Дальнее радиоэхо
Инж. Ш. Шлионский
Наряду с сигналами, проходящими по кратчайшему пути между, передатчиком и приемником, иногда происходит прием повторных сигналов, запаздывающих на то или иное время ввиду большой длины пути, проходимого этими так называемыми эхо-сигналами. В ряде случаев эхо-сигналы могут быть приняты после того, как радиоволны, излученные передатчиком, несколько раз обогнули земной шар. Прием эхо-сигналов в радиотелеграфии приводит к появлению ложных посылок, а в фототелеграфии — к накладке сдвинутых друг относительно друга изображений. Поэтому эхо-сигналы являются помехой радиоприему и их всеми силами стараются устранить.Изучение эхо-сигналов (проходящих путь больше 20 тыс. км), а также сигналов, принимаемых в антиподе передатчика (длина пути 20 тыс. км) представляет значительный интерес.
Ниже рассматриваются основные особенности сверхдальних сигналов, установленные экспериментальным путем, и существующие попытки объяснения происхождения этих сигналов.
Кругосветное эхо. Направление прихода эхо-сигналов в пункт приема иногда совпадает с направлением прихода основного сигнала (прямое эхо), иногда является обратным (обратное эхо). По числу оборотов вокруг земного шара различают однократное и многократное эхо. Путь, больший 20 тыс. км., но меньший 40 тыс. км., проходит лишь обратное однократное эхо, все остальные типы кругосветного эхо (однократное прямое, многократное прямое и обратное) проходят путь больший окружности земного шара (рис. 1). Отмечались случаи приема четырехкратного прямого эхо, когда полная длина пути составляла 170 тыс. км, и даже случаи приема пятикратного эхо.
Время запаздывания кругосветных эхо-сигналов тем больше, чем больше разница между длиной их пути и кратчайшим расстоянием, по которому проходит прямой сигнал. Каждая тысяча километров разности расстояний дает запаздывание примерно 0,003 сек. Измерения времени обегания сигнала вокруг Земли, проведенные в разное время разными наблюдателями, дали значения в пределах от 0,133 до 0,141 сек. В одном из наиболее длительных последних экспериментов разбросы отдельных замеров были меньше 10-4 сек, что свидетельствует о большой стабильности времени огибания. Оно не зависит заметным образом от частоты, времени суток, сезона, направления линии связи. По мере роста числа кругосветных эхо - сигналов возможно некоторое увеличение времени огибания.
Рис.1.Направление распространения кругосветных эхо-сигналов близко к большому кругу, в плоскости которого лежат передатчик и приемник. Углы прихода эхо-сигналов в вертикальной плоскости равны в среднем 20° и изменяются от 15° до 25°.
Кругосветные сигналы могут приходить в точку приема с обоих направлений, но чаще всего они приходят с одного. В ряде случаев кругосветные сигналы были интенсивнее прямого сигнала, идущего по кратчайшему пути. Последовательные сигналы при многократном эхо затухают всего лишь на 5—10 дб.
Наибольшую интенсивность кругосветные эхо-сиг-налы имеют в диапазоне от 15 до 22 Мгц, хотя они наблюдаются как на значительно более высоких, так и более низких частотах. Во многих случаях кругосветные эхо-сигналы проходили на частотах, значительно больших, чем максимально применимые для нормального распространения радиоволн. При всех наблюдениях эхо-сигналов отмечены малые искажения формы сигнала, излученного передатчиком (значительно меньшие, чем у прямого сигнала, идущего по кратчайшему пути).
Интенсивность эхо-сигналов и их появление зависят от ориентации линии связи, времени суток, сезона и т. д. В северном полушарии зимой через несколько часов после восхода солнца возникают обратные однократные эхо-сигналы, которые исчезают задолго до заката. Обычно такое «дневное» эхо сопровождается резко выраженными замираниями. Летом после Ьаката солнца в северном полушарии возникают прямые и обратные однократные эхо-сигналы. Если большой круг, соединяющий конечные пункты линии связи, попадает целиком в пояс сумерек, эхо становится особенно интенсивным и появляются многократные прямые и обратные сигналы. «Вечернее» эхо существует обычно значительно более короткое время, чем описанное выше «дневное» эхо. Почти все наблюдатели считают, что попадание линии связи в пояс сумерек создает наиболее благоприятные условия для появления эхо. В то же время зафиксированы случаи приема эхо спустя 4—5 ч после местного восхода, когда трасса была вне пояса сумерек. Таковы характерные черты кругосветных эхо-сигналов, установленные в результате ряда наблюдений.
Для объяснения распространения радиоволн при кругосветном эхо предложены следующие три гипотезы: многоскачковое распространение (рис. 2), распространение типа М (рис. 3), рикошетирующая траектория (рис. 4).
Гипотеза многоскачкового распространения, даже если это распространение происходит по предельной зигзагообразной траектории, когда луч падает на Землю под скользящим углом и едва касается ее, не в состоянии объяснить все особенности кругосветных эхо-сигналов. Так, например, при многократном эхо в случае многоскачкового распространения число отражений от ионосферы велико. Сигнал должен был бы испытывать дисперсию при каждом отражении и в результате принимать искаженную форму, чего на самом деле не наблюдается. Затухание на одно огибание земного шара при таком распространении должно составлять 60—70 дб, а наблюдается значительно меньше. Малое затухание, а также прохождение частот, значительно более высоких, чем максимально применимые, Исходя из того, что наибольшее затухание радиоволн происходит в нижних слоях ионосферы, можно предположить, что малому затуханию кругосветных эхо-сигналов соответствует траектория, пересекающая нижние слои лишь около конечных пунктов линии связи. Одним из таких возможных путей является распространение типа М, когда радиоволны последовательно отражаются от верхнего и нижнего слоев ионосферы.
Рис.2. Многоскачковое распространение.Хотя затухание при таком распространении невелико, но дисперсия должна быть значительной и не должны проходить частоты большие, чем максимально применимые при отражении от слоев Е и F. Поэтому и эта гипотеза не в состоянии объяснить все особенности кругосветного эхо.
Рис.3. Распространение типа М.Благодаря сферичности ионосферы становится возможным распространение в нижней области слоя F2 у его основания путем последовательных отражений луча от этого слоя (рикошетирующая траектория).
При этом луч пересекает нижние слои ионосферы только при входе и выходе из нее и не испытывает потерь при отражении от Земли. По этим причинам, а также из-за сравнительно небольшой электронной концентрации в нижней части слоя F2 затухание сигналов должно быть небольшим, а так как число отражений невелико, то искажение формы сигнала при таком распространении не должно быть значительным.
Ввиду того что радиоволны падают на ионосферный слой под пологим углом, становится возможным прохождение частот, значительно больших, чем максимально применимые. Постоянство времени обхода эхо-сигнала вокруг Земли можно объяснить тем, что отклонения высот отдельных точек отражения от средних значений компенсируют друг друга.
Для возникновения рикошетирующей траектории необходимо, чтобы угол падения радиоволн на ионосферный слой был достаточно пологим. В том случае, когда передатчик находится на искусственном спутнике Земли ниже максимума слоя F2, угол падения может принимать значения, очень близкие к 90°, и скользящее распространение всегда может возникнуть. Если же передатчик находится на Земле, то угол падения на нижнюю границу слоя F2 ограничен некоторым максимальным значением, которое недостаточно для возникновения скользящего распространения, и оно может возникнуть только при некотором наклоне слоя, который бывает вследствие разницы его высот при различных условиях освещенности. Подобные наклоны слоя F2 всегда могут иметь место, особенно при смене освещенности на линии связи. Существованием наклонов ионизированных слоев в ионосфере можно объяснить также спуск луча радиоволн, его прием на Земле и часто наблюдаемую однонаправленность кругосветных эхо-сигналов.
Рис.4. Рикошетирующая траектория.Таким образом, наиболее вероятно, что кругосветные эхо-сигналы распространяются по рикошетирующим траекториям, но не исключено, что при определенных условиях траектории могут быть другими.
Прием в антиподе. При расположении передатчика и приемника на противоположных точках земного шара (антиподах) в ряде случаев также наблюдался прием сигналов на различных частотах. Экспериментальных данных по приему в антиподе значительно меньше, чем по приему кругосветных эхо-сигналов.
Наблюдениями отмечено, что сигнал, принятый в антиподе, как правило, имеет четкую форму. Это говорит о незначительности испытываемой им дисперсии на пути распространения. Интенсивность антиподного сигнала в одних случаях почти равна интенсивности прямого сигнала, в других — несколько меньше. Когда в антиподе принимался передатчик искусственного спутника Земли, прием был обычно хорошим, так как во всех случаях поглощение было очень малым, сравнимым с малым затуханием последовательных кругосветных эхо-сигналов. В периоды повышенной магнитной возмущенности, когда возрастало поглощение на линиях связи средней длины, затухание антиподных сигналов не увеличивается.
Так как во время приема в антиподе были отмечены малые затухания и искажения сигнала, то есть свойства, аналогичные особенностям кругосветного эхо, то по всей вероятности в обоих случаях радиоволны распространяются одинаково. Отличие заключается только в том, что через любые два антипода проходит бесконечное число больших кругов, находящихся в самых разнообразных условиях освещенности.
Если хотя бы вдоль одного из больших полукругов условия окажутся благоприятными для сверхдальнего распространения, то прием в антиподе сможет быть. Таким образом, вероятность приема в антиподе должна быть намного больше, чем кругосветных эхо-сигналов. В некоторых случаях благоприятные условия, видимо, могут возникнуть не в одном, а в нескольких направлениях или же в более или менее широком секторе, в результате чего в антипод придут несколько лучей радиоволн и возникнет «эффект фокусировки», то есть концентрация энергии радиоволн, пришедших с разных направлений. Этот эффект может наблюдаться не только в самом антиподе передатчика, но и в некотором районе вокруг него, радиус которого около 550 км. Это объясняется возможностью отклонения сигналов от большого круга при многократных отражениях.
Мировое эхо. Время запаздывания даже у многократного кругосветного эхо обычно не превышает 1 сек. Однако имеются эхо, время запаздывания которых во много раз больше и может изменяться в пределах от 3 до 33 сек, принимая большей частью значения 8—10 сек. Такое эхо представляет собой вполне четкий, неискаженный сигнал.
Очень большое время запаздывания этого эхо по сравнению с кругосветными эхо-сигналами указывает на какие-то иные пути распространения. Можно предположить, что отражение таких «мировых» эхо-сигналов происходит от ионизированных потоков заряженных частиц, излучаемых Солнцем. Существует также предположение о возможности распространения радиоволн по очень длинным криволинейны!: траекториям в ионизированных образованиях продолговатой формы, вращающихся вместе с Землей относительно близко от нее.
* * *
Сверхдальнее распространение радиоволн изучается не только для выработки более эффективных мер борьбы с мешающими эхо-сигналами. Важное практическое значение имеет выявление условий установления радиосвязи между антиподами, а ввиду малого затухания и искажения эхо-сигналов не исключено, что в ряде случаев их целесообразно использовать для лучшей передачи информации.
Результаты изучения особенностей необычных путей распространения (наиболее проявляющихся при сверхдальнем прохождении) могут быть использованы и для более коротких линий связи, где также в ряде случаев имеют место необычные пути.
Для выяснения порядка распространения дальних эхо и сигналов, принимаемых в антиподе, требуется дальнейшее накопление экспериментальных данных. Если такие сигналы будут приняты, необходимо зафиксировать координаты корреспондента, время приема (московское), частоту и излучаемую мощность передатчика (если ее можно установить). Для установления типа эхо-сигналов необходимо отметить время их запаздывания по отношению к основному сигналу и число последовательных эхо.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Альперт Я. Распространение радиоволн и ионосфера, Академиздат, 1960
2. Долуханов М. Распространение радиоволн, Связьиздат, 1960 г.
3. Краснушкин П. Метод нормальных волн в применении к проблеме дальних радиосвязей, Изд. МГУ, 1947.Радио № 11 1964 г.
[ На главную ] [ В раздел ]
