| Статья в ОЧЕНЬ популярном журнале, на которую постоянно ссылаются, когда рассказывают о первых спутниках. Опубликована почти за полгода до запуска "Спутника-1". Доказывает, что наша власть спутники не воспринимала всерьез настолько, что не потрудилась их даже как-то засекретить. - Хлынин. |
(СПРАВКА ДЛЯ РАДИОЛЮБИТЕЛЕЙ-НАБЛЮДАТЕЛЕЙ)
В.Вахнин
| В |
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.
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 |
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.
 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 |
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 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.
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.
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».
| Далее следует ещё одна статья на ту же тему, но она узкорадиоспециализирована и я не стал её сканить.-Хл. |