Интернет в космосе

Космос, Спутник, Интернет

ХХI век – время мобильных решений. Технический прогресс достиг расцвета нового этапа своего развития – беспроводных технологий связи.

Спутниковый Интернет. Где хочу, там и подключусь!

Мало кто сегодня представляет свою жизнь без мобильного телефона. Вслед за голосовой связью мобильным становится все – телевидение, радио, Интернет. Хот-споты Wi-Fi, позволяющие любому жителю мегаполиса оперативно выйти в Интернет с телефона, КПК или ноутбука. Однако это всего лишь цветочки по сравнению с тем, на что способны искусственные спутники Земли.

Космические бойцы заоблачного фронта информационных технологий отвоевали для любознательного человечества не город, не страну, а целый земной шар. Если быть совсем точным, то один спутник, находящийся над нашей планетой на высоте от ста до десяти тысяч километров, способен обеспечить прием как минимум для половины территории планеты. Постоянно передавая эстафету своим собратьям, спутник гарантирует передачу сигнала на Землю круглые сутки.

Именно благодаря обширной зоне приема сигнала, спутниковый Интернет – наиболее передовая мобильная технология подключения ко Всемирной Паутине и идеальный вариант для обладателей загородной недвижимости. Спутниковый Интернет очень удобно установить и подключить, например, на даче или в коттедже. Никаких дополнительных коммуникаций, никакой привязанности к месту – где поставите «тарелку», там и будет Интернет!

Чем антенна лучше провода?

Представьте, что взгляд медузы Горгоны олицетворяет невозможность подключиться к Интернет вдали от города, а «блюдце» — вылитый щит-зеркало Персея. С такими доспехами вам, как и герою древнегреческой мифологии, не страшны никакие препятствия: ни расстояние, ни отсутствие в вашем коттедже оптоволоконной линии. Спутниковая антенна – это всегда открытое окно в мир, где бы не находилось ваше жилище.

Причем это не просто красивые слова. Даже жители мегаполисов, с избытком обеспеченные предложениями проводных Интернет-провайдеров, все чаще склоняются к выбору спутникового Интернет, потому что он – это еще и сотни телеканалов, как платных, так и бесплатных.

С такими без преувеличения глобальными возможностями вы становитесь полноправным хозяином своего выбора. Хотите – смотрите «НТВ +», хотите — «Триколор ТВ», хотите – зайдите и посмотрите видео клипы на YouTube.com, хотите – сделайте очередную запись в свой Живой Журнал (livejournal.com). Кстати, скорость спутникового Интернет не хуже проводного – до 5 Мбит/с, так что вам потребуется всего минута, если вы захотите скачать свой любимый музыкальный альбом.

Уговорили. Беру! Установка спутникового Интернет.

Прежде чем приобрести комплект для приема спутникового Интернет стоит подумать, какая технология вам больше всего подходит. Их всего две: двусторонняя (two-way) и односторонняя (one-way). В первом случае вы получаете высокоскоростной спутниковый Интернет с одинаковой входящей и исходящей скоростью передачи данных.

Вариант с двусторонним доступом обеспечивает вам полную независимость в выборе места установки спутникового Интернет. Правда, и обойдется двусторонний доступ дороже, чем тот же односторонний. В случае с последним, вы получаете высокую входящую скорость, а вот исходящая будет ниже. Кроме того, для нее необходим отдельный «наземный» канал связи, который, кстати, с успехом заменит GPRS. Для входящих этот канал дороговат, а вот только для исходящих вполне подойдет.

Определившись с типом доступа, изучите рынок провайдеров спутникового Интернет. А, выбрав наиболее интересный для вас вариант, приступайте к покупке оборудования. Опытный покупатель спутникового Интернет знает, что полный комплект, купленный у провайдера, будет стоить вам несколько дороже, чем, если вы осмелитесь самостоятельно приобрести каждую из частей того же комплекта по отдельности.

Что нам стоит все настроить?

Все настроить нам не стоит ничего, если настраиваем мы сами. Говорят, некоторые практичные господа могут запросить за настройку 100 евро. Между тем, опытные пользователи утверждают, что вся настройка заключается в повороте спутниковой антенны, установке PCI-карты и драйверов.

PCI-карта – это DVB-приемник. Кроме него в комплект для подключения к спутниковому Интернет входят уже не раз упоминавшаяся нами «тарелка» и конвертер. «Блюдце» лучше купить побольше: оптимальный вариант – от 120 см. Дело в том, что у каждого провайдера свои «капризы», да и телеканалов на большую тарелку «ловится» больше. Так что ее размеры, естественно, имеют немаловажное значение.

И, напоследок, о провайдерах. Если вы хотите, чтобы ваш спутниковый Интернет был не только надежным, но и прибыльным, то помимо выбора провайдера, обеспечивающего наилучшее качество приема и изучения цен на трафик, знатоки рекомендуют обратить внимание на дополнительные услуги той или иной компании. Некоторые из них могут значительно снизить ваши затраты на спутниковый Интернет.

«Радио Всем», №2, январь 1929 год, стр. 42-44

Радиосигналы — странники

С. Кин.

Скорость радиосигналов.

Вряд ли кто-либо из радиолюбителей, сидя с телефоном на ушах где-нибудь на окраине СССР и проверяя свои часы по бою Кремлевской башни, задумывается над тем, действительно ли он слышит первый удар башенных часов точно в тот самый момент, когда этот удар слышат московские радиолюбители. И он, конечно, вправе (если над этим вопросом все же задумываться) считать, что слышит удары башенных часов одновременно с москвичом. Того же любителя, который в этом сомневается, окончательно должен убедить следующий простой расчет. Радиоволны, как и всякие электромагнитные волны, как известно, распространяются со скоростью около 300 000 километров в секунду. И если вы находитесь даже на расстоянии 3 000 километров от Москвы, то сигнал затратит только одну сотую секунды, чтобы достичь вашего приемника. Ясно, что сотая секунды — это такой малый промежуток времени, которым можно пренебречь не только при проверке карманных часов, но даже и в случаях, требующих гораздо большей точности — например при обычных астрономических наблюдениях.

При этих расчетах мы приняли, что радиоволны распространяются со скоростью 300 000 километров в секунду, но верно ли это? Проверено ли на опыте, что радиоволны всегда распространяются с такой скоростью? Эти вопросы совершенно естественно могут возникнуть у всякого. И теоретическими рассуждениями этих сомнений рассеять нельзя. Даже наоборот, теория показывает, что скорость распространения радиосигналов может очень сильно отличаться от скорости света в пустоте (т. е. от скорости в 300 000 километров в секунду).

Галактический интернет: как обеспечить мгновенную связь в космосе

Мы подчеркиваем, что речь идет о скорости распространения целых радиосигналов, а не электромагнитных волн (радиоволн) вообще1).

Помимо этого сомнительного пункта может возникнуть также и другое сомнение. Верно ли, что радиоволны, особенно короткие, распространяются по кратчайшему пути? Не выбирают ли они иногда более длинных, но почему-либо более удобных для себя, путей?

«Запаздывающие» сигналы.

Сомнения эти можно было разрешить путем опыта, который и предприняли американские радиоинженеры Тэйлор и Юнг. Они определили время, потребное на то, чтобы радиосигнал, отправленный с работающей короткими волнами станции Рокки-Пойнт, достиг бы приемной станции, расположенной в Вашингтоне. Расстояние между этими пунктами составляет около 420 километров и, следовательно, по нашим расчетам мы получили бы время примерно в одну семисотую долю секунды. Но оказалось, что в различных случаях сигнал затрачивает на это путешествие время от ¹/₁₀₀ до ¹/₃₀ секунды, т. е. во много раз большее. Этот результат, хотя и неожиданный, все же не особенно озадачил радиоспециалистов. Объяснение подыскать было не трудно — нужно было только предположить, что радиоволны распространяются не по кратчайшему пути и что скорость их распространения меньше скорости света. В обоих этих предположениях нет ничего невероятного. Первое из них подтверждается еще и рядом других фактов, которые указывают, что короткие волны распространяются не прямолинейно, а «зигзагами», отражаясь много раз от поверхности земли и от верхних слоев атмосферы. Таким образом, опыты Тэйлора и Юнга не внесли никакого «переполоха» в радиотехнику. Ничего загадочного в этих опытах не оказалось.

«Сигналы — эхо».

Но переполох все же вскоре разразился. И вызвали его недавно опубликованные результаты новых наблюдений норвежцев — проф. Штормера и инженера Гальса. Эти два наблюдателя (с той же целью, так Тэйлор и Юнг в Америке) вели в Осло прием мощной радиотелефонной станции PCII фирмы «Филиппс» в Эйдховене (в Голландии). Станция эта работает на коротких волнах и хорошо известна коротковолновикам-любителям всего мира, так как работу ее можно слышать почти во всех точках земного шара. В определенные моменты, заранее точно установленные, станция PCII передавала подряд один или несколько очень коротких отрывистых сигналов. Наблюдатели в Осло отмечали момент, когда тот или другой из сигналов был принят.

Оказалось, что сигналы прибывают с некоторым опозданием против «расписания». Но кроме того, после некоторых сигналов можно было различить своеобразное «эхо» — повторение сигнала через некоторый промежуток времени после основного сигнала. Этот промежуток времени менялся от одного наблюдения к другому и довольно часто достигал целых 15 секунд. Легко сообразить, что это значит, если считать, что радиоволны распространяются со скоростью 300 000 километров в секунду. За пятнадцать секунд радиосигнал успел бы пройти четыре с половиной миллиона километров и, следовательно, он совершил такую «прогулочку» и только после этого попал в приемник.

Эти первые наблюдения (они были сделаны в марте 1928 года) показались настолько невероятными, что им сначала просто не хотели верить. Однако, по настоянию проф. Штормера в октябре истекшего года опыты были повторены, причем наблюдения велись уже сразу в трех пунктах — в Осло и в других местах вблизи Эйдховена, т. е. недалеко от передающей станции. Наблюдения проф. Штормера и на этот раз целиком подтвердились. «Сигналы-эхо» были слышны как в Осло, так и в Эйдховене, причем удавалось одно и то же «эхо» отметить не только в двух, но даже во всех трех приемниках одновременно. При сравнении записей приема во всех трех пунктах оказалось, что некоторые «сигналы-эхо» были приняты одновременно тремя наблюдателями — например сигнал № 53 на графике, в котором сведена часть наблюдений трех приемных станций (см. рис.).

После этого уже не могло оставаться никаких сомнений в том, что «сигналы-эхо», странствующие неизвестно где в течение многих секунд, действительно существуют.

Загадка «сигналов-странников».

Где же «пропадают» эти «сигналы-странники» в течение многих секунд? Запаздывание сигналов на небольшие доли секунды можно (как мы уже указывали) без большой натяжки объяснить тем, что они распространяются не по кратчайшему пути и со скоростями несколько меньшими, чем скорость электромагнитных волн в пустоте. Но для объяснения огромных опозданий в 10—15 секунд пришлось бы предположить одно из двух — или что скорость радиосигналов на некоторых участках их пути уменьшается во много тысяч раз по сравнению со скоростью радиоволн в пустоте, или что «радиосигналы-странники», прежде чем достигают приемника, совершают огромные путешествия в несколько миллионов километров. Трудно сказать, которое из этих объяснений более правдоподобно — оба они звучат не очень убедительно, и, пожалуй, первое из них принять труднее, чем второе.

Но все же известный голландский физик профессор Ван-дер-Поль недавно выдвинул первое из этих предположений в качестве объяснения причины запаздывания «сигналов-эхо»2).

Объяснение Ван-дер-Поля вкратце сводится к следующему. В теории электромагнитных волн рассматриваются две скорости распространения волн. Первая, так называемая «фазовая скорость», это та скорость, с которой распространяется непрерывная, бесконечная и ничем не ограничимая электромагнитная волна. Такую волну, например, создавал бы незатухающий радиотелеграфный передатчик, если бы мы нажали ключ передатчика и держали его нажатым втечение очень большого промежутка времени. Другая скорость это — «групповая скорость», с которой распространяется не непрерывная, неограниченная волна, а небольшая группа волн — ограниченная с двух сторон, то есть небольшой отрезок бесконечной волны. Такие именно группы, или как их иначе называют «цуги» волн создает радиотелеграфный передатчик, посылающий отдельные короткие отрывистые сигналы. Обе эти скорости — фазовая и групповая — совпадают только в пустоте. А в какой-либо среде, поглощающей и рассеивающей электромагнитные волны, обе эти скорости уже не совпадают друг с другом, и в некоторых случаях отличаются одна от другой очень значительно.

Совершенно ясно, что когда мы говорим о скорости распространения радиосигналов, то речь в сущности идет о групповой скорости распространения волн, так как каждый радиосигнал представляет собой именно группу волн, ограниченную с обеих сторон. Да иначе оно и не могло быть. Ведь если бы передатчик посылал непрерывную и неограниченную цепь волн, то это не были бы сигналы, и о скорости распространения такой непрерывной цепи волн ничего нельзя было бы сказать. Ведь нужны именно отдельные сигналы для того, чтобы сравнить момент времени, когда они переданы, с тем моментом, когда они приняты.

Причины опозданий.

И вот оказывается, что именно групповая скорость волн может очень сильно изменяться, в зависимости от присутствия свободных электронов в той среде, по которой распространяются электромагнитные волны. Для данной длины волны можно подсчитать ту «концентрацию» электронов (т. е. количество электронов на один кубический сантиметр), при которой скорость становится очень мала. Для волн порядка 30 метров эта «критическая концентрация» соответствует примерно одному миллиону электронов на 1 куб. сантиметр. И вот, если электромагнитная волна длиною в 30 метров попадает в область с такой концентрацией электронов, то ее дальнейшее распространение происходит очень медленно, и в таком районе радиосигнал может задержаться на довольно большой промежуток времени. Таким образом можно объяснить происхождение «сигналов-эхо», приходящих с большим опозданием. Радиосигналы, отправленные передатчиком, на пути своего распространения в верхних слоях атмосферы «натыкаются» на области с критической концентрацией электронов. Через эти области они пробираются очень медленно, и поэтому задерживаются в них на довольно большие промежутки времени. И только после того как сигналу удалось выбраться из такой области, он, наконец, добирается до приемника, но уже с большим опозданием. Величина этого опоздания зависит от условий в верхних слоях атмосферы и вместе с изменением этих условий от раза к разу может меняться. Так оно и наблюдается в действительности — при различных наблюдениях время, отделяющее «эхо» от основного сигнала, изменяется в больших пределах.

Словом, объяснение загадки как будто найдено, и тайна «волн-странников» раскрыта.

Однако, тотчас же после опубликования этого объяснения, против него было выдвинуто одно очень серьезное возражение. Дело в том, что путешествие радиоволн по «критическим областям» неизбежно связано с большими потерями энергии. И чем дольше радиосигнал «околачивается» в критической области, тем большая часть его энергии в этой области поглощается. Можно подсчитать, что сигнал, который провел в критической области 10 секунд, должен выйти из нее настолько ослабленным, что принять его нельзя было бы на самый чувствительный не только из существующих, но даже из вообще мыслимых приемников. Между тем «сигнал-эхо» бывает слышен почти так же громко и явственно, как и основной сигнал.

Таким образом, как будто бы удовлетворительное на первый взгляд объяснение Ван-дер-Поля приходится отвергнуть из-за приведенного выше возражения.

Где странствуют «сигналы-эхо»?

Остается второе предположение, что скорость «радиосигналов странников» мало отличается от скорости света, но что зато они успевают за время своих странствований проделать огромные путешествия в несколько миллионов километров. Но при этом тотчас же возникает вопрос — по каким путям они эти путешествия совершают? Само собой напрашивается сравнение их с тем типом «сигналов-эхо», которые наблюдались впервые, пару лет тому назад, при работе мощных коротковолновых станций в Науэне (Германия) и Рио-де-Жанейро (Бразилия). Прием велся на пишущие приборы, и на приемной ленте можно было обнаружить повторные «сигналы-эхо», пришедшие через ¹/₇, и даже ²/₇ секунды после основного сигнала. Время в ¹/₇ секунды при скорости радиоволн в 300 000 километров в секунду соответствует пути в 43 000 километров, то есть примерно длине окружности земного шара.

Легко было догадаться, что «сигналы-эхо» проделывали путь вокруг земного шара и только после этого попадали в приемник.

Нельзя ли предположить, что «сигналы-странники», запаздывающие на 10—15 секунд, тоже проводят это время в кругосветных «странствованиях». В пятнадцать секунд сигнал успел более ста раз обойти земной шар. Однако, распространяясь в пределах земной атмосферы, он должен был бы очень сильно поглощаться. После ста кругосветных путешествий, даже при том небольшом поглощении, которое существует в верхних слоях атмосферы, сигнал был бы настолько ослаблен, что принять его было бы невозможно. Итак, по тем же соображениям, как и объяснение Ван-дер-Поля, последнее предположение надо отвергнуть.

«Межпланетные странники».

Вообще, сигнал, который совершил путь в несколько миллионов километров даже в слабо поглощающей среде, к концу пути должен быть настолько слаб, что о приеме его не может быть и речи.

Поэтому, если считать, что сигнал действительно совершает эти огромные путешествия (а это, как видит читатель, нужно предположить), то придется допустить, что только незначительную часть пути он совершает в поглощающей среде, то есть в земной атмосфере, а почти весь путь он проходит в пустоте — в межпланетном пространстве. Нужно допустить, что радиоволны проникают через всю атмосферу, окружающую землю, и уходят в межпланетное пространство и в нем распространяются не только без поглощения, но и прямолинейно (в пустоте электромагнитные волны всегда распространяются прямолинейно).

Но если волны покинули землю и отправились в «межпланетное путешествие» по прямому пути, то что же может их заставить повернуть обратно и возвращаться на землю? Автор гипотезы о «межпланетных путешествиях» радиосигналов, проф. Штормер, предложил такое объяснение много раньше для совершенно другой цели (в своей новой теории северных сияний). Проф. Штормеру пришлось выставить гипотезу, что солнце, подобно нити катодной лампы, испускает поток отрицательных электрических частиц — электронов. И если радиосигнал натыкается в межпланетном пространстве на этот электродный поток, то он может от него отразиться и вновь попасть на землю.

Конечно, и против этого чрезвычайно смелого предположения есть некоторые возражения. Основное из них — это сомнение в том, могут ли радиоволны вообще проникать сквозь всю атмосферу и попадать в межпланетное пространство. Но этот вопрос до сих пор вообще нельзя считать разрешенным. И поэтому смелое и маловероятное предположение проф. Штормера — это все же единственное, пока неопровергнутое, объяснение причин появления «сигналов-эхо». Трудно пока что-либо еще оказать об этом интересном и не разгаданном еще явлении. Но тот факт, что этим вопросом заинтересовался целый ряд выдающихся ученых, дает нам право надеяться, что скоро мы услышим о них что-либо новое и интересное.

И если проф. Штормер прав, если «радиоволны-странники» — это странники не земные, а «межпланетные», то в руках человека окажется новое средство для изучения межпланетных пространств и наших ближайших «соседей» в мировом пространстве.

Если радиоволны могут совершать «прогулки» в несколько миллионов километров, то уж во всяком случае они могут достичь луны, а может быть и некоторых планет и, отразившись от них, вернуться на землю. А побывав на какой-либо планете и отразившись от нее, радиоволны смогут многое «рассказать» о ее строении и форме, подобно тому, как световой луч, отразившись от какого-либо тела, «рассказывает» нам о форме и окраске этого тела.


1) Об этих двух различных скоростях и связи между ними будет еще итти речь ниже.

2) Письмо проф. Ван-дер-Поля по этому вопросу опубликовано в одной из декабрьских книжек английского журнала «Природа» (Nature).



Распространение радиоволн в космических условиях

Описание

За исключением планет и их ближайших окрестностей, большая часть вещества во Вселенной ионизована. Параметры космической плазмы меняются в широких пределах. Например, концентрация электронов и ионов вблизи орбиты Земли 1 – 10 см-3, в ионосфере Юпитера 105 см-3, в солнечной короне, в недрах звёзд 107 см-3. Из космического пространства к Земле приходит широкий спектр электромагнитных волн, которые на пути из космоса должны пройти через ионосферу и тропосферу. Через атмосферу Земли без заметного затухания распространяются волны двух основных частотных диапазонов: «радио-окно» соответствует диапазону от ионосферных критических частот.

В космических условиях источник радиоволн и их приёмник часто быстро движутся одни относительно другого. В результате эффекта Доплера это приводит к изменению их частоты.

Россия откажется от американского интернета в космосе

Понижение частоты при удалении корреспондентов (красное смещение) свойственно излучению удаляющихся от нас далёких галактик. Радиоволны в космической плазме подвержены рефракции, связанной с неоднородностью среды (рисунок 1). Например, вследствие рефракции в атмосфере Земли источник радиоволн виден выше над горизонтом, чем в действительности. Для определения расстояния до пульсаров и при интерпретации результатов радиолокации Солнца и планет необходимо учитывать этот факт.

Траектории радиолучей в солнечной короне

Рис. 1

Возможности радиосвязи с объектами, находящимися в космическом пространстве или на других планетах, разнообразны и связаны с наличием и строением их атмосфер. Если космическая плазма находится в магнитном поле, то она является гиротропной средой, подобно земной ионосфере. Для всех планет с атмосферами общая трудность радиосвязи состоит в том, что при входе космического аппарата в плотные слои атмосферы вокруг него создаётся плотная плазменная оболочка, затрудняющая прохождение радиоволн. На планетах типа Меркурия и Луны, практически не имеющих атмосферы и ионосферы, на распространение радиоволн оказывает влияние только поверхность планеты. Из-за отсутствия отражения от ионосферы дальность связи вдоль поверхности такой планеты невелика (рисунок 2) и может быть увеличена только при помощи ретрансляции через спутник.

Зависимость дальности радиосвязи на поверхности Луны от частоты

Рис. 2

 

Ключевые слова

 

Разделы наук

 

Применение эффекта

Физика космической плазмы — одно из основных направлений теоретических и экспериментальных исследований. Все звезды, включая Солнце, межзвездная и межпланетная среда, верхние слои планетных атмосфер (ионосфера), словом, около 99% материи в Галактике находится в плазменном состоянии. Плазменную природу имеют и процессы перехода одних видов энергии в другие, составляющие суть активных явлений на Солнце и в ближайших окрестностях (магнитосферах) планет, в том числе и Земли.

Скорость радиоволн в пустоте постоянна, но при входе сигнала в атмосферу она изменяется. Для сигналов от разных спутников задержка времени различна. Ошибки распространения радиоволн зависят от состояния атмосферы и высоты спутника над горизонтом: чем ниже спутник, тем больший путь проходит его сигнал через атмосферу и тем больше искажения. Большинство приемников исключают использование сигналов от спутников с возвышением над горизонтом менее 7,5 (. Еще атмосферные помехи зависят от времени суток: после захода солнца плотность ионосферы и ее влияние на радиосигналы уменьшается (явление, хорошо знакомое радистам-коротковолновикам).

Условия приема передач, когда независимо от погоды, состояния солнечной активности, времени суток и года, температуры и влажности воздуха, а также других факторов обеспечивается прием программ заранее выбранного передатчика называют уверенным приемом.

Официальная зона уверенного приема определяется расстоянием прямой видимости передающей антенны до точки установки приемной антенны. При этом исходят из того, что ультракороткие волны (УКВ), на которых ведутся телевизионные передачи, распространяются прямолинейно, подобно свету, не огибают земную поверхность и не отражаются ионосферой в противоположность волнам коротковолнового диапазона. В связи с тем, что поверхность Земли шарообразна с радиусом сферы около 6370 км, можно вывести следующую формулу для определения максимальной дальности, соответствующей прямой видимости:

D = 3,57 (H0.5 + h0.5),

где D – максимальная дальность прямой видимости, км; Н – высота передающей антенны, м; h – высота приемной антенны, м.
Формула не учитывает фактического рельефа местности и предполагает, что антенны установлены на идеально ровной сферической поверхности Земли. Кроме того, при распространении радиоволн УКВ диапазона все-таки имеют место и дифракция, и рефракция радиоволн. Дифракцией радиоволн называют явления, возникающие при встрече радиоволн с препятствиями, когда они огибают препятствие и проникают в область тени, отклоняясь от прямолинейного пути. Когда передающая и приемная антенны разделены выпуклостью земного шара, дифракция радиоволн является одной из причин приема сигналов за пределами прямой видимости. Эффект дифракционного проникновения радиоволны в область тени зависит от соотношения между размером препятствия и длиной волны и выражен тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому в диапазоне УКВ, где длина волны сравнительно мала, эффект дифракции не так велик, как в диапазоне длинных или средних волн, но все-таки имеет место.

Распространению радиоволн за пределы прямой видимости также способствует явление, называемое нормальной тропосферной рефракцией (преломлением). Показатель преломления зависит от давления и температуры воздуха, которые убывают с высотой. Это приводит к увеличению максимальной дальности возможного уверенного приема телевизионных передач по сравнению с максимальной дальностью, ограниченной условиями прямой видимости.
Помимо явлений дифракции и нормальной рефракции дальнему распространению радиоволн способствует их рассеяние различными наземными металлическими предметами в виде железобетонных масс зданий, мостов, мачт, а также неоднородностями в верхних слоях атмосферы. В результате рассеяния возникают вторичные излучения сигнала, которые, конечно, значительно слабее по мощности основного. Однако при наличии высокоэффективной антенны и достаточно чувствительного телевизионного приемника можно считать реальным достижение уверенного приема телевизионных передач благодаря упомянутым выше явлениям на значительно больших расстояниях, чем дает формула дальности прямой видимости. Практика подтверждает такой вывод. Действительно, подставив в формулу высоты передающей 525 м (высота Останкинской телебашни) и приемной 30 м антенн, получим дальность, равную 101 км, хотя известно, что в действительности передачи телецентра в Останкине хорошо видны па значительно больших расстояниях.

Область, в пределах которой оказывается возможным уверенный прием телевидения, можно поэтому разбить на две зоны: прямой видимости и полутени. В зоне прямой видимости напряженность электромагнитного поля сигнала достаточно велика, и прием возможен с помощью обычных антенн. Расширить зону прямой видимости данного телевизионного передатчика в целях использования сравнительно простой антенны можно лишь увеличением высоты ее установки. Однако в связи с тем, что высот приемной антенны обычно значительно меньше высоты передающей, расширение зоны прямой видимости таким способом оказывается незначительным. Так, в приведенном выше примере увеличение высоты приемной антенны с 30 до 60 м дает расширение зоны прямой видимости с 101 лишь до 109 км. В зоне полутени напряженность поля сигнала значительно ниже, чем в зоне прямой видимости, так как в зону полутени проникает лишь небольшая часть энергии сигнала, излученного передающей антенной. Это вынуждает использование в зоне полутени для уверенного приема высокоэффективных антенн, которые отличаются от сравнительно простых большими размерами и значительно более сложной конструкцией.

Как уже было отмечено, с уменьшением длины волны явления дифракции ослабевают. При этом увеличивается затухание сигнала в атмосфере за счет поглощения энергии различными посторонними частицами (пыль, снег, дождь, туман) и молекулами воздуха. Поэтому протяженность зоны полутени зависит от длины волны, т. е. от номера частотного канала. При достаточно большой мощности телевизионного передатчика, когда ведется прием передач программного телецентра, зона полутени ограничена расстоянием 200…220 км от передатчика, работающего на 1-2-м каналах, 160…180 км от передатчика, работающего на 3-5-м каналах, 120… 150 км от передатчика, работающего на 6-12-м каналах. Зоны полутени для диапазона дециметровых волн практически не существует. Кроме того, наблюдается повышенное затухание сигнала в атмосфере для этого диапазона. Вот почему можно считать, что зона уверенного приема дециметрового телевизионного передатчика ограничивается расстоянием прямой видимости, уменьшенным примерно в 1, 2 раза.
Следует заметить, что указанные границы зоны полутени и границы зоны прямой видимости не являются резкими, а в значительной степени размыты. Кроме того, они очень приближенны, так как совершенно не учитывают фактического рельефа местности.

При наличии на трассе высоких холмов и горных преград максимальные расстояния уверенного приема могут оказаться значительно меньшими, а уверенный прием даже при небольших расстояниях от передатчика может оказаться совершенно невозможным. За границей зоны полутени напряженность поля практически равна нулю, и устойчивый прием нeocyществим даже при наличии высокоэффективных антенн.

Реализации эффекта

Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн: в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются; при падении на земную поверхность они отражаются; сферичность земной поверхности (средний радиус земного шара равен 6370 км) препятствует прямолинейному распространению радиоволн. Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости (в масштабе длины волны) от поверхности Земли, будем называть земными радиоволнами.

При теоретическом рассмотрении условий распространения земных радиоволн атмосферу считают сначала непоглощающей средой с относительными диэлектрической и магнитной проницаемостями, равными единице, а затем вносят необходимые поправки.

В окружающей земной шар атмосфере различают две области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу и ионосферу. Тропосферой называется приземная область атмосферы, простирающаяся до высоты примерно 10—15 км.

Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности, кроме того, ее электрические параметры меняются при изменении метеорологических условий. Тропосфера влияет на распространение земных волн и обеспечивает распространение так называемых тропосферных волн. Распространение тропосферных волн связано с рефракцией (искривлением траектории волны) в неоднородной тропосфере, а также с рассеянием и отражением радиоволн от неоднородностей тропосферы. Ионосферой называется область атмосферы, начинающаяся от высоты 50—80 км и простирающаяся примерно до 10000 км над поверхностью Земли. В этой области плотность газа весьма мала и газ ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов. Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства газа и обусловливает возможность отражения радиоволн от ионосферы. Путем последовательного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны распространяются на очень большие расстояния (например, короткие волны могут несколько раз огибать земной шар). Ионосфера является неоднородной средой, и радиоволны рассеиваются в ней, что также обусловливает возможность распространения радиоволн на большие расстояния. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, будем называть ионосферными волнами. На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало.

За пределами ионосферы плотность газа и электронная плотность уменьшаются и на расстоянии, равном 3—4,5 радиусам земного шара, атмосфера Земли переходит в космическое пространство, где газ полностью ионизирован, плотность протонов равна плотности электронов. Условия распространения радиоволн в космосе близки к условиям распространения в свободном пространстве. Таким образом, оказывается возможным рассматривать раздельно влияние на распространение радиоволн земной поверхности, тропосферы, ионосферы и космического пространства.

Когда один из корреспондентов находится на Земле, диапазон длин волн, пригодных для связи с космическим объектом, определяется условиями прохождения через атмосферу Земли. Т. к. радиоволны, частота которых < МПЧ (5—30 Мгц), не проходят через ионосферу, а волны с частотой > 6—10 Ггц поглощаются в тропосфере, то волны от космического объекта могут приниматься на Земле при частотах от ~ 30 Мгц до 10 Ггц. Однако и в этом диапазоне атмосфера Земли не полностью прозрачна для радиоволн. Вращение плоскости поляризации при прохождении через ионосферу при приёме на обычную антенну приводит к потерям, которые уменьшаются с ростом частоты. Только при частотах > 3 Ггц ими можно пренебречь (рис. 1). Эти условия определяют диапазон радиоволн для дальней связи на УКВ при использовании спутников.

Зависимость потерь энергии за счет вращения плоскости поляризации волны от частоты для трех значений угла возвышения b

Рис.1.

Для связи с объектами, находящимися на др. планетах, необходимо учитывать поглощение и в атмосфере этих планет. При осуществлении связи между 2 космическими кораблями, находящимися вне атмосферы планет, особенное значение приобретают миллиметровые и световые волны, обеспечивающие наибольшую ёмкость каналов связи.

 

Литература

1. Физическая энциклопедия под ред. А.М. Прохоров. – М.: Большая Российская энциклопедия. Т.4., 1994. 704 с., ил.

2. Альперт Я. Л., Распространение электромагнитных волн и ионосфера. — М., 1972.

3. Чернов Л. А., Распространение волн в среде со случайными неоднородностями. — М., 1958.

4. Гинзбург В. Л., Распространение электромагнитных волн в плазме, М., 1967.

Передача данных с помощью лазерной указки

     Преимущества  лазерного  канала  перед  радиоканалом  заключаются  в  том,  что  он,  во – первых,  не  создаёт  радиопомех;  во – вторых, является  более  конфиденциальным;  в – третьих,  может  применяться  в  условиях  воздействия  высокого  уровня  электромагнитных  излучений.

     Принципиальная  схема  передатчика  представлена  на  Рис.1. Передатчик  состоит  из  шифратора  команд,  выполненного  на    микроконтроллере  ATtiny2313  (DD1),  выходного  блока – на  транзисторах  ВС847В  (VT1, VT2)  и  интерфейса  RS-232,  который, в  свою  очередь,  состоит  из  разъёма  DB9-F  (на  кабель)  (ХР1)  и  преобразователя  уровней – на  MAX3232  (DD3).

Рис. 1 — Схема передатчика 1

     Цепь  сброса  микроконтроллера  состоит  из  элементов  DD2  (CD4011B), R2, C7. Выходной  блок  представляет  собой  электронный  ключ,  выполненный  на  транзисторе  VT1,  в  коллекторную  цепь  которого  через  ограничитель  тока  на  транзисторе  VT2  включена  лазерная  указка. Питание  передатчика  осуществляется  постоянным  стабилизированным  напряжением  9 – 12 В. Микросхемы  DD1,  DD2,  DD3  питаются  от  напряжения  5В,  которое  определяется  стабилизатором  78L05  (DA1).

     Контроллер  DD1  запрограммирован  в  среде  BASCOM,  что  позволяет  подавать  ему  команды  с  персонального  компьютера  (ПК)  через  интерфейс  RS-232,  с  терминала  Bascom,  используя  функцию  «эхо».

     Микроконтроллер  имеет  тактовую  частоту  4Мгц  от  внутреннего  генератора. Пачки  импульсов  частотой  около  1,3 Кгц  с  вывода  ОС0А  (РВ2)  поступают  на  выходной  блок. Количество  импульсов  в  пачке  определяется  номером  команды,  поступившей  с  ПК.
     Для  ввода  команды  необходимо  нажать  на  клавиатуре  ПК  любую  клавишу,  затем  при  появлении  надписей  «Write  command»  и  «Enter  №1…8»  ввести  цифру  от  1  до  8  и  нажать  клавишу  «Enter».

     Программа  для  микроконтроллера  передатчика  «TXlaser»  состоит  из  основного  цикла  (DO…LOOP)  и  двух  подпрограмм  обработки  прерываний:  по  приёму  (Urxc)  и  по  переполнению  таймера 0  (Timer0).

     Для  получения  выходной  частоты  1,3 КГц  таймер  сконфигурирован  с  коэффициентом  деления  частоты  (Prescale) = 1024. Кроме  того, счёт  начинается  с  нижнего  значения  Z = 253  (при  высоком  уровне  на  РВ2)  и  доходит  до  255. Происходит  прерывание  по  переполнению  таймера,  при  обработке  которого  осуществляется  переключение  вывода  РВ2, а  таймеру  вновь  задаётся  значение  Z = 253. Таким  образом,  на  выходе  РВ2  появляется  сигнал  частотой  1,3 КГц  (см. Рис.2). В  этой  же  подпрограмме  количество  импульсов  на  РВ2  сравнивается  с  заданным,  и  в  случае  их  равенства  таймер  останавливается.

Рис. 2 — Диаграммы

     В  подпрограмме  обработки  прерывания  по  приёму  задаётся  количество  импульсов,  которое  необходимо  передать (1 – 8). В случае,  если  это  количество  будет  больше  8,  в  терминал  выдаётся  сообщение  «ERROR».

     Во  время  работы  подпрограммы  на  выводе  PD6  присутствует  низкий   уровень  (светодиод  HL1  выключен),  а  работа  таймера  остановлена.
     В  основном  цикле  на  выводе  PD6 – высокий  уровень,  и  светодиод   HL1  включён.
     Текст  программы  «TXlaser»:

$regfile = «attiny2313a.dat»
$crystal = 1000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$framesize = 32

Config Pind.0 = Input              'UART — RxD
Config Portd.1 = Output            'UART — TxD
Config Portd.6 = Output            'светодиод HL1
Config Portb.2 = Output            'выход OC0A

'конфигурац.таймера0-коэфф.деления=1024:
Config Timer0 = Timer , Prescale = 1024
Stop Timer0                        'останов таймера

Dim N As Byte                      'определение переменных                     '
Dim N0 As Byte

Const Z = 253                      'нижниий предел счёта таймера для вых.частоты=1,3КГц
Timer0 = Z

On Urxc Rxd                        'подпрограмма обраб.прерывания по приёму
On Timer0 Pulse               'подпрограмма обраб.прерывания по переполнению

Enable Interrupts                  'разрешение прерываний
Enable Urxc
Enable Timer0

Do                                 'основной цикл
 Set Portd.6                       'включение светодиода HL1
Loop

Rxd:                               'подпрограмма обработки прер.

по приёму
Reset Portd.6                      'выключение светодиода
Stop Timer0
M1:
Print «Write commad»
Input «Enter № 1…8:» , N0        'ввод команды
If N0 > 8 Then                     'ограничение номера команд
Print «Error»
Goto M1
End If
N0 = N0 * 2
N0 = N0 — 1                        'заданное значение кол-ва импульсов в пачке
Toggle Portb.2
Start Timer0                       'запуск таймера
Return

Pulse:                             'подпрограмма обработки прерыв.по переполнению
Stop Timer0
Toggle Portb.2
Reset Portd.6                      'выключение светодиода
Timer0 = Z
N = N + 1                          'приращение кол-ва импульсов
If N = N0 Then                     'если число импульсов = заданному
N = 0
N0 = 0
Waitms 500                         'задержка 0,5с
Else
Start Timer0                       'иначе, продолжить счёт
End If
Return
End                                'end program 

     Передатчик  выполнен  на  печатной  плате  размерами  46х62  мм  (см. Рис.3). Все  элементы,  кроме  микроконтроллера,  SMD – типа. Микроконтроллер  ATtiny2313  применён  в  корпусе  типа  DIP. Его  рекомендуется  располагать  в  панели  для  DIP  микросхем  TRS  (SCS) – 20,  чтобы  иметь  возможность  «безболезненно»    перепрограммировать.

Рис. 3 — Плата передатчика 1

     Печатная  плата  передатчика  TXD.PCB  находится  в  папке  «FILE  PCAD».
     Принципиальная  схема  приёмника  лазерного  канала  представлена  на  рис.4.

Широкополосный Интернет в космосе уже реальность

На  входе  первого  усилителя  DA3.1  (LM358N)  фильтр  низкой  частоты,  образованный  элементами  СЕ3, R8, R9  и  имеющий  частоту  среза  1КГц,  ослабляет  фоновые  помехи  50 -100 КГц  от  осветительных  приборов. Усилители  DA3.2  и  DA4.2  усиливают  и  увеличивают  длительность  принятых   импульсов   полезного  сигнала. Компаратор  на  DA4.1  формирует  выходной  сигнал  (единица),  который  поступает  через  инверторы  микросхемы  CD4011D  (DD2) —  DD2.1,  DD2. Cигнал  синхронно  приходит  на  контакты  микроконтроллера  ATtiny2313  (DD1) – T0  (PB4)  и  РВ3. Таким  образом,  Timer0, работающий  в  режиме  счёта  внешних  импульсов  и  Timer1,  отмеряющий  время  этого  счёта, запускаются  синхронно. Контроллер  DD1, выполняющий  функцию  дешифратора,  отображает  принятые  команды  1…8  установкой  лог.1  на выводах  PORTB  соответственно  РВ0…РВ7,  при  этом  приход  последующей  команды  сбрасывает  предыдущую. При  приходе  команды  «8»  на РВ7 появляется лог.1,  которая  с  помощью  электронного  ключа  на  транзисторе  VT1,  включает  реле  К1.

Рис. 4 — Схема приемника 1

     Питание  приёмника  осуществляется  постоянным  напряжением  9 -12В. Аналоговая  и  цифровая  части  питаются  от  напряжений  5В,  которые  определяются  стабилизаторами  типа  78L05   DA5  и  DA2.

     В  программе  «RXlaser»  Timer0  сконфигурирован, как  счётчик  внешних  импульсов,  а  Timer1,  как  таймер,  считающий  период  прохождения  максимально   возможного  количества  импульсов  (команда  8).

     В  основном  цикле  (DO…LOOP)  Timer1  включается  при  принятии  первого  импульса  команды  (К=0),  происходит  сброс  условия  разрешения включения  таймера  Z=1.
     В  подпрограмме  обработки  прерывания  по  совпадению cчёта  Timer1  со  значением  максимально  возможного  счёта  считывается  и  устанавливается  в  PORTB  номер  команды. Устанавливается  так  же  условие  разрешения  включения  Timer1-  Z=0.
     Текст  программы  «RXlaser» :

$regfile = «attiny2313a.dat»
$crystal = 4000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$framesize = 32

Ddrb = 255                         'PORTB-все выхода
Portb = 0
Ddrd = 0                           'PORTD-входа
Portd = 255                        'подтяжка PORTD
Config Timer0 = Counter , Prescale = 1 , Edge = Falling       'как счётчик импульсов
Config Timer1 = Timer , Prescale = 1024 , Clear Timer = 1       'как таймер
Stop Timer1
Timer1 = 0
Counter0 = 0

'определение переменных:
Dim X As Byte
Dim Comm As Byte
Dim Z As Bit
Dim K As Bit

X =80
Compare1a = X                      'кол-во имп. в регистре совпадения
Z = 0

On Compare1a Pulse                 'подпрограмма прерывания по совпадению

Enable Interrupts                  'разрешение прерываний
Enable Compare1a

Do                                 'основной цикл
  If Z = 0 Then                    'первое условие включения таймера
  K = Portd.3
  If K = 0 Then                    'второе условие включения таймера
  Start Timer1
  Z = 1
  End If
  End If
Loop

Pulse:                             'подпрограмма обраб.прерыв.по совпадению
Stop Timer1
Comm = Counter0                    'считывание из счётчика внешних импульсов
Comm = Comm — 1                    'определение номера бита в порту
Portb = 0                          'обнуление порта
Set Portb.comm                     'установка бита,соответ.номеру команды
Z = 0
Counter0 = 0
Timer1 = 0
Return
End                                'end program

     Программы «TXlaser» и «RXlaser» находятся в папке Lazer_prog.

     Приёмник  расположен  на  плате  размерами  46х62 мм  (см. Рис 5). Все  компоненты – SMD  типа,  за  исключением  микроконтроллера,  который  необходимо  разместить  в  панели  для  микросхем  DIP  типа  TRS(SCS) – 20.

Рис. 5 — Плата приемника 1

     Настройка  приёмника  сводится  к  установке  сквозного  коэффициента  передачи  и  порога  срабатывания  компаратора. Для  решения  первой  задачи  необходимо  подключить  осциллограф  к  выводу  7  DA4.2  и  подбором  величины  R18  установить  такой  сквозной  коэффициент  передачи,  при  котором  максимальная  амплитуда  шумовых  выбросов, наблюдаемых  на  экране,  не  будет  превышать  100 мВ. Затем  осциллограф  переключается  на  вывод  1  DA4.1  и  подбором  резистора  (R21)  устанавливается  нулевой  уровень  компаратора. Включив  передатчик  и  направив  луч  лазера  на  фотодиод,  необходимо  убедиться  в  появлении  прямоугольных импульсов  на  выходе  компаратора.
     Печатная  плата  приёмника  RXD.PCB  находится  также  в  папке  FILE  PCAD.

     Повысить  помехозащищённость  лазерного  канала  возможно  с помощью  модуляции  сигнала  поднесущей   частотой  30 – 36 КГц.

Модуляция  пачек  импульсов  происходит  в  передатчике,  приёмник  же  содержит   полосовой  фильтр  и  амплитудный  детектор.

    Схема  такого  передатчика  (передатчик 2)  изображена  на  Рис.6. В  отличии  от  рассмотренного  выше  передатчика 1  передатчик 2  имеет  генератор  поднесущей,  настроенный  на  частоту  30 КГц  и  собранный  на  слотах  DD2.1,  DD2.4.. Генератор  обеспечивает  модулирование  пачек  положительных  импульсов.

    Рис. 6 — Схема передатчика 2

Приёмник лазерного  канала  с  поднесущей  частотой   (приёмник 2)  собран  на  отечественной  микросхеме  К1056УП1  (DA1). Схема  приёмника  изображена  на  Рис.7. Для  выделения  командных  импульсов  к  выходу  микросхемы  DA1  10  подключены  амплитудный  детектор  с  фильтром  низкой  частоты  и  нормализатор  импульсов,  собранные  на  логических  элементах  DD3.1,  DD3.2,  диодной  сборке  DA3  и  C9,  R24. В  остальном  схема  приёмника 2  совпадает  со  схемой  приёмника 1.

Рис. 7- Схема приемника 2

     Если  вы  хотите  заказать  печатные  платы,  то  сайт  www.Avr.ru  предоставляет  эту  услугу.

Автор andre

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *