вернёмся в библиотеку?

«Радио» 1957 №6 ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ ЗЕМЛИ
(СПРАВКА ДЛЯ РАДИОЛЮБИТЕЛЕЙ-НАБЛЮДАТЕЛЕЙ)

В.Вахнин

В

течение Международного геофизического года в СССР предполагается произвести запуск нескольких искусственных спутников Земли, оборудованных радиопередающей аппаратурой. Радионаблюдения за сигналами этих спутников позволят получить новые данные о строении ионосферы, уточнить размер, форму и положение орбиты спутника, а также получить сведения о процессах, происходящих на спутнике во время полета. Наряду с профессиональными радиослужбами в радионаблюдениях за спутником должны участво­вать и радиолюбители. Благодаря тому что радиолюбительские наблюде­ния будут носить массовый харак­тер, они могут обеспечить весьма важные данные о полете спутника и о состоянии ионосферы.

Успех радиолюбительских наблюдений и ценность полученных данных во многом будет зависеть от того, на­сколько хорошо учтут радиолюбители те особенности приема, которые свя­заны с необычно большой высотой, с необычно большой скоростью и с другими особенностями полета спут­ника, насколько хорошо смогут ра­диолюбители предсказывать время повторных появлений спутника и т. д.

В настоящей статье приводятся не­обходимые для радиолюбителей све­дения об искусственных спутниках Земли и данные о том, как влияет полет спутника на характер прини­маемых с него сигналов.

ОРБИТЫ ИСКУССТВЕННЫХ СПУТНИКОВ ЗЕМЛИ

Искусственный спутник Земли бу­дет запущен при помощи ракеты, ко­торая поднимет его на высоту в несколько сот километров и затем раз­гонит в горизонтальном направлении до скорости около 8000 м/сек (рис. 1), после чего двигатели ракеты оста­новятся, спутник отделится от раке­ты и будет двигаться вокруг Земли, делая один оборот приблизительно за полтора часа.

Рис. 1. Схема запуска спутника

Орбита спутника бу­дет иметь примерно эллиптическую форму; в центре Земли будет нахо­диться один из фокусов эллипса (рис. 2). Вследствие эллиптичности орбиты высота полета спутника за время одного оборота будет изме­няться; точка, в которой высота полета максимальна, называется апо­геем, а точка минимальной высоты - перигеем орбиты. Для того чтобы полностью определить форму, раз­меры и положение орбиты, достаточ­но указать пять величин (рис. 3): высоту перигея, высоту апогея, на­клонение орбиты, т. е. угол, который образует плоскость орбиты с пло­скостью экватора, долготу узла, т. е. угол, который образует линия пере­сечения плоскостей орбиты и эквато­ра с заранее заданным на звездном небе направлением, лежащем в пло­скости экватора (направлением на точку весеннего равноденствия), и, наконец, угловое расстояние перигея от узла.

Рис. 2. Орбита спутника

Эти величины называются элемен­тами орбиты; их значения при за­пуске спутника определяются точкой запуска, временем суток, в которое будет произведен запуск, а также на­правлением и величиной скорости в момент выхода на орбиту.

После запуска спутник будет испы­тывать слабое торможение от трения о верхние слои атмосферы, поэтому скорость его полета будет постепен­но уменьшаться, при этом будет уменьшаться и высота полета¹. Спус­тя несколько дней или недель высота полета снизится настолько, что спут­ник войдет в более плотные слои атмосферы, сильно затормозится, на­греется за счет трения об атмосферу и сгорит. Сила торможения, а сле­довательно, и время существования спутника зависят от плотности верх­них слоев атмосферы, которая извест­на в настоящее время лишь весьма приблизительно; поэтому данные о том, насколько быстро спутник за­тормозился и сгорел, представляют значительный научный интерес.

¹ Вследствие сопротивления атмо­сферы, а также отклонения поля тя­готения от центрального указанные ранее элементы орбиты будут мед­ленно меняться.

Рис. 3. Элементы орбиты искусственного спутника

Наблюдения радиолюбителей могут помочь уточнить значения элементов орбиты и величину торможения в верхних слоях атмосферы. Особенно большое значение имеют радиолюби­тельские наблюдения в конце полета спутника, поскольку процесс входа спутника в плотные слои атмосферы может произойти в таких районах, где нет профессиональных приемных установок.

Рис. 4. Движение спутника и наблюдателей: 1 - положение наблюдателя при радиосеансе на восходящей части орбиты; 2 - положение наблюдателя при втором радиосеансе (на восходящей части следующего витка орбиты); 3 - положение наблюдателя при радиосеансе на нисходящей части витка; 4 - наблюдатель, расположенный вблизи северной границы наблюдателя

РАЙОН НАБЛЮДЕНИЙ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА

Схема взаимного движения спутника и наблюдателей показана на рис. 4. Плоскость орбиты спутника не участвует во вращении Земли, а на­блюдатели, находящиеся на поверхности Земли движутся вместе с вращением Земли с запада на восток по линиям, показанным на рис. 4 пунк­тиром. За время одного оборота спут­ника (примерно 1,5 часа) наблюда­тель, находящийся на экваторе, сместится на 2500 км к востоку, наблюдатель, находящийся на широте в 45°, — на 1760 км, а наблюдатель, находящийся на широте в 60°, — на 1000 км. Северная и южная границы наблюдений определяются наклоне­нием орбиты: чем круче наклонена плоскость орбиты, тем дальше на се­вер и на юг проходит спутник в сво­ем движении. Всего за сутки спутник сделает около 16 оборотов, след кото­рых покроет поверхность Земли поч­ти равномерной «сеткой». Спутник, запускаемый в СССР, будет в своем полете охватывать практически все населенные области Земли.

Любой наблюдатель, расположенный между северной и южной гра­ницами области наблюдений, сможет наблюдать спутник независимо от того, на какой долготе он находится, поскольку вследствие вращения Земли он раньше или позднее приблизится к орбите и пересечет ее плоскость. В каждом пункте Земли, ле­жащем южнее северной границы «сетки орбит» и севернее ее южной границы, спутник будет наблюдаться дважды в сутки: на «восходящей» и на «нисходящей» ветвях орбиты (рис. 4). В самых северных и самых южных районах оба наблюдения сольются в одно.

Время, в течение которого может быть слышен радиосигнал, на одном витке определяется скоростью спутника (8 км/сек), дальностью дейст­вия радиосредств и тем, насколько далеко от пункта наблюдения проходит след данного витка орбиты (рис. 5). Средняя продолжительность одного сеанса составит несколько минут.

ВРАЩАТЕЛЬНЫЕ ДВИЖЕНИЯ СПУТНИКА И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РАДИОПРИЕМ

Рис. 5. Продолжительность слышимости спутника при прямом и боковом прохождении.

Наибольшая скорость вращения спутника не превысит нескольких оборотов в минуту. Влияние вращательного движения спутника на радиоприем определяется прежде всего конструкцией антенн спутника: достаточно малые замирания имеют место в том случае, если антенны на спутнике построены так, что они излучают волну с круговой поляризацией, а антенна наземной станции предназначена для приема линейной поляризации (рис. 6, а). В этом случае обеспечивается прием сигналов почти при любом повороте спутника. Исключение составляет случай, когда плоскость, в которой расположены антенны спутника, направлена на приемный пункт и перпендикулярна к направлению поляризации приемной антенны (рис. 6, б). В этом положении происходит полное прекращение приема, а в положениях, близких к нему,— сильное ослабление принимаемого сигнала.

Сильные замирания сигнала, которые получаются, если спутник в своем вращении проходит положение, показанное на рис. 6, б, маловероятны; более вероятными являются небольшие колебания силы сигнала, получающиеся в случаях, когда спутник в своем вращении проходит положение, промежуточное между показанными на рис. 6, а и б.

Рис. 6. Прием со спутника электро­магнитных волн при различных по­ложениях спутника относительно приемной антенны

ДРУГИЕ ВИДЫ ЗАМИРАНИЙ РАДИОСИГНАЛА

Помимо описанных выше явлений, связанных с вращением спутника, могут иметь место, во-первых, обычные замирания радиосигнала, вызванные сложением радиоволн, пришедших к приемной антенне различными путями (рис.7), и, во-вторых, замирания, вызванные отражением от поверхности Земли.

Рис. 7. Прохождение сигналов от спутника

Характер замираний, вызванный первой причиной, может быть несколько необычным: поскольку спутник движется с огромной скоростью, путь, проходимый радиоволнами, бу­дет быстро изменяться. Поэтому мо­мент, когда волны, проходящие с различных направлений, уничтожают друг друга, и моменты, когда волны складываются, могут чередоваться весьма быстро и тогда замирания превратятся из медленных колебаний силы сигнала, к которым привыкли радиолюбители, в быструю модуля­цию сигнала с частотой в десятки или даже сотни герц.

Второй вид замираний - замирания, вызванные влиянием земли на приемную антенну,- могут иметь место в случае, если приемная ан­тенна подвешена высоко над землей (на высоте свыше 10-15 м). В этом случае при определенном угле па­дающей волны волна, пришедшая на антенну непосредственно, и волна, от­разившаяся от земли, могут унич­тожать друг друга; в этом направ­лении в диаграмме направленности приемной антенны образуется нуль.

Если высота подвески антенны пре­вышает в несколько раз длину вол­ны, в диаграмме направленности об­разуется несколько нулей. При прие­ме сигналов с быстро летящего спутника угол прихода волны будет меняться также достаточно быстро, поэтому сигнал будет периодически замирать и нарастать (с периодом в несколько секунд или несколько десятков секунд).

ЭФФЕКТ ДОППЛЕРА

Эффект Допплера заключается в том, что в случае, если радиоприем­ник и радиопередатчик сближаются или удаляются, частота сигнала, приходящего на радиоприемник, изменяется пропорционально скорости сближения или удаления.

При сближении частота сигнала повышается, при удалении - пони­жается.

Поскольку движение спутника происходит строго закономерно, с постоянной скоростью, то изменение частоты также будет происходить весьма закономерно: вначале, при появлении спутника, скорость сближения будет максимальной, следовательно, максимальной будет и частота принимаемого сигнала. При приближении спутника угол между направлением его движения и направлением на приемные пункты будет увеличиваться и скорость сближения начнет постепенно падать. Наконец, после того как угол между направлением движения и направлением приема станет больше 90°, спутник начнет удаляться от приемника; скорость удаления будет постепенно увеличиваться, и перед прекращением сигнала станет максимальной. Соот­ветственно будет изменяться и часто­та эффекта Допплера. Вначале сиг­нал будет иметь наибольшую часто­ту, затем, когда спутник приблизится к приемнику, частота начнет быстро уменьшаться, и, наконец, когда спут­ник пройдет мимо приемника и нач­нет удаляться, частота будет стре­миться к минимальной. Приближен­ный график изменения частоты ра­диосигнала во времени показан на рис. 8.

Рис. 8. График изменения частоты (эффект Допплера) в зависимости от расстояния по поверхности Зем­ли между точкой наблюдения и плоскостью орбиты

Скорость изменения частоты в период пролета мимо места приема зависит от расстояния, на котором прошел спутник: чем ближе прошел спутник к приемнику, тем быстрее происходит изменение частоты от максимальной до минимальной (см. кривые на рис. 8).

Весь период изменения частоты занимает около двух-трех минут; в случае, если гетеродин приемнике достаточно стабилен и за время приема не перестраивался, эффект Допплера может быть легко обнаружен и за­писан, а это дает важные данные о положении орбиты относительно приемного пункта. Начиная прием радиосигналов со спутника, надо на­страивать гетеродин так, чтобы учесть то, что частота тона в середине сеанса изменится приблизительно на 2000 гц (для 40 Мгц) и приблизительно на 1000 гц (для 20 Мгц); в дальнейшем в продолжение сеанса не менять настройку гетеродина¹

¹ Надо иметь в виду, что если ге­теродин настроен ниже несущей ча­стоты, то частота слышимого тона будет понижаться, а если гетеродин настроен выше несущей частоты, ча­стота тона будет расти.

ПРЕДСКАЗАНИЕ ПОВТОРНЫХ ПОЯВЛЕНИЙ СПУТНИКА

Как уже указывалось, орбита спут­ника не участвует в суточном враще­нии Земли, граница дня и ночи так­же в суточном вращении Земли не участвует. Поэтому спутник будет входить в земную тень и выходить из нее всегда на одной и той же широте и вообще будет появляться над данной широтой в одно и то же местное время, взятое для точки пе­ресечения орбиты с данной парал­лелью¹

¹ Под местным временем понимает­ся не стандартное (поясное) время, но время, которое определено по положению Солнца в точке наблюде­ния. Здесь не учитывается смещение земной тени, вызванное годовым дви­жением Земли; для вполне точного решения надо рассматривать не «местное солнечное», а «местное звездное время». Однако для прак­тических целей радиолюбителям можно эту неточность не учитывать

Рис. 9. Путь повторных появлений искусственного спутника

Этот закон легко использовать для предсказания повторных появлений спутника. Предсказание было бы осо­бенно простым, если период обраще­ния спутника был в точности равен 1 ч. 30 м. В этом случае спутник про­ходил бы над каждой точкой Земли точно в то же самое время суток. Па самом деле период обращения может несколько отличаться от рас­четного, поэтому спутник, прошедший и данные сутки над некоторым пунк­том, на следующие сутки может пой­ти либо восточнее, либо западнее. Рассмотрим случай, показанный на (рис. 9). Пусть в первые сутки спут­ник прошел через точку А ровно в 12 ч. 00 м. по местному времени. На следующие сутки спутник пересек ту же широту восточнее (в точке Б); местное для точки Б время пересечения по-прежнему будет равно 12 ч. 00 м. Однако местное время точ­ка Б опережает местное время точ­ки А, например, на 15 мин.; поэтому в пункте А сигнал будет принят на 15 мин. раньше, чем в предыдущие сутки. Рассуждая аналогично, можно убедиться, что если спутник пересечет данную широту западнее, чем в пре­дыдущие сутки, его появление в точке А будет несколько позднее, чем в предыдущие сутки.

Поскольку период обращения точно заранее неизвестен, то неизвест­но также, пройдет ли спутник на следующие сутки восточнее или за­паднее, а поэтому необходимо начи­нать наблюдение с запасом пример­но за 1 час до момента, когда про­ходило предыдущее наблюдение, и в случае если спутник не обнаружи­вается, продолжать наблюдение в течение около двух часов. Если же спутник обнаружен и сеанс прошел, следующую попытку наблюдения сле­дует начинать ровно через 1,5 часа после начала первого сеанса, с тем чтобы попытаться пронаблюдать сле­дующий виток. После окончания се­анса на восходящей ветви можно провести аналогичные сеансы на нисходящей ветви.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАДИОЛЮБИ­ТЕЛЬСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ ДЛЯ УТОЧНЕНИЯ ОРБИТЫ

Задача уточнения орбиты прин­ципиально отличается, например, от задачи определения траектории само­лета радиолокатором тем, что в на­шем случае мы наперед знаем, что спутник не может совершать произ­вольных движений в пространстве, а при заданных начальных данных может двигаться лишь по вполне оп­ределенной траектории. Это обстоя­тельство позволяет обойтись более простыми измерениями, чем в случае радиолокации. Так, например, если точно запеленговать в пяти-шести пунктах положение спутника и ука­зать точное время этих пеленгов, то положение его орбиты может быть вычислено с достаточной для практи­ческих целей точностью.

Для определения орбиты могут быть использованы также записи эф­фекта Допплера (рис. 8), по кото­рым можно определить расстояние, на котором пролетел спутник, и мо­мент времени, когда он был на ми­нимальном расстоянии.

Поэтому для использования радио­любительских наблюдений крайне важно иметь записи сигналов на магнитную ленту, по которым можно было бы, во-первых, измерить эффект Допплера и, во-вторых, «привязать» полученную запись к точному вре­мени. По длительности точек и пауз можно получить также сведения о некоторых процессах на самом спутнике.

Высококвалифицированные радио­любители и радиоклубы могут также создать установки, позволяющие пе­ленговать спутник. Моменты пеленга также должны быть «привязаны» к точному времени.

Следует отметить, что для кон­троля орбиты наибольшую ценность представляет сигнал с частотой в 40 Мгц, так как он меньше иска­жается при прохождении ионосферы.

Некоторые варианты аппаратуры для приема сигналов со спутника будут описаны в последующих статьях, однако желательно, чтобы радиолюбители также прилагали свои оригинальные варианты записи и привязки к «точному времени».

НАБЛЮДЕНИЕ ЗА РАДИОСИГНАЛАМИ С ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ И ИХ НАУЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Далее следует ещё одна статья на ту же тему, но она узкорадиоспециализирована и я не стал её сканить.-Хл.