淺談流星餘跡通訊的工作原理與新的發展

2020-11-22 百家號

在太陽系的行星際空間裡,除了九大行星、衛星、彗星外,還有數不清的叫做流星體的小顆粒和塵埃,它們在太陽的引力作用下以每秒幾十公裡的速度運動著,當它們穿過地球大氣層時,亮光一閃劃破長空而被人們看到,這就是流星。在流星體飛行的途徑上,由於流星體的巨大動能與空氣中的質點相撞擊,在短瞬間灼熱、瓦解空氣中的分子,並激發電離它們,從而形成了一條雲霧狀的電離氣體的長帶,這條長帶就是流星餘跡。在流星餘跡形成的初期,餘跡裡擁有大量的自由電子和正離子,流星亮度為一等星的餘跡裡,每立方釐米的體積中差不多含有一萬億個電子。流星消失後,餘跡裡的帶電粒子迅速向四面八方擴散,餘跡的體積很快增大,單位體積裡的電子數急劇下降,最後,電子和離子複合又重新組成中性原子和分子,流星餘跡便消失。流星餘跡從形成到消失的時間大約有十分之幾秒到幾十秒。

明亮的流星,人們雖不多見,但是,直徑在一毫米或更小的流星體每天卻有50~80億顆進入地球大氣層,其質量據科學家計算可能有數千噸之多。它們當中的六分之一由於質量較大能夠在大氣層中發光,當然,這些會發光的流星也不可能全部被儀器所覺察,但是,靈敏的雷達在不到一 .秒鐘裡就能發現一顆流 等的變暗急劇地增加,星。每晝夜流星數目隨流星屋而流星出現的平均間隔很快地減短。當無線電波在流星餘跡中通過時,餘跡中的帶電粒子在交變電場作用下以入射波的頻率振蕩,就能引起流星餘跡裡帶電粒子的二次輻射,結果電波在空間發生反射。亮度大於12等的流屋一般都有可能利用來通訊。由於流星餘跡對電波的反射具有「鏡面」反射的特徵,電波透過餘跡的成份很少。另一方面,流星餘跡中的電子密度非常大,在電離層中電子最多的F層,最大的電子密度一般不超過每 立方釐米108個電子,因此,即使是12等的暗流星,其電子密度也比電離層大一百倍。這樣,流星餘跡反射無線電波的能力大大超過電離層對電波的反射。根據流星餘跡的這些特徵,人們很快用它作為長距離通訊的媒介。流星餘跡通訊的工作原理由於大多數流星餘跡僅有0.5~1.5秒的時間能反射無線電波,因此,流星餘跡通訊與電離層通訊有所不同,它必須採用「斷續」式傳送信號的工作原理,其星餘跡存在一瞬間,發射臺(稱甲方)把輸入嘴送來的 特點是:僅僅在通訊兩地的上空出現了適合通訊的流「一批」信號高速地發送出去,沒有流星餘跡時,處於「等待」狀態,而把來不反發送出去的信號必須智 設備時貯存起來,等待下一個流星 臺(稱乙方)的接收設備高速地收到一批信號後也把這 出現時再發送。在接收然後以正常的速度均勻地輸送出來,些信號貯存起來,輸出端將信號「慢慢」 地進行處理,到乙方的通訊。從而完成從甲方到乙方的通訊。

從工作原理可以知道,在流星餘跡通訊的設備中,除了天線、發送和接收設備外,發送臺和接收臺中還有一個貯存器和一個觸發器。而觸發器是根據通訊線路上信號傳播條件的變化用來自動控制發送和接收設備的工作狀態,當適合通訊的流星出現時,觸發器便接通收發設備,讓甲方的發射機快速地發送一批信號給乙方,而當流星餘跡快要消失時(信號電流強度跌落到某一特定值),觸發器切斷髮射機的電源停止發送信號。流星餘跡通訊的優缺點,流星餘跡的遠距離通訊與電離層通訊相比較,除了不受電離層騷擾、磁暴等因素而中斷通訊外,還有下面一些優點:1.發射功率比較小上面已經講到,流星餘跡反射電波的能力比電離層強得多,在同樣通訊距離上,流星餘跡通訊比電離層系統通訊所需的發射功率要小十倍左右。此外,從功率消耗觀點來看,「斷續」式傳送信號的方式比較經濟,在流星餘跡通訊裡的發射機約只有10%的時間才啟用全部功率來工作,在其餘的90%時間裡,發射機處於「等待」狀態。2.互相干擾較弱由於採用小功率的發射機和定向傳送,對其它臺站所產生的幹擾比較小。因此,工作在同樣頻率上的流星餘跡電臺比其它系統的電臺來說可以放置得更近而不互相干擾。這對不斷擴展超米波波段的電視和無線電廣播發射臺網的情況下是很重要的。3.通訊容量大在同樣條件下,流星餘跡通訊比電離層通訊的容量一般要大十倍。4.有良好的保密性用於通訊的無線電電波被流星餘跡象鏡面一樣反射,被反射回來的信號只有在很小的地區內才能接收到,因此,只有竊聽臺在接收臺很靠近時才有可能被竊聽,這個特性大大提高了傳送消息的保密性。同時,由於斷續式的通訊方式,只有通訊線路上出現可能利用的流星、竊聽臺和接收臺的啟動觸發器同步時才能被竊聽,這是很難做到的。

當然,流星餘跡通訊也有缺點,例如:由於信息的發送是「斷續」式的,被傳送的信息存在延遲現象,而且,流星的出現具有隨機性,因此,各次通訊的間距也有隨機性,這樣就不利於飛行狀態和自動化設備的遙控等信號的傳送;同時,用電報方式傳送消息時,走錯率比較大。

流星餘跡通訊的新發展,當今,流星餘跡通訊已向民用系統擴展,其中最有前途的是流星一甚高頻脈衝系統進行呼救。某地發生災禍時,電話線被毀壞,電力中斷,這種情況如森林起火,大範圍的水災以及人煙稀少地區的緊急呼救等等,可發送甚高頻無線電脈衝經流星餘跡反射而進行呼救。

甚高頻無線電波象電視波一樣傳播,在水平方向只能傳送幾十公裡(取決於地形),但是,某些甚高頻信號能夠被流星餘跡反射回來把呼救信號傳送到二千公裡遠的地方。典型的流星一甚高頻脈衝系統由一座主控臺和許多遠方接收臺組成。主控臺以40~50兆赫固定頻率不斷發射信號(叫做試探信號),遠方接收臺收到信號後就知道有一流星餘跡可用於通訊,於是便將脈衝信號發出去。現在,遠方接收臺可以做成手提式的,重約20磅(9公斤),只有公文皮包那樣大小。由於兼有長距離通訊和輕便易帶著兩個優點,使得這種系統成為理想的緊急呼救工具。流星一甚高頻脈衝系統現已證明非常實用,在美國的阿拉加斯、加拿大的北部地區經常有強烈的極光活動,正常的電離層通訊時常中斷,流星一甚高頻脈衝系統為這些地區提供通訊。城市中的控制中心與邊遠的測量隊保持聯繫,收集偏遠地區的環境資料,美國地質局用它來收集河流的水流資料。

國際上,流星餘跡通訊業務穩步增長。國際柯林斯通信系統羅克韋爾分部把裝備出售給軍方用於緊急通訊,並提供偏遠地區的氣象測量資料。芬蘭的維沙拉公司也設計出收集和發送天氣資料的設備。一直在出售流星一甚高頻脈衝系統的設備和軟體的美國流星通信公司,為埃及設計出一種用來監測尼羅河水情況的儀器,並為我國設計了一種偏遠地區之間進行電傳打字的通信系統。

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