Армии мира всегда были на передовом крае связных технологий. От труб и барабанов до сигнальных флагов и семафоров - все, что позволяло военному командиру быстро передавать приказы войскам на поле боя или вызывать подкрепление, быстро подхватывалось и оптимизировалось. Поэтому, как только было изобретено радио, неудивительно, как быстро военное командование извлекло из него пользу для полевой связи.
Радиотелеграфные системы начали появляться еще во время Первой мировой войны, но Вторая мировая война стала первой настоящей радиовойной, в которой каждая воюющая сторона в полной мере использовала новейшие радиотехнологии. Самым главным в этих разработках была способность сигналов в диапазонах высоких частот (HF, ВЧ) отражаться от ионосферы и распространяться по всему миру, что было важной возможностью при ведении глобальной войны.
Но вскоре после этого, в менее динамичный, но не менее опасный период Холодной войны, военные стратеги осознали необходимость передавать больше информации, нежели возможно с помощью HF-радио, при этом сохраняя возможность делать это в рамках загоризонтной радиосвязи. Им нужна была более высокая пропускная способность более высоких частот, но чтобы каким-то образом сигналы огибали Землю. То, что они придумали, было захватывающим применением практической физики: связь с помощью метеорных взрывов.
Во всем виноват Шеннон
С практической точки зрения существование радиосигнала, который может нести достаточно информации, чтобы быть полезным для цифровой связи, при этом все еще имея возможность распространяться на большие расстояния, является немного парадоксальным. Вы можете поблагодарить за это Клода Шеннона после того, как он развил идею пропускной способности канала из более ранней работы Гарри Найквиста и Ральфа Хартли. Полученная теорема Хартли-Шеннона гласит, что скорость передачи данных канала в шумной среде напрямую связана с полосой пропускания канала. Другими словами, чем больше данных вы хотите запихнуть в канал, тем выше должна быть частота.
К сожалению, это противоречит физике ионосферного распространения [радиоволн]. Благодаря физике взаимодействия радиоволн и заряженных частиц на высоте от 50 до 600 км над землей максимальная частота сигнала, с которой он может быть отражен обратно к земле, составляет около 30 МГц, что является верхней границей диапазона КВ. За ним следует диапазон очень высоких частот (VHF, ОВЧ) от 30 МГц до 300 МГц, который имеет достаточную полосу пропускания для [создания] эффективного канала передачи данных, но для которого ионосфера по сути прозрачна (т.е. не является отражающей средой - прим. перев.)
К счастью, ионосфера — не единственное, что способно отражать радиоволны. Еще в 1920-х годах японский физик Хантаро Нагаока заметил, что ионосферное распространение коротковолновых радиосигналов немного меняется в периоды высокой метеорной активности. Это открытие в значительной степени оставалось невостребованным до окончания Второй мировой войны, когда исследователи подхватили работу Нагоки и изучили механизм, лежащий в основе его наблюдений.
Каждый день Земля "собирает" огромное количество метеороидов; оценки варьируются от миллиона до десяти миллиардов. Большинство из них очень малы, порядка нескольких нанограммов, с несколькими крупными кусками в диапазоне десятков килограммов. Но те, которые в конечном итоге представляют наибольший интерес для целей связи, — это частицы весом порядка миллиграммов, отчасти потому, что в среднем каждый день происходит около 100 миллионов таких столкновений, но также потому, что они имеют тенденцию испаряться на уровне слоя E ионосферы, между 80 и 120 км над поверхностью. Воздух на этой высоте достаточно плотный, чтобы превратить входящий космический мусор в длинный, тонкий след ионов, но достаточно тонкий, чтобы свободным электронам требовалось некоторое время, чтобы рекомбинировать в нейтральные атомы. Это короткое время — где-то от 500 миллисекунд до нескольких секунд — в то же время достаточно долгое, чтобы принести пользу.
Другой аспект метеорных следов, образующихся на этих высотах, который делает их полезными для связи, — это их относительная отражательная способность. E-слой ионосферы обычно имеет порядка 107 электронов на кубический метр - плотность, которая имеет тенденцию преломлять радиоволны ниже примерно 20 МГц. Но метеорные следы на этой высоте могут иметь плотность до 1011–1012 электронов/м3. Это делает следы высокоотражающими для радиоволн, особенно на более высоких частотах диапазона VHF.
Помимо кратковременности метеорных следов, суточные и сезонные изменения количества метеоров усложняют их использование для связи. Вращение Земли вокруг своей оси объясняет суточные изменения, которые имеют тенденцию достигать пика около рассвета по местному времени каждый день, поскольку вращение и орбита планеты идут в одном направлении, а количество столкновений увеличивается. Сезонные изменения происходят из-за наклона оси Земли относительно плоскости эклиптики, где сосредоточено большинство метеороидов. Больше столкновений происходит, когда ось Земли направлена в сторону движения вокруг Солнца, т.е. во второй половине года для северного полушария.
Исследование метеорных взрывов
Создание практической системы, которая использует эти высокоотражающие, но недолговечные и непостоянные "отражатели" в небе, нелегко, как показали несколько послевоенных экспериментальных систем. Первая попытка была предпринята Национальным бюро стандартов (NBS) в 1951 году. Они создали систему, расположенную между Сидар-Рапидс (Айова), и Стерлингом (Вирджиния), длиной около 1250 км. Первоначально построенная для изучения явлений распространения [радиоволн], таких как прямое рассеяние и спорадическое [отражение от слоя] E, исследователи заметили значительное влияние метеорных следов на свои тесты. Это заставило их переключить свое внимание на метеорные следы, которые привлекли внимание ВВС США. Они покупали четырехканальную систему непрерывной телетайпной связи со своей базой в Туле, Гренландия. Они получили ее, но с трудом, благодаря ограниченным технологиям того времени. Система NBS также использовала систему Айова-Вирджиния для изучения более высоких скоростей передачи данных, ориентируя узконаправленные ромбические антенны на каждом конце линии на один и тот же небольшой участок неба. Они добились колоссальной скорости передачи данных в 3200 бит в секунду с помощью этой системы, но только в течение секунды или около того, когда случайно появлялся метеорный след.
Успехи и неудачи системы NBS ясно показали, что [практически] полезная система, основанная на метеорных следах, должна работать в пакетном режиме, останавливая поток данных по каналу связи, пока он существует, и ждать следующего. В 1958 году NBS протестировало систему пакетного режима, которая использовала диапазон 50 МГц и предлагала полнодуплексный канал связи со скоростью 2400 бит в секунду. Система использовала магнитную ленту для буферизации данных и передатчики на обоих концах канала, которые работали непрерывно для контроля пути [прохождения сигнала]. Всякий раз, когда приемник на одном конце обнаруживал достаточно сильный контрольный сигнал с другого конца, передатчик начинал отправлять данные. Канадцы (MBC) включились в работу со своей системой JANET, которая имела аналогичный выделенный "зондирующий" канал и буфер с магнитной лентой. В 1954 году они установили полнодуплексную телетайпную связь между Оттавой и Новой Шотландией на скорости 1300 бит в секунду с уровнем ошибок всего 1,5%.
В конце 1950-х годов Хьюз разработал одноканальную систему MBC «воздух-земля». Это было значительным достижением, не только по причине того что оборудование стало достаточно компактным для установки на борту самолета, но и потому, что действительно усовершенствовалась технология пакетного режима. Наземные станции в системе Хьюза периодически передавали сигнал, содержащий запрос в 100 бит, чтобы проверить путь [прохождения сигнала] к самолету. Приемник на земле ждал подтверждения от самолета, который позволял бортовому передатчику отправлять 100-битный пакет данных в ответ. Система обеспечивала достойную скорость передачи данных 2400 бит/с, но сильно страдала от наземных помех от телевизионных станций и шумов автомобильных систем зажигания.
SHAPE будущего
Первой крупной системой MBC, развернутой во время холодной войны, была система Communications by Meteor Trails, или COMET. Она использовалась Организацией Североатлантического договора (НАТО) для связи своих отдаленных форпостов в странах-членах с Верховным главнокомандованием ОВС НАТО в Европе, или SHAPE, расположенным в Бельгии. COMET взяла пример с системы Хьюза, в особенности ее схему обнаружения и исправления ошибок. COMET была надежной и эффективной системой MBC, которая обеспечивала от четырех до восьми телетайпных сетей в зависимости от суточных и сезонных условий, каждая из которых обрабатывала 60 слов в минуту.
COMET непрерывно использовалась с середины 1960-х годов и до официального окончания холодной войны. К тому моменту защищенная спутниковая связь была далеко не такой непомерно дорогой, как в начале космической эры, и системы MBC стали менее критичными для НАТО. Однако они не были сняты с вооружения, и COMET на самом деле все еще существует, хотя и переименована в «Компактный загоризонтный мобильный экспедиционный терминал». Эти переносные системы не используют MBC; вместо этого они используют мощные УВЧ и микроволновые передатчики для рассеивания сигналов в тропосфере. Небольшая часть сигнала отражается обратно на землю, где антенны с высоким коэффициентом усиления улавливают исчезающе слабые сигналы.
Хотя это и не связано напрямую со связью времен Холодной войны, стоит отметить, что в гражданском космосе в Соединенных Штатах была очень успешная система MBC - SNOTEL. Мы уже подробно рассмотрели эту систему, но вкратце: это сеть станций в западной части США с критической задачей мониторинга снежного покрова. Коммерческая система MBC соединяла станции мониторинга на солнечных батареях, часто в отдаленных и труднодоступных местах, с двумя различными центральными базами. Используя суточные метеорные вариации, каждое утро головная станция отправляла сигнал опроса на каждый удаленный пункт, который затем отправлял данные предыдущего дня, как только открывался обратный путь [для сигнала]. Система могла собирать данные со 180 удаленных пунктов всего за 20 минут. Она успешно работала с середины 1970-х годов до недавнего времени, пока повсеместно распространенная технология сотовой связи и дешевые спутниковые модемы не сделали систему устаревшей.
Источник: Hackaday
Компонент комментариев CComment