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        玩电台学物理:多普勒效应

        发布时间: 2017-07-25
        刚刚过去的周末,国际空间站的SSTV图像下传大家都参与了吗?我所知道的比较幸运的一位朋友,仅靠一根垂直安装的车台天线就成功的接收到了低仰角过境时下传的画面,而且画面质量非常不错哦,看!
        在这个过程中,他什么都不需要做,只要将电台调整到这个频率上,然后坐等接收完成就可以了。而实际在进行卫星通联及卫星信号接收时,不是每次操作都会这么简单,而除了你要用定向天线跟紧卫星的方向以外,还要考虑到多普勒效应对于频率的影响,那么多普勒效应究竟是怎样的呢?
        一台救护车在你身边飞奔而过,你所听到的警笛声的变化(先高后低)就是多普勒效应在其中作怪的效果。这种现象我们并不陌生,而到了无线电波的领域,也存在着同样的多普勒效应的影响哦。在了解无线电波的多普勒效应的时候,我们可以将它们放在一起分析!
        当发声物体向着我们的方向移动时,我们在相同时间内能够接收到的声波波形就变得越来越密集。而在声源远离我们的时候,接收到的声波波形就变得稀疏起来,百科中的动态图非常生动形象的画出了这个过程的样子:
        该情况是在物体运动速度等于0.7倍介质中声速时的情况 - Wiki
        同样,电磁波也遵循着同样的规律,当发出电磁波的物体向我们接近的时候,我们接收到的电磁波的频率会升高,而当它离我们而去的时候,接收到的电磁波的频率就比发射者的频率要低。在我们移动速度较慢的时候这种现象并不明显。平常最常见的一种移动情况就是开车的时候,然而这个速度和电磁波的速度也不在一个量级上,因此基本上可以忽略不计。而对于高速运动的物体来说这个影响就会非常明显了,比如人造卫星上的无线电台。
        在一颗卫星飞过我们的头顶的时候,其发射和接收的无线电信号均会因多普勒效应而产生频率变化,我们若是想要使用这颗卫星上的业余无线电设备的话,就需要考虑到对这个过程中的多普勒效应进行修正。具体的操作方法如下:
        当卫星向着我们飞来的时候,星上发射机的频率在我们接收者看来将高于卫星实际发射频率,此时若想正常的接收到卫星下行的信号,需要将接收机频率调整至高于卫星下行频率的位置上。而同样我们的发射频率也要相应的调低,以使得卫星正常接收(实际上卫星上的接收机是接收到了受到多普勒效应影响而频率升高的信号)。
        当卫星离我们而去的时候,情况正好相反。卫星发射的信号的频率将低于实际发射频率,而其上行频率则需要相应的提高。综上所述,在一次完整的卫星过境过程中,我们的电台应进行这样的操作:
        发射频率:由低于卫星上接收频率的位置开始,随着时间的推移而逐渐升高。
        接收频率:由高于卫星上发射频率的位置开始,随着时间的推移而逐渐降低。
        在800km LEO轨道上,不同频率的最大多普勒频差大小 - VK3JED
        那么,理论上接收空间站下传的信号应该是由高频率逐渐降低,为什么文首的这位朋友没有进行调整,也接收到了良好的图片信息呢?这就和下传的频率和模式也有关系了。多普勒效应随着频率的升高而变得越来越明显。在国际空间站的下行频率144MHz上,多普勒效应还不是特别明显,特别是对于FM这种模式来说,偏移几kHz还能够接受。而433MHz上,多普勒效应的影响就会比较明显了。这时候即使是使用FM模式,在一次过顶的过程中也要进行3~4次的调整,而SSB/CW模式就更加明显了。一个典型的例子就是FM业余卫星SO-50。在卫星过境时,你可以保持V段上行频率不变,而单手调整U段下行频率即可。
        如果你的电台能够连接电脑的话,电脑上现在有不少软件能够自动用卫星的轨道信息来帮助你计算当前的频率信息。而如果没有这样的条件的话,通过一两次实验,一般也能掌握灵活调整频率的方法,卫星通联并没有那么复杂,很多情况下就是缺少多次的实验,试一试!

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