怎样测听人造卫星的无线电信号

在筹备第三届国际地球物理年的（1957到1958年）时候，苏联和美国都决定发射人造卫星，以配合科学研究。可是事实上苏联在这方面超过了美国，于今年10月4日和11月3日成功地放射了第一和第二个人造卫星。这个划时代的成就标志着科学新纪元的开始，标志着人类已经迈出了征服宇宙空间的第一步。再一次证明苏联拥有世界上最先进的科学技术。这是庆祝伟大的十月社会主义革命40周年最珍贵的献礼。

苏联发射的第一个人造卫星里面装着各种测量仪器，其中包括两部发射无线电信号的发射机，频率分别为20.005兆周和40.002兆周（波长则为15和7.5公尺），发射功率约为1瓦，足以保证地球上各地的观察站和无线电爱好者可靠地收到无线电信号。信号采用电报信号的形式，每个信号的持续时间约0.3秒，在相等的间歇时间内发射另一种频率的信号（图1）。第二个卫星上载有更多的测量仪器和试验动物——一只狗，也有两部无线电发射机，频率和第一个卫星上用的相同，不过发射的信号40.002兆周为连续方式。

苏联的人造卫星是用三级火箭送上轨道的。它的轨道是一个椭圆，地球的中心是椭圆的一个焦点（图2）。因此在绕地球运行一周的时间内，人造卫星离地面的高度不断在改变，如第一个人造卫星最高点达900公里，最低点是300—500公里。绕地球一周的时间是1小时36分12秒。第二个卫星最高点1700公里，绕地球一周需时103.7分。轨道和赤道平面的倾斜角都是65°。

用人造卫星可以精密地测定地球的大小和形状，各地区不同的密度和地磁分布情形。除此还可以用人造卫星研究高空气象对地面的影响。测高空大气的密度。根据人造卫星的寿命便能知道上层大气的密度。用人造卫星可研究电离层对无线电波传播的影响、研究高空中的各种宇宙射线、用活的动物研究星际航行医学生物学的各项问题，为未来的星际航行收集必要的资料。

为了获得上述的各种精确的科学研究资料，首先必须测定人造卫星运行的轨道。人造卫星运行轨道的形状、大小和位置由下列5个参数来确定(图3)；(1)最高点；(2)最低点；(3)轨道的倾斜度，即轨道平面与赤道平面间的夹角；(4)交线的经度；(5)由最低点至交线的角距离。

人造卫星运行轨道的平面对恒星来说，几乎是固定的，即不随地球而旋转。由于地球的自转，因此卫星每转一圈就会出现在地球的其它地区的上空，移动的位置大约是经度24度。人造卫星的运行轨道平面与赤道平面之间成65度，因此凡是位在南北极圈之间的区域内的任何观测者，不论是在那一个经度上，迟早总能看到人造卫星。地球是由西向东自转的，地球上的观测者也随着移动。移动的路线如图4虚线所示。在人造卫星绕地球一周的时间（1小时36分12秒）内，在赤道的观测者向东约移过了2500公里，在我国北京的纬度上将向东移过约1680公里，也就是说人造卫星每转一周将比上一次偏西约1680公里。在南极圈以北，北极圈以南的地区可以看见两次：一次是人造卫星“上升”，一次是“下落”。在南极圈和北极圈则只能看到一次。

人造卫星所发出的无线电信号可收听的持续时间，决定于人造卫星的运行速度，接收机的作用距离以及观测点离这次运行轨道的距离。每次能收听的持续时间平均是几分钟，灵敏度高的接收机可以长途30余分钟。

在观测人造卫星运行轨道的工作中，较简单的方法是记录卫星飞临或飞过接收点的时间和所收到的信号电平。为了接收人造卫星所发射的信号，必须有一架灵敏度为1—3微伏的接收机（能接收十几公尺或十公尺以下波段的），内有接收等幅振荡的本机振荡（这种接收机按国家无线电器材管理条例属于受管制的器材——编者注）。接收天线可以用折叠式半波振子，因为信号的频带宽度不很宽。天线的水平部分应指东—西方向。

人造卫星飞过某地的瞬间，可以根据收到的信号强度来断定。信号强度跟发射天线和接收天线之间的距离成反比，因此当人造卫星离接收点最近时，信号强度便最大。这种方法虽然简单，但不能用来精确地测定人造卫星飞临的瞬间，因为信号在穿过电离层时会产生不稳定的衰落。

应用多卜勒效应可以使测定的精确度大大提高。所谓多卜勒效应就是指无线电发射机以某一速度移近接收机时，接收机收到的信号频率便比发射机实际发射的频率高，或当发射机离接收机远去时，收到的信号频率便降低的现象。这时我们用图5所示的装置来观测。如果我们是接收频率为40.002兆周的信号，那么可将接收机的本机振荡器调整在40兆周。当人造卫星刚进入接收范围时，设信号频率由于多卜勒效应而等于40.003兆周，与频率为40兆周的本机振荡相拍，经检波后，在听筒中便能听到3千周的声音。随着人造卫星的飞近，即随着人造卫星飞行方向与至接收机方向间夹角的增大，卫星飞近接收机的速度逐渐减小，收到的信号频率便慢慢减小。当人造卫星飞临接收点上空时，飞近接收点的速度等于零，即不产生多卜勒效应，收到的信号频率等于发射的频率（40.002兆周）。这时在听筒中听到40.002—40=0.002兆周或2千周的声音。以后，人造卫星便离接收点远去，离去的速度起初慢以后快，信号频率也随着降低为40.001兆周，我门便听到40.001—40=0.001兆周或1千周的声音。

人造卫星飞临接收点的时间，可根据录音机的录音来判定。由于收到的多卜勒频率与时间的关系曲线（图6）对发射频率f\(_{0}\)是对称的，所以f0（40.002兆周）等于f\(_{最大}\)（40.003兆周）和f最小（40.001兆周）的平均值，即f\(_{0}\)=f最大+f\(_{最小}\)2。f最大和f\(_{最小}\)在放录音时可加以测定。为此，需用图7所示的混频器，标准振荡器和一付耳机。第一次测量放录音带最初一段，调节标准振荡器，直至耳机中听到的拍频等于零，这时标准振荡器所指的读数就是f最大。第二次测量放录音带的最后一段，重复上述的过程，求出f\(_{最小}\)。这样便能按公式求出f0。其后将标准振荡器的读数拨至f\(_{0}\)的数值，放录音带的中间一段，当耳机中的拍频为零时，立刻使录音带停止移动，便能找出相当于人造卫星飞临接收点时的录音位置。在接收人造卫星发射的信号时，同时将电台广播的标准时间录在上面，可以知道正确的飞临时间。

借人造卫星来研究无线电波在电离层中传播的情况，主要是测定人造卫星所发射的短波与超短波信号（20.005兆周和40.002兆周）的电平。电平可用输出测试器或真空管电压表测得。收到的信号电平决定于两个因素：（1）接收天线与发射天线间的距离；（2）电离层吸收无线电波的程度。由于收到的信号电平与距离成反比，而距离是可以测定的，因此信号电平由距离引起的衰减值是可以算出的。实际收到的信号电平因电离层的吸收而小于上述，所小的数值就是电离层引起的衰减。因此，记录所收到的信号电平的变化情形，就能获得在人造卫星运行轨道上各处的电离层吸收无线电波情况的宝贵资料。

记录所收到的信号电平的方法如下：将一架调谐在20.005兆周的短波接收机和调谐在40.002兆周的超短波接收机按图8连接起来。两架接收机分别把人造卫星发射的短波信号和超短波信号接收下来以后，经放大、检波而变成低频信号。这两个低频信号通过600欧的两个去耦电阻同时录在磁带上。因为人造卫星的两架发射机是输流发射脉冲信号的，所以就不会产生交调失真。

欲研究所收到的两种信号的电平时，可将录音机的输出接至示波器（图9），在萤光屏上便看到不断变化的两种信号的波形。由于两种信号迅速更替，我们的视觉又有残留特性，于是信号便同时显现出来，它们在幅度上相隔若干距离（图中U\(_{KB}\)与UyKB），迭置在一起。这两种信号幅度随时间而变化的情形，就说明了电离层对两种不同波长的电波的吸收作用。（朱邦俊根据苏联“无线电”1957年6期、8期及其他资料编写）