Скорость радиоволны в космосе: Скорость радиосигнала в космосе — Dudom — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Космические радиолинии | Публикации | Вокруг Света

Статьи журнала «Вокруг света»

Электромагнитные волны, с помощью которых радиосигнал передается в космическом пространстве, движутся с гигантской скоростью скоростью света. На Земле задержки в передаче почти не ощущаются, а вот с космонавтами на орбите приходится говорить уже с задержкой. Ответ с Луны будет идти полторы секунды, с Марса уже минут шесть. Кроме того, по мере удаления передатчика сигнал стремительно затухает. Как же быть? Проблема тяжелая, но решаемая.

Сегодня самый удаленный космический объект, с которым поддерживается радиоконтакт, это американская автоматическая межпланетная станция «Вояджер-1», запущенная 5 сентября 1977 года. В августе прошлого года она преодолела рубеж 100 астрономических единиц (15 миллиардов километров) и вплотную подошла к границе Солнечной системы. Радиосигнал с такого расстояния идет около 14 часов.

«Вояджер-1» самая далекая космическая станция, с которой поддерживается связь

Информация с «Вояджера» на Землю передает жестко скрепленная с корпусом параболическая антенна диаметром 3,65 метра, которая должна быть сориентирована точно на родную планету. Через нее на частотах 2295 МГц и 8418 МГц шлют сигналы два радиопередатчика мощностью по 23 ватта. Для надежности каждый из них дублирован. Большая часть данных транслируется на Землю со скоростью 160 бит/с это всего раза в три-четыре быстрее, чем скорость набора текста профессиональной машинисткой и в 300 раз медленнее телефонного модема. Для приема сигнала на Земле используется 34-метровые антенны сети дальней космической связи NASA, но в некоторых случаях задействуются самые большие 70-метровые антенны, и тогда скорость удается поднять до 600 и даже 1400 бит/с. По мере удаления станции ее сигнал слабеет, но еще важнее то, что постепенно снижается мощность радиоизотопных генераторов, которые питают передатчики. Ожидается, что станция сможет передавать научные данные еще по крайней мере 10 лет, после чего связь с ней прекратится.

Уже из этого описания видно, что космическая радиосвязь зависит от множества различных факторов: дальности, мощности передатчика, размеров бортовой и наземной антенн, длины волны, качества приемопередающей электроники, помех, шумов, поглощения сигнала в окружающей среде и даже от скорости движения космического аппарата.

Радиомалыши
Связь с космическими аппаратами поддерживают не только профессионалы, но и любители. Первый американский радиолюбительский спутник OSCAR-1 был запущен уже в 1961 году, а в 1969-м в США появилась и общественная спутниковая радиолюбительская организация AMSAT (AMateur SATellite). В СССР первые радиолюбительские аппараты «Радио-1» и «Радио-2» были запущены 26 октября 1977 года. Заядлыми радиолюбителями являются многие космонавты и астронавты. Космонавт Муса Манаров, например, первым вышел на связь в любительском диапазоне с борта орбитальной станции «Мир». На Международной космической станции тоже есть коротковолновая радиостанция, и в часы отдыха экипаж иногда выходит на связь с радиолюбителями разных стран.

А около 10 лет назад из спутникового радиолюбительства возникло новое бурно развивающееся направление «студенческие» спутники. Как оказалось, участие студенческих групп в создании космических аппаратов очень эффективный способ подготовки квалифицированных кадров для космической и других высокотехнологичных отраслей промышленности.

Тонна киловатт кубометр

Принцип действия радиосвязи состоит в том, что колебания тока в антенне передатчика создают в окружающем пространстве электромагнитные волны, которые, двигаясь со скоростью света, достигают антенны приемника и возбуждают в ней переменный электрический ток. Этот наведенный ток очень слаб, но если настроить приемник точно в резонанс с частотой радиоволны, то даже слабое ее воздействие может раскачать в антенне вполне заметные колебания. Затем их усиливают, анализируют и извлекают переданную информацию.

Радиоволны различных диапазонов по-разному проходят через земную атмосферу. Для космической связи оптимален диапазон от 1,5 до 30 сантиметров. За пределами этого окна радиосигнал заметно ослабляется в атмосфере или даже может от нее отразиться. На более коротких волнах потери энергии растут за счет поглощения молекулами воды и кислорода в тропосфере, а на более длинных волнах прохождению сигнала все сильнее мешает ионосфера, которая для волн длиннее 1030 метров становится непреодолимой преградой. Поглощение радиоволн также вызывается дождем и туманом, но, конечно, не в такой мере, как в оптическом диапазоне.

Приемник не улавливает радиоволны, если они слабее его порога чувствительности. Между тем энергия электромагнитных волн падает как квадрат пройденного ими расстояния. Это значит, что сигнал с Марса будет в сотни тысяч раз слабее, чем такой же сигнал, переданный с Луны, а с Плутона еще в тысячу раз слабее. У инженеров есть несколько способов удержать радиосигнал выше порога чувствительности приемника. Самый очевидный увеличить мощность передатчика. На Земле это легко сделать антенны системы дальней космической связи NASA излучают в космос до полумегаватта энергии. А вот на космическом аппарате бюджет энергии жестко ограничен. Ее вырабатывают либо солнечные батареи, либо радиоизотопные генераторы. И для получения большей мощности надо увеличивать их массу. При этом растут также площадь и масса радиаторов, отводящих избыток вырабатываемого тепла. Общая масса аппарата ограничена возможностями ракеты-носителя, а увеличить же массу отдельной системы за счет других чаще всего невозможно. Космические аппараты это очень гармоничные технические комплексы, где все параметры жестко завязаны друг на друга: нельзя серьезно изменить одну систему, не повлияв на параметры других. Сегодня для спутников существует эмпирическая формула: «1 кг, 1 Вт, 1 литр», которая означает, что объем спутника массой в 1 тонну составит около 1 кубометра, а его система энергопитания способна достичь мощности 1 киловатт. К примеру, мощность передатчиков радиолюбительских спутников составляет всего несколько ватт, а современные телекоммуникационные аппараты на геостационарной орбите могут иметь передатчики мощностью несколько киловатт, что позволяет принимать их сигнал небольшими «тарелками» спутникового телевидения.

Если увеличить размер приемной антенны, то можно собрать больше энергии электромагнитной волны и поймать сигнал более слабого передатчика. В космосе размеры антенн обычно не превышают габаритов обтекателя ракеты-носителя, то есть нескольких метров. Хотя в последнее время инженеры научились обходить это ограничение антенны все чаще делают разворачиваемыми. Например, аппараты «Турая» (Thuraya), поддерживающие мобильную спутниковую связь, оснащены 12-метровой антенной, которая разворачивается как зонтик из первоначальной компактной укладки. На Земле для дальней космической связи используются параболические антенны диаметром до 70 метров. Это уже близко к пределу современные конструкционные материалы не позволяют создавать на поверхности Земли намного более крупные подвижные антенны, поскольку они деформируются под собственной тяжестью. В будущем их местом станет околоземная орбита. В невесомости гигантская космическая антенна может быть постепенно собрана из очень легких ажурных элементов.

Простейшие сигналы «простейшего спутника»
Ровно 50 лет назад, 4 октября 1957 года, из космоса впервые был принят радиосигнал искусственного происхождения. Радиомаяк первого спутника транслировал с орбиты в эфир простые короткие сигналы «бип-бип». Передача шла на двух частотах 20 и 40 МГц (длина волны 15 и 7,5 метра), доступных для приема радиолюбителями на Земле. Для них это был знак выдающегося события выхода человечества в космос. Специалисты же вдобавок получали важную телеметрическую информацию периодичность сигналов сообщала о температуре в приборном отсеке, а по прохождению радиоволн через ионосферу определялись физические условия в околоземном пространстве. Первый искусственный спутник поднялся над Землей менее чем на тысячу километров, а химической батареи, питавшей его передатчик, хватило на 22 дня. Спустя полвека, космические аппараты работают в сотни раз дольше и улетают в миллионы раз дальше, чем «простейший спутник» ПС-1. Но даже самые совершенные из них никогда уже не будут первыми.

Критическое звено

Размер антенны важен и еще по одной причине: чем он больше, тем меньше расходится в пространстве пучок радиоволн. Обычная дипольная антенна, как у походной рации, излучает почти одинаково во все стороны, и большая часть энергии теряется зря. Трехметровая параболическая антенна позволяет зажать пучок радиоволн сантиметрового диапазона в пределах угла порядка одного градуса, что дает выигрыш в мощности в десятки тысяч раз. Но при этом возникает необходимость точно нацеливать антенну на Землю. Если откажет система ориентации, связь с аппаратом прервется. Именно так погибла советская межпланетная станция «Фобос-1». В 1989 году на подлете к Марсу она получила неверную команду с Земли, в результате чего произошел сбой в работе бортового компьютера, аппарат потерял ориентацию, солнечные батареи отвернулись от Солнца, а параболическая антенна от Земли. Операторы безуспешно пытались наладить контакт со станцией.

Таким образом, связь это критическое звено во всех межпланетных миссиях. Отказ других систем часто удается обойти, пусть иногда и ценой потери части научных данных. Но если рвется связь с Землей, то даже исправный в остальных отношениях аппарат фактически перестает для нас существовать. Поэтому коммуникационная система должна быть исключительно надежна и на всех современных космических аппаратах она как минимум продублирована. При сбоях, которые в большинстве случаев приводят к потере ориентации аппарата или его переводу в режим закрутки, низкоскоростная система связи через всенаправленную антенну передаст на Землю параметры состояния бортовых систем и обеспечит прием команд управления. Когда работоспособность аппарата будет восстановлена, связь пойдет через быстрый канал передачи информации.

Впрочем, ненаправленная антенна используется не только при нештатных ситуациях. Во время длительных межпланетных перелетов, когда станция пребывает в «спящем» режиме, поддерживать связь по высокоскоростному каналу невыгодно информации мало, а сохранение точной ориентации требует пусть и небольшого, но постоянного расхода топлива. С другой стороны, в сложных межпланетных миссиях к ориентации аппарата могут предъявляться многочисленные противоречивые требования: повернуть солнечные батареи к свету, двигатель соответственно производимому маневру, научную аппаратуру на изучаемый объект. А если надо еще, например, правильно сориентировать отделяющийся спускаемый аппарат или защитный экран, предохраняющий от воздействия космической пыли, то связь по узконаправленному каналу в какие-то моменты приходится разрывать. В это время научные данные записываются в память бортового компьютера, а по медленному резервному каналу связи передается только жизненно важная телеметрическая информация. Если в нужный момент аппарат не сможет сам восстановить быстрый канал связи, ему помогут с Земли, отправив нужные команды, используя низкоскоростной канал.

Хорошим примером может служить японский исследовательский зонд «Хаябуса» (Hayabusa), взявший в ноябре 2005 года пробы грунта с астероида Итокава. Из-за ошибок в навигации он совершил незапланированную посадку на поверхность астероида. После взлета вышла из строя система ориентации и существовала реальная опасность потерять аппарат. Однако многократно резервированная и гибкая система связи, имеющая несколько типов антенн и передатчиков, позволила восстановить связь с межпланетной станцией. Вместо отказавшей системы ориентации (из нее испарилось топливо) инженеры решили использовать для поворотов зонда ксенон (рабочее тело маршевого ионного двигателя), понемногу стравливая его через клапаны, выполнение задания продолжилось.

Другой пример европейский зонд «Гюйгенс», который в январе 2005 года совершил посадку на поверхность спутника Сатурна Титана. У аппарата имелось два независимых канала связи для параллельной передачи на разных частотах уникальных снимков и другой информации, получаемой в ходе спуска в атмосфере Титана. Первоначально планировалось, что эти каналы будут для надежности полностью дублировать друг друга, но потом их решили использовать независимо, чтобы увеличить объем получаемой информации. Однако жадность до добра не доводит из-за ошибки в программе управления один из каналов просто не включился. В результате пропала половина из 700 сделанных снимков, а также данные о скорости ветра в атмосфере спутника. Конечно, и полученных снимков хватило, чтобы сделать множество открытий, а данные о ветре удалось восстановить с помощью земных радиоастрономических сетей благодаря уникальной наблюдательной кооперации. Но только подумайте, что бы случилось, будь отказавший канал связи единственным!

Австралийский узел сети дальней космической связи NASA. Вдали 70-метровая параболическая антенна, перед ней две 34-метровые

Звонок с космической станции
Вращающиеся на низкой околоземной орбите (до 1000 километров) аппараты попадают в поле зрения одной станции управления только несколько раз в сутки (обычно 46) и всего на несколько минут, поэтому им программа работы задается сразу на несколько часов или дней вперед. Чтобы увеличить количество сеансов связи, на Земле ставят больше станций, располагая их на существенном удалении друг от друга. В советское время существовал даже специальный космический флот, суда которого работали в разных частях света, обеспечивая связь со спутниками, пилотируемыми космическими кораблями. Если с низколетящим аппаратом требуется непрерывная связь, сигнал передается на него через спутники-ретрансляторы на геостационарной орбите. Трех таких аппаратов, неподвижно висящих над экватором на высоте 36 тысяч километров, достаточно, чтобы охватить практически всю территорию Земли за исключением полярных районов. Например, связь с Международной космической станцией и американскими космическими челноками «Спэйс Шаттл» происходит через американские спутники-ретрансляторы TDRS (хотя связь через наземные станции тоже используется). Благодаря этому экипаж может связаться с ЦУПом в подмосковном городе Королеве и в американском Хьюстоне, а также звонить домой и пользоваться электронной почтой. Подобная система существовала и в нашей стране. Контакт со станцией «Мир» на так называемых «глухих витках» поддерживался через геостационарный космический аппарат «Луч». Сейчас ведутся работы над системой «Луч» нового поколения.

Шум и скорость

Главный параметр любой системы связи скорость передачи информации. Она определяется не столько мощностью сигнала, сколько соотношением его амплитуды с шумами, которые мешают приему. Шум возникает в аппаратуре приемника и передатчика из-за теплового движения атомов. А в космическом радиоэфире «шумит» реликтовое микроволновое излучение, оставшееся от Большого взрыва. Собственно, его и открыли в 1964 году случайно, в попытках избавиться от непонятного шума в новой антенне, на которой изучались возможности космической связи.

Шум отфильтровывается статистически за счет его случайного характера. Он равновероятно вызывает в антенне движение тока то в одну, то в другую сторону. В среднем за длительное время его вклад будет нулевым. Но чем слабее сигнал по отношению к шуму, тем дольше нужно вести прием и осреднение, чтобы отфильтровать шум. Сегодня космическая информация передается в цифровом виде, то есть последовательностями нулей и единиц битов. Чем хуже отношение сигнал/шум, тем больше времени уходит на передачу каждого бита. Если попытаться форсировать передачу, сообщения станут приниматься с ошибками. Поэтому, чем дальше от нас находится аппарат, чем слабее его сигнал, тем медленнее идет с ним обмен информацией.

Впрочем, ошибки с некоторой вероятностью возникают при любой скорости передачи. Причиной могут быть редкие сильные флуктуации шума, сбои аппаратуры, но чаще всего помехи от посторонних источников, например, от статических микроразрядов в аппаратуре, радиоизлучения молний, земных радиопередатчиков. Сломанная микроволновая печь в окрестностях приемной антенны сойдет в радиоэфире за сигнал внеземной цивилизации. Чтобы избавиться от длительных помех, передачу информации дублируют на разных частотах. А от коротких импульсных помех, которые искажают несколько битов в передаче, спасают особые методы кодирования, позволяющие выявлять и даже автоматически исправлять ошибки.

При проектировании системы космической связи также необходимо принимать во внимание скорость движения аппарата. От нее зависит доплеровский сдвиг частоты радиосигнала. Вариации скорости относительно Земли в некоторых случаях, например при полете к быстро движущемуся по своей орбите Меркурию, могут достигать 100 км/с это три сотых процента скорости света. На столько же смещаются и частоты сигналов. Если этот эффект не учесть, приемный контур может не попасть в резонанс с несущей частотой передатчика, и его чувствительность резко упадет. Вместе с тем по доплеровскому сдвигу частоты сигнала можно с высокой точностью определить скорость движения космического аппарата вдоль луча зрения. Поэтому системы связи широко используются для контроля точности выполняемых в космосе маневров. И, кстати, скорости дующих на спутнике Сатурна ветров удалось определить именно по изменению частоты ультрастабильного передатчика зонда «Гюйгенс» во время его парашютного снижения в атмосфере Титана.

Лазер сигналит с Марса
Самой высокой скоростью межпланетной передачи данных может сегодня похвастаться аппарат Mars Reconnaissance Orbiter, вышедший на орбиту Марса 10 марта 2006 года. Он оснащен 100-ваттным передатчиком с трехметровой параболической антенной и может передавать информацию на скорости до 6 мегабит в секунду. Доставить к Марсу более крупный и мощный передатчик пока затруднительно. Однако есть принципиально иной подход к увеличению скорости передачи данных использовать вместо радиоволн оптическое излучение. Длина волны лазерного излучения в десятки тысяч раз меньше, чем в радиодиапазоне. Поэтому расходимость лазерного луча получается значительно меньшей. Это позволит существенно поднять скорость передачи данных при более низком энергопотреблении. Но у лазерной связи есть и недостатки: она нуждается в более точном нацеливании передатчика, и, кроме того, на ее работоспособность существенным образом влияют погодные условия, в первую очередь облака. Поэтому межпланетная лазерная связь будет, скорее всего, поддерживаться с орбитальных аппаратов. Впервые лазерная связь в космосе была осуществлена 21 ноября 2002 года. Европейский спутник дистанционного зондирования Земли SPOT 4, находящийся на орбите высотой 832 километра, установил контакт с экспериментальным космическим аппаратом Artemis, обращающимся на высоте 31 000 километров и передал снимки земной поверхности. А недавно Лаборатория Линкольна в Массачусетсском технологическом институте (MIT) совместно с NASA приступила к разработке лазерной системы дальней космической связи. Первый тестовый коммуникационный лазер планируется отправить к Марсу в 2009 году. Ожидается, что этот 5-ваттный передатчик в период сближения планет обеспечит скорость передачи данных до 30 мегабит в секунду.

Интеллект против расстояний

4,8-метровая антенна станции «Галилео» не раскрылась в полете. Все 8 лет работы в системе Юпитера станцию связывал с Землей ненаправленный канал со скоростью лишь 160 бит/с вместо ожидавшихся 134 Кбит/с

Специфическая проблема в управлении космическими аппаратами связана с задержкой распространения радиоволн на огромных межпланетных расстояниях. Обмен сигналами с Луной занимает больше 2 секунд. Сможете ли вы проехать даже по хорошо знакомой местности, если дорогу будете видеть с задержкой на секунду, а на повороты руля машина станет реагировать еще через секунду? Между тем именно в таких условиях шло управление с Земли советскими «Луноходами». До Марса радиосигнал идет от 3 до 22 минут в зависимости от положения планеты на орбите. При такой задержке невозможно оперативно вмешаться с Земли в такие ответственные этапы миссии, как коррекция траектории полета, выход аппарата на орбиту вокруг планеты, его вхождение в атмосферу, да и движением по поверхности управлять непросто. Поэтому межпланетные аппараты становятся все более интеллектуальными и независимыми от контроля с Земли. Например, одной из основных задач зонда «Хаябуса» была отработка методов автономной навигации с использованием ионных двигателей.

Очень «умными» являются работающие на Марсе американские планетоходы Opportunity и Spirit. В отличие от советских «Луноходов», управление которыми осуществлялось оператором с Земли практически в режиме реального времени, на борт марсоходов обычно отправляют только координаты цели, куда они должны добраться. Бортовой компьютер, обработав стереоскопические снимки местности, самостоятельно оценивает размер валунов, расстояние между ними, наклон поверхности и по этим данным прокладывает путь. Прошлым летом специалисты NASA обновили программное обеспечение марсоходов залили новую прошивку, говорят компьютерщики. Это повысило их автономность. Кроме того, чтобы не перегружать канал связи, марсоходы теперь сами оценивают, насколько интересны сделанные снимки, и определяют какие из них и в какой очередности передавать на Землю.

Межпланетный интернет

Небольшие планетоходы и спускаемые аппараты неудобно, а иногда и невозможно оснащать полноценной системой дальней космической связи. На них просто негде поместить направленную антенну, да и удерживать направление на Землю при спуске в атмосфере или езде по незнакомой поверхности почти невозможно. В таких случаях сигналы передаются ненаправленной антенной и ретранслируются на Землю находящимся поблизости более мощным аппаратом. По такой схеме работали, например, советские станции «Венера». Европейский зонд «Гюйгенс» ретранслировал сигнал через американскую станцию «Кассини», которая доставила его к Титану. Работа с марсоходами Opportunity и Spirit на 85% осуществляется через орбитальный аппарат «Марс Одиссей» (остальное напрямую через медленную ненаправленную антенну). Все это напоминает организацию беспроводных систем связи на Земле: сотовый телефон или ноутбук с поддержкой Wi-Fi связывается с базовой станцией, а уже оттуда становится доступна вся инфраструктура связи.

Последние несколько лет специалисты NASA работают над внедрением в космических проектах единого протокола передачи данных, который позволит разнотипным аппаратам свободно обмениваться между собой информацией. Унификация должна значительно повысить надежность связи при активном освоении Луны и Марса. Например, при сбое на одном орбитальном ретрансляторе находящийся на поверхности аппарат сможет оперативно подключиться к другому. Да и просто наличие на орбите нескольких коммуникационных аппаратов позволит непрерывно поддерживать быструю связь с Землей, тогда как сейчас она ограничена лишь теми периодами, когда спутник-ретранслятор виден над горизонтом.

Многие специалисты склоняются к тому, чтобы новым универсальным форматом или его прототипом стал отлично зарекомендовавший себя в компьютерных сетях протокол TCP/IP, который лежит в основе Интернета. Так что, возможно, мы в скором времени станем свидетелями распространения Интернета на межпланетные просторы. Впрочем, на первых порах неавторизованные пользователи вряд ли смогут зайти на лунный или марсианский веб-сервер, чтобы скачать там свежие снимки, сделанные планетоходами, или посмотреть на окружающий ландшафт через космическую веб-камеру. Все же пропускная способность межпланетных каналов пока слишком мала для таких развлечений.

Главной проблемой космического интернета остаются задержки с доставкой информационных пакетов. Даже при обычном выходе в Интернет через спутник сигналу надо пройти 72 тысячи километров до геостационарной орбиты и обратно, что занимает около четверти секунды. Добавьте такую же задержку при ответе, и станет ясно, что по спутниковому интернету вы вряд ли сможете поиграть в динамичные игры-шутеры. Что же касается межпланетных расстояний, то здесь стандартные протоколы Интернета, в том виде, в каком они используются в наземных линиях, вообще не годятся. В них не предусмотрена возможность получасового ожидания ответа сервера. Большинство программ просто диагностирует ошибку тайм-аута недопустимое время ожидания, говорящее о потере связи. В NASA уже несколько лет трудятся над модернизированными протоколами связи, учитывающими специфику межпланетного интернета. Некоторые из этих протоколов уже работают на борту марсоходов Spirit и Opportunity, другие еще «доводятся» на Земле.

За пределы солнечной системы

Сегодня коммуникационные возможности человечества ограничены Солнечной системой. На межзвездных расстояниях для связи с аппаратом класса «Вояджер» мощность наземного передатчика должна составлять миллиарды киловатт, что сравнимо с общим производством электроэнергии на Земле. Менее прожорливой межзвездную связь могут сделать антенны диаметром несколько километров. Такие масштабные конструкции, скорее всего, будут строиться и размещаться на орбите. Подобные решения кажутся фантастическими, но нереальными их назвать нельзя. Человечество уже учится создавать в космосе сборные крупногабаритные конструкции. Например, размеры строящейся на орбите Международной космической станции приближаются к сотне метров. И все же самой большой проблемой для связи на межзвездных расстояниях будет оставаться время путешествия сигнала. Даже до ближайшей к Солнцу звезды сигнал дойдет только через 4,2 года после отправки, и еще столько же времени придется ждать ответа.

А пока попытки межзвездной связи остаются односторонними, в их числе нельзя не упомянуть эксперимент с почтовой связью. На обоих «Вояджерах» помещены медные позолоченные диски диаметром около 30 сантиметров, на которых записаны звуки и изображения, дающие представление о жизни на Земле. Простые диаграммы на поверхности диска символически показывают происхождение космического аппарата и дают инструкции, как проигрывать диск. Правда, межзвездная почта работает небыстро, доставка посылок в другую планетную систему займет минимум 40 тысяч лет.

Анатолий Копик

Особенности распространения радиоволн на космических линиях связи

Библиографическое описание:

Курангышев, А. В. Особенности распространения радиоволн на космических линиях связи / А. В. Курангышев, А. В. Дедушкин, А. В. Казначеев. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 3 (107). — С. 133-135. — URL: https://moluch.ru/archive/107/25611/ (дата обращения: 29.03.2023).

В статье рассматриваются особенности распространения радиоволн на космических линиях связи. Представлены результаты расчета скорости вращения вектора напряженности электрического поля в зависимости от частоты сигнала. Приведены результаты расчета возможного доплеровского сдвига частоты при связи с космическим аппаратом «Вояджер-1», запущенным в сентябре 1977 года.

Ключевые слова: эффект Доплера, доплеровский сдвиг, космические аппараты КА, ослабление сигнала, линия связи, «Вояджер-1».

С появлением первого радио, изобретенного А. С. Поповым в 1895 году, трудно даже было представить человечеству, как сильно это повлияет на жизнь человечества. Именно благодаря радиосвязи улучшилась система оповещения народа о чрезвычайных ситуациях, а с первых дней Великой Отечественной войны она стала важнейшим средством оперативного управления войсками и информирования населения огромной страны. С помощью радиосвязи в недавнее время также появилась возможность дистанционного управления устройствами, роботами, машинами и т. д. Возможности использования свободно распространяющейся электромагнитной волны в современном мире безграничны.

В последние десятилетия наблюдается бурное стремление изучить космическое пространство с помощью дистанционно управляемых космических кораблей. В связи с этим все чаще теряются в межзвездном пространстве космические аппараты КА (зонды), предназначенные для изучения комет, планет и других космических объектов. Все эти потери губительно сказываются на состоянии государства. Чтобы минимизировать частые потери связи при дистанционном управлении объектов решается целый круг научно-технических задач. Многие из них связаны с особенностями распространения радиоволн в околоземном пространстве, межзвездном газе и атмосфере других планет солнечной системы.

Ослабление сигнала в Земной атмосфере и межзвездном газе

Общие потери сигнала на любой радиолинии складываются из основных и дополнительных потерь. Основные потери определяются ослаблением в свободном пространстве из-за расхождения лучей по причине сферического фронта волны. Дополнительные потери обусловлены неоднородностью среды, результатом поглощения, изменения первоначальной поляризации волны под действием магнитного поля и т. д. На рис.1 показано преломление радиоволны при излучении в космическое пространство на границе раздела двух сред с различными диэлектрическими проницаемостями .

Рис. 1. Преломление радиоволны за счет перехода из границы раздела сред с различными диэлектрическими проницаемостями

Радиоволны различных диапазонов по-разному проходят через земную атмосферу. Для космической связи оптимален диапазон от 1,5 до 30 сантиметров (ГГц). За пределами этого окна радиосигнал заметно ослабляется в атмосфере или даже может от нее отразиться. На более коротких волнах потери энергии растут за счет поглощения молекулами воды и кислорода в тропосфере, а на более длинных волнах прохождению сигнала все сильнее мешает ионосфера, которая для волн длиннее 10–30 метров становится непреодолимой преградой. Поглощение радиоволн также вызывается дождем и туманом, но, конечно, не в такой мере, как в оптическом диапазоне [2]. Также необходимо учесть, что чем меньше угол вхождения радиоволны в ионосферу, тем малая вероятность обратного отражения от слоя ионосферы (этот эффект уменьшается с ростом частоты).

Как известно, при наличии постоянного магнитного поля Земли, во время распространения в ионосфере волна расщепляется на две волны — обыкновенная и необыкновенная. Они имеют отличительные друг от друга фазовые фронты, приводящие к повороту плоскости поляризации суммарной волны. В результате этого сигнал, принятый линейно поляризованной антенной испытывает поляризационные замирания. В табл. 1 приведены результаты расчета скорости вращения вектора напряженности электрического поля в зависимости от частоты сигнала [1].

Таблица 1

f, МГц

100

200

500

800

1000

2000

3000

5000

, град/с

1,7

0,43

Доплеровский эффект на космической линии связи

Одной из особенностей связи с движущимися объектами (с космическим аппаратом в том числе) является то, что принятые сигналы отличаются по частоте от передаваемых. Это явление получило название «эффект Доплера». Суть его в том, что при передаче сообщения длительностью оно принимается за время . При удалении источника излучения от наблюдателя частота сигнала уменьшается, а при приближении к наблюдателю — увеличивается.

Таким образом, при достаточно больших скоростях движущегося источника излучения относительно приемника возникают доплеровский сдвиг и деформация спектра сигнала. Для компенсации влияния доплеровского эффекта в приемных устройствах применяют системы автоматической подстройки частоты местного гетеродина или в соответствии с орбитой ИСЗ применяют соответствующие поправки в несущую частоту передатчика. К сожалению, ни один из этих методов не способен на высоких скоростях движения небесных тел друг относительно друга устранить искажения спектра сигнала.

В 1977 году был запущен в космическое пространство автоматический зонд «Вояджер-1», исследующий солнечную систему и её окрестности. В данный момент он находится на границе Солнечной системы и вскоре ее покинет. Через несколько лет, по данным от ученых NASA, сигнал станет столь слабым, что принять его уже будет невозможно. На 10 января 2012 года текущая скорость космического путешественника относительно Солнца — 17,0 км/с [3]. Частоты связи, на которых производится передача данных — 2295 и 8418 МГц [4]. Определим возможный сдвиг частоты при связи с этим кораблем.

МГц;

В заключение можно отметить несколько важных аспектов. Во-первых, при правильном выборе рабочих частот на космических радиолиниях ослабление сигнала определяется в основном ослаблением в свободном пространстве. Во-вторых, доплеровский эффект пропорционален частоте сигнала и проявляется все значительней с увеличением скорости движущегося объекта относительно наблюдателя.

Литература:

Л. К. Андрусевич, А. А. Ищук, К. А. Лайко, Антенны и распространение радиоволн: учебник для вузов, Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006.-396 с.
Электронный ресурс, сайт: http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/5956/, дата обращения: 22.01.2016г.

Электронный ресурс, сайт: https://ru.wikipedia.org/wiki/ %D0 %92 %D0 %BE %D1 %8F %D0 %B4 %D0 %B6 %D0 %B5 %D1 %80–1, дата обращения: 23.01.2016г.
Электронный ресурс, сайт: http://informatik-m.ru/2011–06–20–18–25–05/dalnjaja-kosmicheskaja-svjaz-vojadzher-1.html, дата обращения: 23.01.2016г.
М. Ю. Застела, «Основы радиоэлектроники и связи», Казань: ЗАО «Новое знание», 2009.-340 с.

Основные термины (генерируются автоматически): частота сигнала, доплеровский эффект, космическое пространство, ослабление сигнала, Солнечная система, дистанционное управление, доплеровский сдвиг, земная атмосфера, космический аппарат, межзвездный газ.

Ключевые слова

ослабление сигнала, эффект Доплера, доплеровский сдвиг, космические аппараты КА, линия связи, «Вояджер-1»., «Вояджер-1»

эффект Доплера, доплеровский сдвиг, космические аппараты КА, ослабление сигнала, линия связи, «Вояджер-1».

Как быстро распространяются радиоволны в космосе (поясняется в ответах на часто задаваемые вопросы)

Радиоволны играют важную роль в большинстве технологических решений вокруг вас. К сожалению, о них мало кто знает; многие люди даже не знают значения радиоволн. Поэтому существует множество неправильных представлений о радиоволнах и их скорости.

В этой статье вы найдете все, что вам нужно знать о радиоволнах, в том числе о том, как быстро радиоволны распространяются в космосе.

Содержание

Какова скорость радиоволн в космосе?
Что такое радиоволны?
4 основных типа радиоволн
- 1. Низкие и средние частоты
- 2. Более высокие частоты
- 3. Коротковолновое радио
- 4. Самые высокие частоты
Каковы свойства радиоволн?
Часто задаваемые вопросы
- 1. Продолжаются ли радиоволны в космическом пространстве?
- 2. Использует ли Wi-Fi радиоволны? 96 м/с). Это означает, что расстояние, которое радиоволны распространяются за 1 секунду в космосе, составляет 299 792 458 метров (983 571 056 футов). Таким образом, скорость радиоволн намного выше скорости звуковых волн.
  Радиоволны могут проходить через различные среды с разной скоростью. При прохождении через среду скорость радиоволн уменьшается в зависимости от диэлектрической и магнитной проницаемости среды.
  Радиоволны имеют длину волны от 0,04 дюйма до более чем шестидесяти двух миль. По мере удаления этих волн от передающей их антенны их сила уменьшается.
  Что такое радиоволны?
  Вопреки мнению многих людей, радиоволны — это не звук, который вы слышите из динамиков или радиоустройств. То, что вы слышите, это звуковые волны, а не радиоволны.
  По сути, радиоволны — это электромагнитное излучение; поэтому они очень похожи на световую волну. Одно различие между радиоволнами и световыми волнами заключается в том, что вы не можете видеть радиоволны.
  Физик Джеймс Клерк Максвелл предвидел существование радиоволн; он создал известное уравнение Максвелла примерно в 1870-х годах. Позднее свое предсказание радиоволн выдвинул немецкий физик Генрих Герц. Генрих Герц был также первым, кто применил уравнения Максвелла к передаче и приему радиоволн.
  Единица измерения частоты радиоволн была названа Герц (Гц) в честь Генриха Герца.
  4 Основные типы радиоволн
  Радиоволны делятся на несколько различных типов; к ним относятся:
  1. Низкие и средние частоты
  Эти частоты относятся к первому типу в радиочастотном спектре; этот частотный диапазон охватывает чрезвычайно низкие и средние радиоволны.
  ELF означает чрезвычайно низкую частоту, а VLF означает очень низкую частоту; Они работают с частотами от 3 до 30 кГц. Эти частоты считаются самым низким типом радиочастот. Более того, их дальность действия сделала их подходящими для оборудования связи на подводных лодках.
  В частности, они могут проникать в воду и скалы. Следовательно, они широко применялись в пещерах и шахтах.
  2. Более высокие частоты
  Это частоты HF, VHF и UHF. Они широко используются в радиовещании, общественном радио, сотовых телефонах, FM и GPS. Как правило, низкие частоты распространяются дальше и распространяются лучше, чем более высокие частоты.
  3. Коротковолновое радио
  Коротковолновое радио использует частоты в диапазоне от 1,7 МГц до 30 МГц. Они применяются при передаче радиосигналов с коротковолновых станций по всему миру.
  Например, такие станции, как «Голос Америки», «Би-Би-Си» и «Голос России» используют этот частотный диапазон для вещания.
  С другой стороны, короткие волны также широко используются для дальнего вещания.
  4. Самые высокие частоты
  Это СВЧ (сверхвысокая частота) и КВЧ (чрезвычайно высокая частота). SHF широко используется в беспроводных сетях USB, Wi-Fi и Bluetooth; он также используется для радиолокационных целей. В частности, сверхвысокие частоты могут работать только на прямых линиях; это означает, что они отскакивают от любого препятствия.
  Каковы свойства радиоволн?
  Радиоволны обладают очень разными свойствами; к ним относятся:
  - Их длина волны больше, чем у инфракрасного света.
  - Может преодолевать материалы или препятствия.
  - Может путешествовать на большие расстояния.
  - Их нельзя увидеть и не почувствовать.
  - Двигаясь в вакууме со скоростью света.
  - Они могут быть образованы электрическими токами (в том числе молнией).
  - Имеют как электрические, так и магнитные компоненты.
  - Они могут поглощаться, преломляться, отражаться, а также поляризоваться.
  Часто задаваемые вопросы
  1. Продолжаются ли радиоволны в космосе?
  Радиоволны можно использовать для отправки сообщений в космос. НАСА фактически использует их для связи.
  2. Использует ли Wi-Fi радиоволны?
  Wi-Fi, как и другие беспроводные устройства, применяет радиочастоты для передачи сигналов между устройствами. Однако диапазон радиочастот, используемых Wi-Fi, отличается от таких устройств, как автомобильные радиоприемники, сотовые телефоны, метеорологические радиостанции и т. д.
  3. Являются ли радиоволны единственным типом электромагнитных волн?
  Короткий ответ — нет.
  Это не единственные компоненты электромагнитного спектра. Существует несколько других форм электромагнитных волн, в том числе радар, BlueTooth, микроволны, инфракрасное излучение, волны ультрафиолетового света и рентгеновские лучи; все эти компоненты представляют собой электромагнитные волны.
  4. Какой формы радиоволна?
  Как и другие электромагнитные волны, радиоволны выглядят как волны на поверхности океана или волны любого другого типа. Длина волны измеряется расстоянием от вершины пика до соседнего пика.
  5. Каковы некоторые практические применения радиоволн?
  Радиоволны используются для передачи радиосигналов, которые может принимать ваше радио. Кроме того, они также работают в передаче сигналов, которые вы используете для своих смартфонов и телевизоров.
  6. Какая электроника использует радиоволны?
  Существуют устройства, которые используют радиоволны для связи, такие как рации, телепередачи, радиопередачи, сотовые телефоны, беспроводные телефоны, устройства для открывания гаражных ворот, спутники и множество других устройств.
  7. Опасны ли радиоволны мобильного телефона?
  Некоторые исследования показывают, что радиоволны сотовых телефонов могут влиять на метаболизм клеток головного мозга. Однако нет никаких доказательств того, что этот эффект вреден.
  
  Заключение
  Надеюсь, после того, как вы закончите читать эту статью, вы будете достаточно уверены, чтобы ответить, когда кто-то спросит вас «с какой скоростью распространяются радиоволны в космосе» или «распространяются ли радиоволны со скоростью света». ?»
  Спасибо, что прочитали. Пожалуйста, поделитесь этой статьей, если вы считаете ее полезной.
  Амаро Франк
  Привет, я Амаро Франк, редактор и автор контента Wind Up Radio. Работать с Адамом очень весело, поскольку его истории и опыт обогащают мои знания о радиосвязи и радиоаксессуарах. Мои основные задачи в Wind Up Radio — создание контента и создание отличных статей на различные темы, связанные с радиоаксессуарами.
  Как быстро распространяются радиоволны?
  Мы используем радиоволны от телевидения и сотовой связи до навигации и управления воздушным движением. Тем не менее, мы часто не перестаем ценить их и то, насколько они безумно быстры на самом деле. Итак, с какой скоростью распространяются радиоволны?
  Радиоволны беспрепятственно распространяются со скоростью света, потому что они являются частью электромагнитного спектра. Если говорить о милях, это означает, что радиоволны распространяются со скоростью примерно 186 000 миль в секунду или 300 000 000 метров в секунду.
  Если вы любите науку или просто интересуетесь технологиями, облегчающими вашу жизнь, вы обратились по адресу. В разделах ниже мы разберем, как быстро распространяются радиоволны, находятся ли они в космосе или здесь, на Земле. Мы также ответим на интересные вопросы, например, сколько времени требуется радиоволнам, чтобы достичь Луны или Плутона. Итак, давайте просто нырнем прямо сейчас!
  Как быстро распространяются радиоволны в космосе?
  Существует распространенное заблуждение, что радиоволны распространяются в пространстве медленнее, чем в воздухе.
  Правда в том, что радиоволны распространяются со скоростью света даже в космосе. Просто может показаться, что это занимает у них больше времени, потому что космос настолько огромен, что даже свету и радиоволнам требуется значительное время, чтобы пройти через него.
  Есть галактики, которые мы никогда не сможем увидеть, потому что они так далеко от нас, что скорость световых волн не поспевает за расширением Вселенной. То же самое, конечно, справедливо для любых радиоволн, исходящих от цивилизации за пределами наблюдаемой Вселенной.
  Сколько времени требуется радиосигналу, чтобы достичь Плутона?
  Чтобы получить некоторое представление о том, насколько велики расстояния, на которые распространяются радиоволны в космосе, давайте посмотрим, сколько времени им потребуется, чтобы добраться от нашей дружелюбной каменной Земли до карликовой планеты Плутон.
  Радиоволнам требуется около четырех с половиной часов, чтобы добраться от Земли до Плутона. Это потому, что волны должны пройти около трех миллиардов миль, прежде чем достичь места назначения.
  Сколько времени требуется радиосообщению, чтобы добраться с Земли до Луны и обратно?
  Теперь давайте посмотрим на объект, который находится немного ближе. Наша луна. Вопрос в том, сколько времени потребуется радиосообщению, чтобы добраться с Земли до Луны и обратно?
  Радиоволны могут добраться до Луны и обратно в среднем за 2,56 секунды. Поэтому, если бы вы отправили радиоволны в путешествие на Луну и обратно, они вернулись бы в мгновение ока. Они могут сделать это быстро, потому что расстояние от Земли до Луны составляет всего около 238 855 миль. По сравнению с 9.2,5 миллиона миль между Землей и Солнцем — это ничто.
  Сколько времени требуется радиоволнам, чтобы добраться до Солнца?
  Вам может быть интересно, а как же солнце? Сколько времени требуется радиоволнам, чтобы добраться от земли до солнца?
  Радиоволнам требуется восемь минут, чтобы добраться от земли до солнца.
  Это может показаться коротким периодом, но помните, эти волны распространяются со скоростью света. Это просто показывает, насколько невероятно велика наша Солнечная система, не говоря уже о всей Вселенной.
  Насколько быстры радиоволны по сравнению с другими типами?
  Чтобы действительно понять, насколько невероятно быстро распространяются радиоволны, вам просто нужно сравнить их с другими видами волн, такими как звуковые волны и световые волны.
  Ниже мы перечислили два других типа волн и их скорость по сравнению с радиоволнами:
  - Звуковые волны : Радиоволны — это форма электромагнитных волн. Звуковые волны, с другой стороны, представляют собой форму механических волн. Механические волны не так быстры, как электромагнитные волны, потому что они не состоят из света. Следовательно, звуковые волны могут распространяться только со скоростью 1100 футов в секунду. Это далеко от скорости света.
  - Световые волны : Как и радиоволны, световые волны также являются формой электромагнитных волн. Таким образом, световые волны также распространяются со скоростью света. Основное различие между световыми волнами и радиоволнами заключается в их частоте.
  Единственная вещь, которая технически движется быстрее скорости радиоволн или света, вовсе не волна. Единственное, что быстрее скорости света, — это расширение самой Вселенной. Вот почему радиоволны за пределами наблюдаемой Вселенной никогда не достигнут нас.
  - Кто изобрел радио?
  - Сравнение VHF и UHF
  - Создание 40-футовой антенны
  - Что такое двусторонняя радиосвязь?
  - Что такое любительское радио DMR?
  Можем ли мы обнаружить радиоволны от инопланетной цивилизации?
  Давайте закончим на забавной ноте. Поскольку радиоволны могут распространяться так далеко и так быстро, вполне естественно задаться вопросом, сможем ли мы обнаружить радиоволны, испускаемые инопланетной цивилизацией, живущей где-то еще во Вселенной.
  Хотя мы можем обнаружить радиоволны инопланетной цивилизации, следующие факторы делают это менее вероятным:
  - Безбрежность космоса: Трудно даже представить себе, насколько смехотворно велика Вселенная, в которой мы живем. Каждый признак, который у нас есть сейчас, говорит о том, что разумная жизнь относительно редка, поэтому знание того, куда направить наши спутники, похоже на выстрел в темноте.
  - Распространение радиоволн: Настоящая проблема заключается в том, что по мере распространения радиоволны становятся рассеянными и нечитаемыми. Поэтому, если развитая цивилизация находится слишком далеко, будет намного сложнее различить и интерпретировать радиоволны, которые они посылают.
  Были научные проекты, такие как SETI (Поиск внеземного разума), которые направляли спутники в небо в надежде обнаружить сигнал. К сожалению, все обнаруженные ими вещи, которые, казалось, могли принадлежать инопланетянам, оказались таковыми. Тем не менее, будущее не предопределено, так что, возможно, когда-нибудь это будет успешным.
  Насколько быстро распространяются радиоволны?
  Единственное, что быстрее бегущих радиоволн, — это расширение Вселенной. Это потому, что радиоволны на самом деле распространяются со скоростью света или 186 000 миль в секунду.