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月面反射通信

一种无线电通信技术

月面反射通信，或地-月-地通信（英語：Earth–Moon–Earth communication，簡稱EME），是一種無線電通信技術。使用EME的電台將向月表發射信號，並由月球表面將信號反射回地球上的其他地方，以期其他電台能夠接收並與之通信。

歷史

1940年，英國郵政總局的W.J. Bray提出了將月球用作被動通信衛星的想法。根據計算，利用當時可用的微波傳輸功率和低噪聲接收器，能夠將微波信號從地球發送並反射到月球上。人們認為至少可以實現一個語音通信通道。[1]

1943年，在德國使用無線電測量設備進行實驗時，雷達反射波首次被接收到並識別為來自月球的反射。根據Dr. Ing. W. Stepp在《Der Seewart》雜誌中的報道，他注意到了一種干擾信號，該干擾「出現時持續了幾個脈衝，且脈衝強度比附近最強的目標還要大。干擾在發射機打開大約兩秒後才出現，並在發射機關閉相應時間後（以脈動的方式）消失。而其他的回波則是在發射機開關的瞬間出現和消失。該干擾僅在天線朝東時發生，並在方向發生較大幅度的變化後立即消失，但在轉回原方向大約兩秒後又重新出現。顯然，我們用設備探測到了雲層後的月亮。這也解釋了隨着反射體緩慢從強聚焦、水平指向的波束中移出而導致的脈衝逐漸消失的現象，因為它正從地平線上升起。」[2]

直到第二次世界大戰結束後，人們才開始開發專門用於反射雷達波到月球，以驗證其在國防、通信和雷達天文學中潛在應用價值。第一次成功的EME嘗試是在1946年1月10日，由代號為「戴安娜計劃」（Project Diana）的團隊在新澤西州蒙茅斯堡進行，該團隊由John H. DeWitt領導[3]。不到一個月後，匈牙利的Zoltán Bay領導的團隊於1946年2月6日也成功完成了第二次嘗試[4]。隨後的「月球通信中繼」項目進一步推動了這些技術的實際應用，例如在夏威夷珍珠港海軍基地與華盛頓特區的美國海軍總部之間建立了一條電傳打字機通信鏈路。在通信衛星出現之前，這種不受電離層傳播（英語：skywave）影響的通信鏈路堪稱一次革命性的突破。

隨着20世紀60年代通信衛星的發展，這項技術逐漸變得過時。然而，業餘無線電愛好者開始將月球反射通信作為一項興趣愛好；1953年，首次業餘無線電月球反射通信成功實現，至今全球的業餘愛好者仍在使用這一技術[5]。作曲家寶琳·奧利維洛（英語：Pauline Oliveros）在她1987年的作品《來自月亮的回聲》（Echoes from the Moon）中使用了月球反射技術[6]，而在2024年，德國音樂家海因巴赫（英語：Hainbach (musician)）也利用月球反射進行實驗，並創建了一個音頻插件（英語：Audio plug-in）來重現這一效果[7]。

現今的EME通信

業餘無線電操作員（也稱為「火腿」）利用月球反射技術進行雙向通信（英語：Two-way communication）。業餘頻率範圍從50MHz到47GHz都成功EME通信的先例，但大多數EME通信是在2米、70厘米或23厘米波段上進行的。常用的調製模式包括連續波莫爾斯電碼、數字模式（如JT65），以及在信噪比和帶寬允許的情況下進行SSB語音通信。數字信號處理的發展使得使用約100瓦功率和單個八木天線進行EME通信成為可能，儘管數據傳輸速率較低。[5]

2009年6月29日，"世界月球反射日"由Echoes of Apollo（英語：Echoes of Apollo）發起，作為慶祝阿波羅11號登月40周年的前奏，在全球範圍內慶祝。慶祝活動的亮點之一是通過月球進行的訪談，採訪對象是阿波羅8號宇航員威廉·安德斯，他也是阿波羅11號的後備團隊成員。澳大利亞塔斯馬尼亞大學利用其26米（85英尺）的碟形天線成功將數據信號反射到月球表面，由荷蘭的德溫厄洛射電望遠鏡的大型天線接收並成功解碼，創造了從月球返回的最低功率數據信號的世界紀錄，發射功率僅為3毫瓦，相當於手電筒燈泡功率的1/1000。第二屆"世界月球反射日"於2010年4月17日舉行，恰逢阿波羅13號任務結束40周年。[8]

2009年10月，媒體藝術家丹尼拉·德·保利斯向位於德溫厄洛射電望遠鏡的CAMRAS無線電愛好者協會提議使用月球反射進行實時圖像傳輸演示。應她的提議，2009年12月，CAMRAS無線電操作員揚·范·穆伊爾維克和無線電操作員丹尼爾·高奇使用開源軟件MMSSTV進行了第一次通過月球的圖像傳輸。德·保利斯將這一創新技術稱為「視覺月球反射」，自2010年以來，她在多個藝術項目中使用這一技術，包括名為OPTICKS的實時表演，在此過程中，數字圖像實時發送到月球並返回，然後進行現場投影。[9]

回聲延遲和傳輸時間

無線電波在真空中以光速傳播，速度為299,792,458 米/秒。到達月球並返回的傳播時間範圍為2.4到2.7秒，平均為2.56 秒（地球到月球的平均距離為384,400公里）。月球接近球形，其半徑對應約5.8毫秒的波傳播時間。來自月球盤邊緣附近不規則表面特徵的回波尾部，相比回波的前沿，延遲時間最多可達兩倍。月球表面的絕大部分在大多數的業餘EME通信的微波波長下顯得相對平滑。大多數業餘無線電愛好者在6GHz以下進行EME通信，而月球的反射率差異在1GHz以上較難辨別。月球反射本質上近似於鏡面反射（類似於光滑的鋼珠表面反射）。用於通信的有效功率主要從靠近月面中心的小區域反射回地球。回波的有效傳輸時間不超過0.1毫秒。EME站點的需要考慮天線極化，從光滑表面反射的信號會保留線極化，但會反轉圓極化的方向。在較短波長下，月球表面看起來越來越粗糙，因此在10GHz及以上的頻率上，反射信號包含顯著的漫反射成分以及准鏡面反射成分。散射成分會去極化，並可以視為低水平系統噪聲的來源。散射成分的顯著部分來自月球邊緣更遠的區域。由此產生的中位傳輸時間可能會達到幾毫秒。然而，在所有實際應用中，傳輸時間足夠小，不會對CW鍵控產生顯著影響，也不會在常用於數字EME的慢速鍵控調製中導致符號間干擾。然而，散射成分可能在較高的數據傳輸速率下表現為顯著的噪聲。EME傳輸時間對接收有顯著的影響。來自月球表面不同部分的信號成分由於行程不同，會以隨機的相位關係到達地球。隨着發射站、接收站和反射月球表面的相對幾何關係發生變化，這些信號成分有時會疊加，有時會相互抵消，這取決於它們的相位關係，從而導致接收到的信號出現大幅度波動。這種「自由擺動衰落」引起的幅度變化在相干帶寬（英語：Coherence bandwidth）（通常為幾千赫茲）內具有良好的相關性。自由擺動衰落成分與反射信號的時間擴展有關。[10]

常用的EME通信的調製模式及頻率

參考資料：[10]

影響EME通信的其他因素

在144MHz頻段，當月出或月落時，多普勒效應產生的頻率偏移為300 Hz。當月亮在天頂時，這個偏移會減小到接近零。在其他頻段下，也會存在不同的多普勒偏移。在月出時，返回信號的頻率大約會提高300 Hz；當月亮移動到正南或正北位置時，多普勒效應接近於零；而在月落時，頻率會降低300 Hz。多普勒效應在EME中影響很大。偏振可能會降低接收信號的強度。其中一個因素是發射和接收天線的幾何對齊問題。許多天線產生一個優選的極化平面。從月球觀察的角度來看，發射和接收站的天線可能未對齊。這個因素由天線的對齊決定，站點通常配備有旋轉天線以調整極化的功能。另一個因素是地月路徑上的法拉第旋轉。當無線電波通過地球大氣中的電離層時，其極化平面會發生旋轉。這種效應在較低的VHF頻段中更為顯著，而在1296MHz及以上頻率時則不太明顯。通過使用更大的天線陣列（更多的八木天線的單元或更大的拋物面天線），可以減少一些極化失配損耗。[11]

圖集

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    美國加利福尼亞州WA6PY站點的一部分144MHz EME天線陣列。
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    美國加利福尼亞州WA6PY站點用於微波EME通信的拋物面天線。
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    意大利米蘭I2FZX站點用於UHF EME通信的拋物面天線。
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    位於瑞典中部基拉福什用於144 MHz EME的業餘無線電天線陣列。
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    用於144 MHz地月通信的業餘無線電天線陣列，位於瑞典中部的基拉福什。
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    用於144 MHz地月通信的業餘無線電天線陣列，位於瑞典南部的斯塔凡斯托普。
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    BG7XWF的EME拋物面天線，位於中國東南部
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    BG7XWF正在EME

參見

參考資料

  1. ^ Pether, John. The Post Office at War. Bletchley Park Trust. 1998: 25. 
  2. ^ DK2ZF. cq-DL 7/79, p. 328. PA3FWM's homepage. （原始內容存檔於2021-02-24）. 
  3. ^ Butrica, Andrew J. To See the Unseen: A History of Planetary Radar Astronomy. NASA. 1996. （原始內容存檔於2007-08-23）. 
  4. ^ Bay, Zoltán. omikk.bme.hu. OMIKK. [2017-01-13]. （原始內容存檔於2017-04-29）. 
  5. ^ 5.0 5.1 The first Amateur Lunar tests & contacts 1953-1965. www.ok2kkw.com. [2024-08-25]. （原始內容存檔於2024-04-22）. 
  6. ^ Barrett, G Douglas. Deep (Space) Listening: Posthuman Moonbounce in Pauline Oliveros's Echoes from the Moon. Discourse. 2021, 43 (3): 321 [2024-08-25]. doi:10.13110/discourse.43.3.0321. （原始內容存檔於2024-06-02）. 
  7. ^ Fabio, Adam. Moonbounce Music. Hackaday. 2024-08-11 [2024-08-19]. （原始內容存檔於2024-08-19） （美國英語）. 
  8. ^ World Moon Bounce Day Celebrates 40th anniversary of Apollo 11 Moon Landing. NSS. 2009-04-07 [2024-08-25] （美國英語）. 
  9. ^ OPTICKS. danieladepaulis.com. [2024-08-25]. （原始內容存檔於2024-05-23）. 
  10. ^ 10.0 10.1 Moonbounce (EME) - Radio Society of Great Britain - Main Site : Radio Society of Great Britain – Main Site. rsgb.org. [2024-08-25]. （原始內容存檔於2024-04-13）. 
  11. ^ Larry Wolfgang, Charles Hutchinson, (ed), The ARRL |Handbook for Radio Amateurs, Sixty Eighth Edition , American Radio Relay League, 1990 ISBN 0-87259-168-9, pages 23-34, 23-25,

外部連結

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