучей, 29 июня 2009 года, был создан организацией Echoes of Apollo и отмечался во всем мире как событие, предшествующее 40-й годовщине высадки на Луну миссии Apollo 11. Кульминацией празднования стало интервью через Луну с астронавтом миссии Apollo 8 Биллом Андерсом , который также был членом дублирующего экипажа миссии Apollo 11. Университет Тасмании в Австралии с помощью своей 26-метровой (85') антенны смог отразить сигнал данных от поверхности Луны, который был принят большой антенной в Нидерландах, радиообсерваторией Двингелоо . Сигнал данных был успешно преобразован обратно в данные, установив мировой рекорд по самой низкой мощности сигнала данных, возвращенного с Луны, с мощностью передачи 3 милливатт, что составляет примерно одну тысячную мощности лампы карманного фонарика . Второй Всемирный день отражения лунных лучей пришелся на 17 апреля 2010 года, совпав с 40-й годовщиной завершения миссии Apollo 13.
В октябре 2009 года медиахудожница Даниэла де Паулис предложила ассоциации радиолюбителей CAMRAS, базирующейся в радиообсерватории Двингелоо, использовать Moon bounce для передачи изображения в прямом эфире. В результате ее предложения в декабре 2009 года радиооператор CAMRAS Ян ван Муйлвейк и радиооператор Даниэль Гаучи осуществили первую передачу изображения через Луну с использованием программного обеспечения с открытым исходным кодом MMSSTV. Де Паулис назвала инновационную технологию «Visual Moonbounce» и с 2010 года использует ее в нескольких своих художественных проектах, включая живой перформанс OPTICKS, во время которого цифровые изображения отправляются на Луну и обратно в реальном времени и проецируются в прямом эфире.
Радиоволны распространяются в вакууме со скоростью света c , ровно 299 792 458 м/с. Время распространения до Луны и обратно составляет от 2,4 до 2,7 секунд, в среднем 2,56 секунды (среднее расстояние от Земли до Луны составляет 384 400 км).
Луна почти сферическая, и ее радиус соответствует примерно 5,8 миллисекунд времени распространения волны. Задние части эха, отраженные от неровных поверхностных особенностей вблизи края лунного диска, задерживаются от переднего края на величину, в два раза превышающую это значение.
Большая часть поверхности Луны выглядит относительно гладкой на типичных микроволновых длинах волн, используемых для любительской EME. Большинство любителей проводят EME-контакты ниже 6 ГГц, а различия в отражательной способности Луны довольно трудно различить выше 1 ГГц.
Лунные отражения по своей природе квазизеркальные ( как от блестящего шарикоподшипника). Мощность, полезная для связи, в основном отражается от небольшой области вблизи центра диска. Эффективное время распространения эха составляет не более 0,1 мс.
Поляризация антенны для станций EME должна учитывать, что отражение от гладкой поверхности сохраняет линейную поляризацию , но меняет направление круговой поляризации на противоположное .
На более коротких длинах волн лунная поверхность выглядит все более шероховатой, поэтому отражения на частоте 10 ГГц и выше содержат значительную диффузную составляющую, а также квазизеркальную составляющую. Диффузная составляющая деполяризована и может рассматриваться как источник шума системы низкого уровня. Значительные части диффузной составляющей возникают из областей, расположенных дальше к лунному краю. Медианный временной разброс может тогда достигать нескольких миллисекунд. Однако во всех практических случаях временной разброс достаточно мал, чтобы не вызывать значительного размывания CW- манипуляции или межсимвольной интерференции в медленно манипулируемых модуляциях, обычно используемых для цифрового EME. Диффузная составляющая может проявляться как значительный шум при более высоких скоростях передачи данных сообщений.
Временное распространение EME имеет один очень существенный эффект. Компоненты сигнала, отраженные от разных частей лунной поверхности, проходят разные расстояния и достигают Земли со случайными фазовыми соотношениями. Поскольку относительная геометрия передающей станции, приемной станции и отражающей лунной поверхности изменяется, компоненты сигнала иногда добавляются, а иногда отменяются, в зависимости от их фазовых соотношений, создавая большие амплитудные колебания в полученном сигнале. Эти амплитудные вариации «либрационного затухания» хорошо коррелируют по полосе пропускания когерентности (обычно несколько кГц). Компоненты либрационного затухания связаны с временным распространением отраженных сигналов.
УКВ
УВЧ
Эффект Доплера в диапазоне 144 МГц составляет 300 Гц при восходе или заходе Луны. Смещение Доплера уменьшается примерно до нуля, когда Луна находится над головой. На других частотах будут существовать другие смещения Доплера. При восходе Луны отраженные сигналы будут смещены примерно на 300 Гц выше по частоте. Когда Луна пересекает небосвод к точке строго на юге или строго на севере, эффект Доплера приближается к нулю. К заходу Луны они смещаются на 300 Гц ниже. Эффект Доплера вызывает много проблем при настройке и захвате сигналов от Луны.
Эффекты поляризации могут снижать силу принимаемых сигналов. Одним из компонентов является геометрическое выравнивание передающих и принимающих антенн. Многие антенны создают предпочтительную плоскость поляризации. Антенны передающих и принимающих станций могут быть не выровнены с точки зрения наблюдателя на Луне. Этот компонент фиксируется выравниванием антенн, и станции могут включать в себя возможность вращения антенн для регулировки поляризации. Другим компонентом является вращение Фарадея на пути Земля-Луна-Земля. Плоскость поляризации радиоволн вращается, когда они проходят через ионизированные слои атмосферы Земли. Этот эффект более выражен на более низких частотах VHF и становится менее значительным на 1296 МГц и выше. Некоторые потери из-за рассогласования поляризации можно уменьшить, используя большую антенную решетку (больше элементов Yagi или большая тарелка). [7]
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )