Каждую секунду тысячи радиосигналов пронизывают атмосферу Земли, но лишь немногие из них отправляются в путешествие длиной более 760 тысяч километров. Технология EME (Earth-Moon-Earth), известная также как moonbounce, превращает естественный спутник нашей планеты в пассивный ретранслятор. Сигнал покидает антенну, мчится к Луне, отражается от её пыльной поверхности и возвращается обратно на Землю. Задержка составляет ровно 2,5 секунды. Для радиолюбителя, впервые услышавшего собственное эхо из космоса, этот момент становится точкой невозврата. После первого контакта через лунный отражатель обычная радиосвязь уже не кажется такой захватывающей.
Физика процесса безжалостна. Луна отражает всего 6,5% падающей на неё радиоэнергии. Остальное поглощается лунным реголитом или рассеивается в пространстве. Представьте: передатчик мощностью 1000 ватт генерирует сигнал, который после двойного прохождения космической трассы превращается в долю нановатта. Это как если бы яркая лампа накаливания, пройдя через фильтры и зеркала, в итоге светила слабее далёкой звезды на ночном небе.
▶️ Посмотреть какое оборудование может использоваться для таких целей
Yagi антенна ◀️
Проект "Диана" и рождение технологии
10 января 1946 года группа инженеров Корпуса связи армии США в Форт-Монмуте провела эксперимент, который изменил представление о возможностях радиосвязи. Руководитель проекта Джон Девитт ещё до событий 1940-х годов мечтал о том, что радиоволны смогут отражаться от небесных тел. Задача стояла стратегическая: понять, можно ли обнаруживать баллистические ракеты, проходящие через верхние слои атмосферы.
Оборудование собирали из того, что осталось после военных разработок. Передатчик SCR-271 работал на частоте 111,5 МГц с импульсной мощностью 50 киловатт. Антенная система представляла собой решётку из 64 полуволновых диполей, расположенных в формате 8x8, и обеспечивала усиление 24 дБ. В 11:58 по местному времени на экране осциллографа появился слабый всплеск. Эхо-сигнал вернулся с Луны точно через расчётное время. Венгерский физик Зольтан Бей 6 февраля того же года добился аналогичного результата, применив химические кулонометры для накопления слабых токов.
В 1950-х годах ВМС США запустили секретную программу PAMOR (Passive Moon Relay) для перехвата радиосообщений. К 1960 году заработала система Operation Moonbounce, обеспечивавшая канал связи между Гавайями и Вашингтоном. Появление активных искусственных спутников во второй половине 1960-х годов сделало использование Луны экономически нецелесообразным для государственных нужд. Зато радиолюбители подхватили эстафету, и первая успешная двухсторонняя связь состоялась в 1953 году.
Математика потерь и физические ограничения
Бюджет линии связи в EME выглядит пугающе. Сигнал ослабляется по закону обратных квадратов дважды: на пути к Луне и при возвращении. Общая плотность мощности у приёмной антенны обратно пропорциональна четвёртой степени расстояния. Математическое выражение для расчёта потерь записывается как:
L = (4πd/λ)² × (λ²/πr²ρ)
Здесь ρ - коэффициент отражения Луны (0,065), r - радиус Луны (1737 км), λ - длина волны, d - расстояние до Луны (от 356 до 407 тысяч километров в зависимости от фазы орбиты).
Для диапазона 144 МГц (2 метра) средние потери составляют 252,1 дБ. На 432 МГц (70 сантиметров) затухание возрастает до 261,6 дБ. Когда частота поднимается до 1296 МГц (23 сантиметра), потери достигают 271,2 дБ. На микроволновых диапазонах цифры становятся ещё более внушительными: 10 ГГц - 289 дБ, 24 ГГц - 293,5 дБ. Лунная орбита эллиптическая, поэтому расстояние меняется ежемесячно от перигея до апогея. Вариация потерь составляет ±1,1 дБ, что критично для станций, работающих на пределе чувствительности.
Луна не плоское зеркало, а неровная сфера. Основная энергия отражается от центральной части диска радиусом около 1/10 от полного. Неровности рельефа вызывают временное рассеяние сигнала. Отражения от различных участков поверхности приходят с задержкой до 0,1 миллисекунды. Широкополосные сигналы размываются, зато узкополосные режимы вроде телеграфии или цифровых протоколов JT65 проходят практически без искажений.
Доплеровский сдвиг и танец частот
Относительное движение передатчика на вращающейся Земле и Луны на её орбите создаёт доплеровские сдвиги частоты. Величина пропорциональна рабочей частоте и скорости изменения длины пути. Вращение Земли вносит основной вклад: скорость поверхности на экваторе достигает 460 метров в секунду.
На восходе Луны наблюдается максимальный положительный сдвиг. Сигнал возвращается на более высокой частоте. На диапазоне 144 МГц отклонение составляет от +300 до +440 герц. Когда Луна проходит меридиан и оказывается прямо над головой наблюдателя, радиальная скорость минимальна, доплеровский сдвиг стремится к нулю. На закате Луны фиксируется максимальный отрицательный сдвиг, частота эха падает ниже частоты передачи.
На СВЧ диапазонах эффект усиливается многократно. На частоте 1296 МГц сдвиг достигает нескольких килогерц, а скорость его изменения превышает 1 кГц в минуту. Без автоматической подстройки частоты через компьютерный интерфейс связь становится невозможной. Трансивер должен непрерывно корректировать частоту передачи и приёма, следуя за движением Луны по небосводу.
Вращение Фарадея и поляризационная лотерея
При прохождении через ионосферу плоскость поляризации радиоволны поворачивается под воздействием магнитного поля Земли. Эффект наиболее критичен на частотах ниже 1 ГГц. На 144 МГц поляризация совершает несколько полных оборотов за время прохождения атмосферы. Часто случается "поляризационная блокировка": сигнал от корреспондента приходит в вертикальной поляризации, приёмная антенна настроена на горизонтальную. Потери превышают 20 дБ. Связь пропадает, хотя оба оператора видят друг друга на экранах программы слежения.
На частотах выше 1296 МГц вращение Фарадея становится пренебрежимо малым. Это одна из причин популярности СВЧ-диапазонов для EME. Операторы используют антенные системы с возможностью переключения поляризации или устанавливают скрещенные диполи с фазовращателями. Программное обеспечение MAP65 позволяет в реальном времени анализировать поляризацию принимаемого сигнала и адаптировать антенну для максимального приёма.
Либрационные замирания добавляют сложности. Луна совершает небольшие покачивания относительно земного наблюдателя. Фазовые соотношения сигналов, отражённых от различных элементов лунного ландшафта, постоянно меняются. Результат - быстрая интерференция и глубокие провалы сигнала. На слух это воспринимается как характерное дрожание. Скорость замираний растёт с частотой: на 10 ГГц либрация может достигать десятков герц, превращая чистый тон в хриплый шум.
Оборудование для охоты за нановаттами
Антенная система определяет успех EME-станции. Ключевой параметр - отношение коэффициента усиления к шумовой температуре (G/T). Антенна должна обладать не только высоким усилением, но и минимальными боковыми лепестками, чтобы не принимать тепловое излучение Земли, когда направлена на Луну.
Для диапазона 2 метра типичное решение - стек из 4-16 антенн Yagi длиной по 6-9 метров каждая. Общее усиление такой системы составляет 18-20 дБи. Сложность фазировки элементов массива требует точной настройки. Каждый кабель должен иметь одинаковую электрическую длину, иначе сигналы складываются не в фазе и усиление падает.
На 23 сантиметра (1296 МГц) стандартом считается параболическая тарелка диаметром 3 метра и более. Параболоид обеспечивает усиление выше 30 дБи, управление поляризацией упрощается. Облучатель крепится в фокусе, малошумящий усилитель монтируется непосредственно у точки питания.
Коэффициент шума первого каскада приёмника критичен. Сигнал от Луны часто ниже уровня теплового шума. Современные LNA на базе GaAs или pHEMT транзисторов обеспечивают коэффициент шума 0,1-0,3 дБ. Любой кабель между антенной и усилителем вносит потери, которые напрямую увеличивают шум системы. Кабель с потерей 0,5 дБ перед усилителем фактически увеличивает коэффициент шума всей системы на те же 0,5 дБ. В условиях EME это эквивалентно потере половины мощности передатчика.
Передающий тракт требует мощности 500-1500 ватт. На VHF/UHF применяются LDMOS транзисторы или керамические тетроды. На микроволнах используются лампы бегущей волны или твердотельные усилители SSPA. При передаче 1 киловатта по 22 метрам кабеля типа Ecoflex 15 теряется около 160 ватт только на нагрев. Операторы размещают усилители как можно ближе к антенне, минимизируя фидерные потери.
Цифровые протоколы против человеческого уха
Традиционно EME-связи проводились телеграфом. Технический порог входа был чрезвычайно высок: гигантские антенны, идеальный слух оператора, способность различить сигнал на уровне -15 дБ в шумах. Появление цифровых методов в начале 2000-х годов изменило ситуацию кардинально.
Протокол JT65, созданный нобелевским лауреатом Джо Тейлором, стал стандартом на десятилетия. Режим использует многочастотную манипуляцию с 65 тонами и мощное упреждающее исправление ошибок. Декодирование возможно для сигналов на 10-15 дБ слабее тех, что различает человеческое ухо в телеграфии. Подрежимы JT65B и JT65C адаптированы для диапазонов 144 и 432 МГц с разным разносом частот.
В 2021 году появился Q65, который постепенно вытесняет JT65 на СВЧ-диапазонах. Новый протокол лучше справляется с быстрыми замираниями и большим доплеровским разбросом. Подрежим Q65-60C для 144 МГц использует период передачи-приёма 60 секунд, занимает полосу 108 герц и декодирует сигналы при соотношении сигнал/шум до -27,6 дБ. Для микроволн создан Q65-120E с периодом 120 секунд, полосой 784 герца и порогом декодирования -30,8 дБ. Уникальный тон синхронизации виден на водопаде спектрограммы даже при очень слабом сигнале.
Первое, что делает экспериментатор после настройки оборудования - тест эхо. Программа WSJT-X посылает серию импульсов и через 2,5 секунды анализирует спектр на предмет возвращённого сигнала. Оценка по шкале Q от 0 до 10: значение 3-4 указывает на возможность цифровой связи, выше 7-8 - можно работать телеграфом. Типичные значения отношения сигнал/шум для средних станций составляют от -15 до -25 дБ в полосе 2500 герц.
Диапазоны и их характер
144 МГц остаётся самым популярным. Здесь работает более тысячи станций по всему миру. Вращение Фарадея выражено наиболее ярко, требуются системы изменения поляризации. Высокий уровень техногенных шумов на Земле делает критичной качество фильтрации приёмника.
1296 МГц называют золотым стандартом СВЧ. Второй по популярности диапазон практически свободен от вращения Фарадея. Параболические антенны умеренных размеров 3-5 метров обеспечивают огромное усиление. Более 50% всех контактов в крупных соревнованиях проводятся именно на 23 сантиметра.
10 ГГц - граница экспериментализма. Ширина диаграммы направленности антенны может составлять менее 1 градуса. Наведение требует точности до 0,1 градуса. Либрационные замирания настолько быстры, что телеграфные сигналы звучат как шум. Цифровой режим Q65 становится единственным надёжным средством связи.
50 МГц считается магическим диапазоном. EME на 6 метрах - экстремальное достижение. Размеры антенн огромны: длина элементов около 3 метров. Для успеха требуются стеки из 8 и более антенн Yagi. Уровень космического шума высок, что дополнительно усложняет приём слабых сигналов.
Соревнования и рекорды
ARRL International EME Contest - главное событие года. Соревнования проводятся в несколько этапов, разделённых по частотным группам. В 2024 году приняло участие рекордное количество станций: 249 логов, проведено более 13 тысяч контактов. Победители в категории мультиоператор используют уникальные объекты: бывшие военные или научные радиотелескопы, например 25-метровый телескоп в Двингелоо.
Мировые рекорды обновляются по мере освоения новых частот. Зафиксированы связи на 47 ГГц, ведутся предварительные испытания на 77 ГГц. Впечатляющее достижение - рекорд минимальной мощности: данные успешно получены от Луны при мощности передатчика всего 3 милливатта. Австралиец Рэй Нотон в 1970 году провёл связь на 100 ватт с самодельной антенной 250 на 30 метров. В 2010 году голландская группа CAMRAS впервые передала изображения через Луну в рамках проекта Visual Moonbounce.
Проведение экспериментальных радиосвязей через Луну - постоянный вызов человеческому знанию и мастерству. Каждый децибел усиления, каждая десятая доля децибела в коэффициенте шума, каждый градус точности наведения антенны - всё это складывается в возможность услышать голос из-за горизонта, отражённый от поверхности космического тела. Будущее технологии связано с развитием программно-определяемого радио, применением нейронных сетей для декодирования в условиях либрационных искажений, освоением терагерцовых диапазонов. EME превращает естественный спутник в зеркало, отражающее стремление человечества к познанию невидимых границ мира.
Канал сайта в Telegram
Канал сайта на YouTube