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短波世界:監聽電離層測試器訊號

No.40   1996 May.   p100~103,   by 編輯部



    稀有的電台有兩方面的意義,一是這地方電台很少,只要一出現,便是抽絲剝繭 (PILE UP) 的局面,也有可能兩地間的傳導狀況不良,很少有機會聽到該區電台的訊號。總之,真正的稀有電台是可遇不可求的,硬要分析的話,那只能說不是靠一般不容易降到凡人身上的「運氣」,就是要藉著一般人身上不大容易找到的「耐性」。

    然而最氣人的是,某些專家不用等「運氣」出現,更不用修行求「耐性」,好像稀有電台是垂手可得似的,他們總是那麼準確地掌握了短短幾分鐘的通訊時間,他們是如何辦到的呢?

    其實,知道了他們的訣竅之後,你也可以大聲說,專家 (凡人加一些知識再手握有利的工具就可稱為專家了) 能的我也能。實際上有一種稱為電離層測試器 (IONOSONDES) 的,就是這些專家令人稱羨的主要利器。我們先介紹這種儀器,然後再講明如何監聽它所發出來的訊號。


電離層測試器

    軍事應用或科學研究上,常須要隨時瞭解並掌握大氣層中電離層的變化,才能規畫出可靠的短波通訊頻率管道,或是做一些短波通訊的預測。有一種叫作電離層測試器,就是針對探測短波傳導狀況而設計的。在未進入主題之前,先談談電離層。

    電離層是指一些帶電粒子在地表上空約幾十公里到數百公里之間所形成的一個厚厚的帶狀層,它隨著高度變化分成好幾層。這些帶電粒子是在稀薄氣體的上空,原子或分子受到陽光紫外線的照射而游離,成為帶電粒子。不同密度的帶電粒子,可以對不同頻率產生折射,利用這個特性,地球上兩相距數千甚至上萬公里的電台,可以藉著短波進行通訊,因為短波碰到適當的電離層會被折返回到地表。


電離層的分類

    主要的電離層分三層,最底層的稱為 D 層,在離地高度約 50 到 100 公里之間。其次是介於 100 到 150 公里之間的 E 層,通常此層影響電波並不很大,有時會形成一很薄的電離層,稱為「散亂 E 電離層」 (SPORADIC-E),這種形成時間很短暫的電離層有時可以反射頻率高達 VHF 範圍的訊號。最高一層是 F 電離層,高度在 150 公里以上,此層對短波的傳播很重要,大部份遠距離通訊都是由此層把訊號折射而完成的。

    電波受電離層折射時,回到地表後可以再折射出去,如果又碰到了可以滿足折射條件的電離層,則又可以回到地表來,參看圖 1。

Fig 01
圖 1:電波受電離層折射時,回到地表後可以再折射出去。如果又碰到了可以滿足折射條件的電離層,則又可以回到地表來。

    電離層對於電波會有反射、折射、或吸收,是由許多因素決定的。每天內的時間、一年之內的那一季節、外氣層的氣候狀況、太陽的活動狀況、及使用的頻率與發生在地球的那一區域等,這些因素搓合在一起,傳播狀況就變得錯綜複雜。所以什麼人能夠知道地表某兩點間的傳播狀況呢?現在我們就進入電離層測試器。


什麼是電離層測試器

Fig 02
圖 2:全球置有電離層測試器的分佈情況。

Fig 03
圖 3:電離層測試器發射機。
Fig 04
圖 4:電離層測試器接收機。

    電離層測試器是一非常簡單的裝置,電離層測試器發射機使用很低的功率發射出一橫掃整個短波頻譜的訊號,大多數的電離層測試器所掃描的頻率從 2MHz 開始,掃描的速率大約是以每秒 100KHz 向上到 30MHz 為止。掃描一巡約耗 4 分鐘又 40 秒。裝置有電離層測試器的管理者,大約是每間隔 15 分鐘掃描一次,但也有採用 5、10、20、或 30 分鐘間隔的。參看圖 2 是全球置有電離層測試器的地點,這些設備都有固定的發射功率、及掃描的開始時間和間隔。而這些電離層測試器發射機使用的天線,千篇一律,都使用沒有指向性的天線。

    為了確定兩點間建立起可靠的通訊路徑,可以在其中一點置電離層測試器發射機,參看圖 3,另一點則安置電離層測試器接收機,參看圖 4,當然電離層測試器接收機的接收頻率必須採取同樣的頻率掃描速率,也就是說兩者要彼此同步。

    電離層測試器接收機會記錄下電離層測試器發射機的各個頻率訊號有多強,不過大部份的頻率可能因為電離層狀況不好而接收不到訊號。但是兩地點可以根據電離層測試器的接收記錄選擇一有利的頻率做聯絡,以建立起可靠的通訊。

    此項電離層測試器技術是移植自軍事科技,以基地台為主,設立一電離層測試器發射機,另外以機動的地點設立電離層測試器接收機來找最可靠的通訊頻率。但是一旦電離層測試器開始掃描,至少也要等約 5 分鐘才能找到合適的通訊頻率。

    由電離層測試器接收機測得的結果所輸出的圖案稱為電離層測試器記錄圖,參看圖 5,上頭記載著電離層測試器接收機的接收訊號強度及訊號從發射地到接收端所耗的時間。這時間約在幾毫秒左右。

Fig 05
圖 5:電離層測試器記錄圖。



判讀電離層測試器記錄圖

    有時候,電離層測試器發射訊號會從幾個不同路徑抵達接收端,而每道不同路徑有不同的延遲時間,這也就是為什麼電離層測試器記錄圖上會有幾個接收點,以頻率為參考的不同延遲形成一道曲線。這些經過幾次跳躍才抵達接收端的訊號,因為行徑比較長,所以延遲的時間也較長。而以頻率為基礎的各個不同頻率的訊號強度,表示在電離層測試器記錄圖上端。

    因為隨著頻率上升,它可以穿透的電離層也隨著升高,這也就是為什麼電離層測試器記錄圖的曲線會隨著頻率上升而隨著稍微升高。但是到了某一頻率稱為最高可用頻率 (MUF) 時,曲線不見了,因為此時電離層測試器接收機無法接收到發射機的訊號。如圖 5 所示,MUF 約為 26MHz,頻率高過此值的訊號,電離層無法產生折射回到地表,遂直奔太空而去。


普通的接收機是否可以聽到電離層測試器訊號?

    這答案是肯定的,事實上這一點也不難。因為每個電離層測試器的操作時間是依照時間表定下來的,根據開始的時間及頻率掃描速率,很容易可以算出來電離層測試器掃過某一頻率的正確時間。

    然而普通短波接收機的頻寬只有 3KHz 左右,而電離層測試器發射機訊號是以每秒 100KHz 掃描的,那麼 3KHz 的窗口就只能抓住約 3/100 秒的時間了,這時間雖短,但你的確可以聽到電離層測試器發射訊號跑過去的聲音,「嗡」的一聲,因為大多電離層測試器訊號都沒有調制,所以不論是你使用 AM 也好,CW 也罷,都可以聽到那「嗡」的短促聲音。


如何使用一般接收機收聽電離層測試器訊號?

    有幾種方法可以聽到電離層測試器發射機訊號,先在 2 到 30MHz 內找一沒有干擾的頻率,聽到電離層測試器發射機的「嗡」訊號時,應記下正確的時間,要以秒為最小單位。

    然後根據記錄資料,推算回去,可以找到同一電離層測試器發射機訊號在某一頻率出現的時間。不過要知道,圖 2 只是部份的電離層測試器分佈情況,全球使用中的電離層測試器超過兩百部以上,當然這些也並非都是持續運轉中。

    另一種方式是,選擇標準時間標準頻率發播台,例如 2.5、5.0、10、15、及 20MHz。在這頻率仔細監聽,並記錄下電離層測試器發射訊號的出現時間,這有助於很精確地掌握電離層測試器發射機訊號的出現時間,而同一電離層測試器發射機訊號跨過上述頻率的間隔分別是 (分:秒) 00:25、01:15、02:05、02:55。利用此種技巧,我監聽過超過十個不同的電離層測試器發射訊號。

    若是只要專監聽某一電離層測試器發射訊號,你可以利用短波接收機的頻道記憶功能,把介於 2 到 30MHz 內,沒有干擾訊號存在的頻率依序輸入記憶頻道 (可以挑一些特別的頻道,例如太空通訊用的,或者是緊急救難頻道,這些平常很少有人為的干擾訊號),並事先算出每一相鄰頻率電離層測試器發射訊號出現的時間間隔,你可以很精確地聽到同一電離層測試器的發射訊號。

    最後一種方式是,你可以利用電離層測試器發射訊號來立即檢視 DX 狀況,例如在 10 到 15MHz 之間很容易監聽到電離層測試器訊號,那表示是與北美、南非、歐洲等地做通訊的好時機。


也許你已經有了經驗而不自知

    對電離層測試器系統了解之後,相信你一定會回憶起以前的經驗,並且發現怎麼常聽到電離層測試器的訊號;尤其是你收聽短波時,至少也常可聽到電離層測試器訊號。

    當我知道有這回事,並且演練幾次之後,我把先前幾年的短波錄音帶 (大多是飛航通訊) 拿出來播放,竟然也可以清楚地聽到電離層測試器訊號聲音。

    監聽電離層測試器訊號時,應避免選用短波廣播頻率,因為這些頻率往往很吵雜,干擾多。最理想的監聽頻率應選飛航或航海用頻率,這些波段是:

3.40  ~  3.5MHz
4.00  ~  4.38MHz
5.45  ~  5.73MHz
6.20  ~  6.525MHz
8.10  ~  9.040MHz
12.23 ~  13.36MHz
16.36 ~  17.41MHz
22.00 ~  22.855MHz
25.07 ~  25.21MHz

    其中特別是有兩段專供無線電天文使用,極為安靜,那就是 13.36 ~ 13.41MHz 與 25.55 ~ 25.67MHz。

    而有些電離層測試器還特別設計,在 Standby 時,會在上述兩波段內靜態發射並保持靜音。


結論

    電離層測試器工作的開始時間,精確度在 1 秒以內,所以為了要印證特定的電離層測試器訊號,你的時鐘要能保持 1 秒以內的準確程度。常與標準時間標準頻率發播台核對時間是最省事的方法。如果傳導狀況良好,你掌握的時間準確,那麼在幾分鐘之內,你應可以收到半打以上的電離層測試器訊號。 END



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