SRMC科普系列 | 《月面反射通信》 | (一)概述

国家无线电监测中心发布时间:2020-05-07 10:11

第一章概述

1.1 业余无线电通信

1901年意大利的无线电爱好者马可尼发明无线电报以来,无线电技术飞速发展,从来就没有停止前进的步伐。从早期的军用雷达、电报,到后来人们熟知的短波、超短波通信、广播电视、卫星导航、Wi-Fi无线网,以及当前的5G通信、物联网、卫星互联网、天地一体化通信等应用,都离不开无线电通信技术。可以说,无线电通信技术已经深入到人们日常生产生活的方方面面,为满足人民群众日益增长的物质文化需要发挥着不可替代的作用。

作为无线电应用的分支,业余无线电通信也伴随着无线电技术的发展一同成长。广大业余无线电爱好者在推动无线电通信技术的发展、研究和创新方面做出了巨大的贡献。早在1914年,单边带传输理论发明后,业余无线电爱好者就立即对其进行试验,验证了单边带通信技术的实际应用效果。1923年,他们利用法国和美国的几个业余无线电台,使用当时被认为无用的短波频段开展实验,成功实现跨大西洋与欧洲的无线电通联,开创了短波远程无线电通信的先河,为全球短波广播和通信奠定了基础。我国的业余无线电活动起步于上世纪20年代后期的万国业余无线电上海分会(IARAC),抗日战争爆发后,业余无线电爱好者利用其技术特长为抗战胜利做出了贡献[1]

业余无线电是一种具有高科技含量的业余爱好,以“体谅、忠诚、进取、友爱、适度、爱国”为自律准则,用最贴近人们生活、最有趣的方式,将通信技术带入到人们的日常生活中。业余无线电活动发展至今,内容丰富多彩、形式多种多样,通过业余无线电爱好者的积极参与,业余无线电台活动不但为国家培养了大量肯钻研、能动手的无线电和电子技术人才,而且极大地推动了无线电技术在科学、经济、教育和社会服务等领域的应用探索。

为了支持业余无线电活动的开展,各国政府都在130kHz250GHz频段为业余无线电业务划分了专用频段,提供频率保障[1],供业余无线电爱好者进行自我训练、相互通信和技术研究。业余无线电爱好者指经主管部门正式批准的、对无线电技术有兴趣的人,其兴趣纯系个人爱好,其活动不涉及谋取商业利润。其使用的电台称为业余无线电台(Amateur Radio),俗称火腿电台(Ham Radio),指经过国家主管部门正式批准,用于业余无线电通信业务的电台。业余无线电通信技术多种多样,从通信内容上可分为语音模式、图像模式、无线电报和数字通信等等;从调制方式方面可分为模拟调制(如SSBFM等)和数字调制(如RTTYPACKETC4FM等);典型的业余无线电通信包括业余卫星通信、月面反射通信(EME)、流星余迹通信、散射通信、海岛通信、竞赛通信、野外通信和远征通信等;这些业余无线电通信使用的频率涵盖短波、超短波、微波等[3]。其中,月面反射通信最具挑战性,得到了广泛的关注,吸引了不少业余无线电爱好者开展相关研究和实验。

业余无线电爱好者开展的活动如下表所示:

1.1 业余无线电活动内容

随着业余无线电技术的不断普及和推进,业余无线电活动对社会发展进步也有较大的推动作用,主要表现为以下几个方面:

一是普及科学知识,培养技术能手。俗话说,兴趣是最好的老师。大量业余无线电爱好者正是因为“兴趣”、“爱好”,才孜孜不倦地潜心钻研科学技术,反复开展实验,有效普及了科学技术知识,涌现出一大批技术能手。他们不仅向人们展示了一种新颖的通信方式,更会对国内业余无线电爱好者、对广大青少年爱好者学习新知识、新技术所起到的激励和推动作用,一定程度上为科技后备力量与军事后备人员的储备提供了保障[1]

1.1 无线电爱好者向青少年普及业余无线电知识

二是丰富应急通信手段,提升救灾抢险能力。业余无线电是应急通信一种重要的补充手段,在历次重大突发事件应急通信中都发挥了重要的作用。我国业余无线电在“5.12”汶川特大地震应急通信保障中发挥了积极作用,受到国际业余无线电联盟(IARU)的好评,美国无线电中继联盟(ARRL)理事会还将2008ARRL人道主义奖授予中国业余无线电爱好者[2]

1.2  5.12”汶川大地震中,业余无线电爱好者提供应急通信支持

三是有效提升通信装备水平,不断推进通信技术发展。业余无线电从业人员积极参与到相关技术装备的研究和改造等技术研究工作,成效显著。2009年我国发射了一颗自主研发的业余无线电卫星,名为“希望一号”,为广大业余无线电爱好者提供了一个开放的试验平台[3]。我国业余无线电爱好者与北京理工大学合作研发的“北理工1号”卫星,于20197月成功发射,该卫星上搭载的新型空间电台也向全世界业余无线电爱好者提供了卫星信标和通联平台。

1.3 “希望一号”(左)和“北理工1号”(右)示意图

1.2月面反射通信

业余无线电通信伴随着无线电的发明而诞生,在推动无线电技术科学研究和工程实现方面发挥着十分重要的作用。其中,月面反射通信由于对无线电技术、通信收发设备、无线电知识和实际操作经验有较高要求,非常具有挑战性,常被称为是业余无线电通信的“明珠”,也吸引着全球的无线电爱好者广泛的关注和极大兴趣。

月面反射通信,简称EMEEarth-Moon-Earth Communication)通信,是一种利用月球作为反射面的超远距离通信技术。

其基本原理是把月球作为无源反射面,在发射站将发射天线指向月球并发射无线电信号,在接收站接收被月球反射回地面的无线电信号,从而建立通信链路进行通信。

1.4 月面反射通信示意图

业余无线电爱好者首先可以利用无线电台接收自身发射的脉冲信号被月球反射回来的“回声”(时间大约为2.5秒),来尝试初次通信和设备自检。成功后就能与全球许多不同地区的的EME电台进行通信。

月面反射通信并没有广泛地应用于我们实际的通信系统中,主要原因之一是由于作为反射面的月球与地球之间的所具有的位置关系、运动关系和传输链路的特殊性,导致该通信方式在实际的应用中存在着诸多限制和挑战,是一种极富挑战性的无线电通信技术。主要原因如下:

(1) 路径传输损耗大

由于月球距离地球非常远,约为380000km左右,因此无线电信号传播路径损耗特别大。例如,工作在144MHz频段时,路径损耗约为252dB;工作在10GHz频段时,路径损耗约为288dB

(2) 月球反射效率低

由于月球的表面非常粗糙,对无线电信号反射效率较低。因此,只有极少量(约为7%)的信号被反射回地球。

(3) 天线跟踪精度高

月球和地球存在实时相对运动(速度大约每小时15),因此收发天线必须跟踪月球的精确位置。这就要求EME通信天线需要具备高指向角度自动控制操作的能力。

(4) 多普勒频移效应

月球和地球之间的相对运动导致无线电信号产生多普勒频移。例如,在月出或月落时,144MHz频段的多普勒频移约为300Hz10GHz频段的多普勒频移可能会超过20KHz。由于EME通信中使用的信号带宽非常窄,因此多普勒频移可能会对通信造成严重的影响。

(5) 法拉第旋转效应

具有一定极化方式的无线电信号穿过地球电离层时,由于地球磁场对电信号的偏转作用,会产生法拉第旋转(例如,在432MHz频段,信号极化可能会旋转好几圈)。大多数业余无线电台的天线采用线极化,因此极化旋转会导致信号的极化衰减,导致接收信号强度的降低。

由于上述主要原因,使该技术的应用受到限制,往往只能用于无线电通联,难以用于实际通信。虽然EME通信在实际使用中存在这么多的挑战,但是在理论上,它仍然是一种可以在技术上实现并在实际中得到使用的通信技术,尤其是对许多业余无线电爱好者来说,更是经常使用的通信方式之一。可以说,EME通信非常具有技术挑战性,并且离我们所熟知的各种通信方式也非常遥远。另一方面,越是富有挑战性、越是具有神秘感的技术,往往就越能激发业余无线电爱好者的兴趣和探索的乐趣。

由于通信路径损耗巨大和月球反射效率很低,为实现通信联络,不但要求发射站具备很高的等效全向辐射功率(简称EIRP,是天线增益和发射功率之和),而且要求接收站具有极高的灵敏度。因此,早期用于EME通信电台的技术门槛非常高,需要具备大型的天线系统、高发射功率和高灵敏度的接收系统。

今天,得益于先进的数字信号处理技术、低噪声放大器、信号编码和调制技术,显著地降低了对接收系统灵敏度的要求、发射系统的天线增益和发射功率的要求[4]。这使得越来越多的业余无线电爱好者仅通过具备合适性能的电台,就可以成功进行EME通信操作,并实现在全球许多国家之间进行长距离VHF/UHF通信。例如,目前全世界有数百名无线电业余爱好者都在使用CWJT65数字模式进行EME通信(EME最常用的频率为144MHz频段,在该频段上在全球有1000多个业余无线电台),采用的典型天线仅仅是简单的八木天线(天线的长度为5米,增益为21.8dBi)。

1.5 EME通信双阵列八木天线(144 MHz频段)

1.3 月面反射通信历史

英国邮政总局的WJ Bray1940年提出将月球用作无源通信卫星的设想,据他计算,利用可用的大功率微波发射设备和低噪声接收器,可以将微波信号从地球上发射出去,并将它们从月球反射回来。他还认为可能至少有一个语音通道,通信时延为2.5[5]。但由于当时对气象[6]、天体研究的欠缺,特别是电子器件的欠发达,导致月面反射通信只能用于有限的军事用途。

第二次世界大战期间,战争的需要极大的促进了雷达技术和无线通信技术的发展。为了满足当时的远程应急通信需求,美军在1946年提出月面反射通信的概念和理论[5]。作为Diana计划,在Zoltan Bay教授的带领下,美军在匈牙利使用110MHz频段脉冲雷达发射源发射并成功接收到了来自月球反射的信号。

同期,业余无线电爱好者们也活跃在这一新兴技术上,1953127Bill SmithW3GKP)和Ross BatemanW4AO)开展了1次月面反射通信实验,基于1kW2m波段发射源和132单元天线阵,成功接收到了由月面反射的脉冲信号。

1.6 Bill SmithRoss Bateman开展月面反射通信实验

1954724日美军完成了人类第一次月面反射语音通信[7],由位于马里兰州Stump Neck的海军陆战队研究实验室发送并接收了第一个从月面反射回地球的人类语音传输。

1960年第一次完成了在不同地点的民用业余双向月面反射通信[5][6],月面反射通信才变得流行起来。此次通信是在Elimac Gang无线电俱乐部(W6HB,位于加利福尼亚州的圣卡洛斯)和Rhododendron Swamp超短波学会(W1BU/W1FZJ,位于马斯康忻州)之间进行的,使用1296MHz频段实现连续波通信交换。

1961年至1971年,美军在试验船(AGTRs)上搭建了TRSSCOMM月面反射通信系统,使用1.8GHz2.2GHz频率进行加密双工通信。19611215日午夜[7],海军作战司令George W. Anderson和海军陆战队研究实验室主任R.M. Page博士通过月面反射通信,从马里兰州Stump Neck向距其约2414公里(1500英里)的大西洋牛津号航空母舰发送了一条信息。这是美国海军第一次成功地将地面站的信息传送给船只。

1.7 美军试验船(AGTRs

1.8 牛津号航母上方向性天线

日本的业余电台也从70年代中期开始这项活动[8]19759JAIVDV曾使用430MHz频段与美国西部WA6LET进行EME通信。同年8月九州久留米市JA6DR使用144MHz频段与美国西部W6PO完成EME通信。

然而人造通信卫星的发展,使月面反射通信再度被忽略。直到最高输出功率可以达到1500W及上世纪八十年代GaAs FET(砷化镓场效应管)前置放大器的出现[9],加之近年来由于灾害频发,各种应急通信方案的提出才再次把月面反射通信重新推上舞台。1984年日本业余无线电台(JR4BRS)使用1296MHz与奥地利业余无线电台(OE9XX)成功地进行EME通信。

近些年,我国也有过一些月面反射通信实验。清华大学的业余电台BY1QH19971019日,用144MHz2m)频段成功地和瑞典SM5FRH等业余电台进行了第一次双向的EME联络,实现了我国业余电台在这一领域的突破[10]2011320日至31[11],由中国无线电协会业余无线电分会(CRACThe Chinese Radio Amateurs Club)组织的业余无线电月面反射通信实验(实验电台呼号:BJ8TA)在香格里拉县和云南天文台澄江抚仙湖太阳观测站圆满完成。此次实验自20日至24日在香格里拉进行,27日至31日在澄江进行。其中,澄江实验使用了位于澄江抚仙湖太阳观测站的11米抛物面天线,经过简单的改装后成为能接收和发射的双向通信系统。该系统分别在144MHz2m)频段和432MHz0.7m)频段连续工作了4天,一共完成与德国、俄罗斯、荷兰、瑞典、爱沙尼亚、保加利亚、法国、意大利、瑞士、西班牙、丹麦、芬兰、日本、澳大利亚、斯洛伐克等国家业余电台的38次双向通信。此次EME通信是业余无线电爱好者首次与国家专业天文研究机构深度合作完成的通信实验。

1.9 香格里拉月面反射(EME)通信实验组装好的天馈系统

美国等一些国家的业余无线电组织还经常组织EME通信的国际比赛,我国的无线电业余爱好者也有参加。

1.4 月面反射通信频段

在频率使用方面,月面反射通信可使用21MHz76GHz频段的频率资源[6],月面反射通信常用频段见表1.2

1.2 月面反射通信常用频段

其中,144MHz2m)频段是使用最广泛的月面反射通信       频率[5],尽管在50MHz6m)频段上进行月面反射通信已经非常成功,但庞大的天线阵列以及天空的背景噪声对大多数人来说都是难以解决的困难,不过仍有许多狂热的爱好者在此频段上操作。432MHz70cm)频段是EME通信中第二个常用的频段[12],它比起144MHz2m)频段来说既容易又困难,安装一个天线阵较容易,其频率较高、就相同数量的振子单元来说,432MHz70cm)频段的天线更小巧,其次432MHz70cm)频段上信号传播也相对容易,但仍需要较高的功率使其能到达月球。另一个较流行的频段为1296MHz23cm)频段,这时所选用的天线是抛物面天线。只有少数人定期在2320MHz13cm)频段上通信,使用10GHz3cm)频段进行通信的就更少了。

本章参考文献

[1] 夏随云.业余无线电之光[J]. 中国无线电,2009(1):38-49.

[2] 赵宝禄,李亚磊,张洪顺.业余无线电在重大突发事件中的应用[J].产业与科技论坛,2011,010(003):135-137.

[3] 尹虎.什么是业余无线电[J]. 中国无线电,2009(12):20-22.

[4] V. A. Loshakov, Experience of using antenna systems in earth-moon-earth communications, 2013 IX Internatioal Conference on Antenna Theory and Techniques, Odessa, 2013, pp. 541-543.

[5] Stephen Appleyard CEng等人.Getting Started in EME[M].英国无线电学会,2019.

[6] 周玉栋.月面反射通信系统的研究与设计[D].武汉理工大学,2011.

[7] Operation Moon Bounce [EB/OL]. https://airandspace.si.edu/stories/editorial/operation-moon-bounce,2016.

[8] 李锡琛.业余电台月面反射通信[J].中国无线电管理,1996(6):35-38.

[9] 业余无线电的广度 | 月面反射通信(EME):与月亮对话的准备工作[EB/OL]http://mp.163.com/v2/article/detail/EL0M6KF40511A108.html,2019.

[10] 徐辉.走进业余无线电[M].人民邮电出版社,2009年;

[11] 业余无线电爱好者使用云南天文台11米射电望远镜圆满完成月面反射通信实验[EB/OL].http://www.kmb.ac.cn/kpyd/201105/t20110511_3131049.html,2011.

[12] EME月球反射——业余无线电通信新形式[EB/OL].http://bbs.imufu.cn/?mod=viewthread&tid=123760,2009.