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無線電監聽樂趣多:
如何接收超長波

No.43   1996 Aug.   p118~120,   by 林茂榮 / BV5OC






第一次接觸長波廣播

    很少人有機會跑到大約 150KHz 到 280KHz 之間的頻率,許多接收機都可以接收這個頻率,但是對於一般在台灣的朋友,因為島內沒有任何的長波廣播或是發射長波訊號,因此也就沒有機緣聽到一般的長波廣播。我第一次接觸到長波廣播,是有一次到訪歐洲,在當地買了一部歌蘭地 (Grundig) 接收機,上頭有 LW 波段,當時在旅館內可以接收到不少電台,回台後偶而也切到 LW 看看是不是有電台,通常只有在入夜後,甚至是深夜之後,才可以聽到少數幾個蘇聯的長波廣播,後來也斷斷續續地收聽這些廣播。

    在超長波中還有一些其他的用途,例如研究影響地球上無線電通訊的瞬間電離層干擾 (SID; Sudden Ionospheric Disturbances) 現象,這種常使無線電失效的現象與太陽活動有關,影響最甚的是短波通訊,然而瞬間電離層干擾現象對於超長波恰巧與短波相反,不是電波受阻,反而使超長波的傳導更好。

    要涉入超長波活動最方便的是練習接收超長波標準時間發播台,一般是在 20KHz、40KHz、或是 60KHz,對於在台灣的愛好者,因為電信研究所無超長波標準時間發播台,因此只能接收日本 60KHz 的超長波標準時間發播台,這電台架設在日本中部,本島接收到的訊號並不強,但是依然可以正常接收。

Fig 03
圖 3:超長波發送的數位標準時間訊號,這是接收 60KHz 訊號在示波器上的波形。

    屬於商業局的美國國家標準技術局 (NIST) 也設有超長波標準時間發播台,也就是 WWVL 的 60KHz 標準時間發播台,一般以超長波播送的標準時間訊號會比高頻的標準時間發播台訊號更可靠也更穩定,因為超長波沒有電離層干擾的問題。圖 3 是超長波發送的數位標準時間訊號在示波器上的波形。

    接收超長波訊號最常碰到的問題是天線和接收機,因為一般的通訊型高頻全波段收發機或是接收機,最低接收頻率是 100KHz 或 150KHz,對於接收 60KHz 當然是力有未逮,而另找接收機,或者是加裝超長波變頻器就可以了。另外接收超長波的天線也是一大問題,下面就要介紹一種接收 60KHz 的超長波天線。


超長波天線

Fig 04 圖 4:接收 60KHz 的超長波天線的基本架構,這個框架是由 5 根木材加工而成。
 
Fig 05 圖 5:利用彩虹排線的接法,位移錯開一蕊對接,就可以型成一個有如連續纏繞的線圈,58 蕊形成初級線圈,這是天線主體,另外 2 蕊則是耦合線圈,成為天線的輸出。

    參看圖 4 是這天線的基本架構,這個框架是由 5 根木材加工而成,木材 0.5 公分厚,8 公分寬,長 90 公分,其中 4 根組成一個方形框,剩下的一根裝做支柱,為了增加方框的堅固,四個角落都有補強角偶用的三角形墊板,如果要有更強的結構,四個內角可以增加一根小木棒貼緊角落。

    天線材料方面,要準備一條長 3 公尺的 60 蕊彩虹排線,這可以在電腦材料行或是電子材料行買到。彩虹排線的接法參看圖 5,位移錯開一蕊對接,就可以型成一個有如連續纏繞的線圈,58 蕊形成初級線圈,也就是天線主體,另外 2 蕊則是耦合線圈。根據資料及實際測量,這天線的繞線電感值大約是 7mH (毫亨利),要產生 60KHz 的共振頻率大約需要 1000pF 的電容,這個電容就是圖 5 中的 C1,可以由 365pF 的調諧電容並聯適當的固定電容,例如並聯一只 820pF 電容,或者是並聯 330pF 及 430pF 電容。這裡使用的電容以銀質 雲母電容或者是陶瓷電容為佳。

    耦合用的變壓器是一般音響或是接收機用的喇叭輸出變壓器,這類變壓器的標準產品是 1K:8,也就是初級 1K 歐姆,次級輸出是 8 歐姆。但是在這個天線中,變壓器是反過來用的。通常聲頻輸出變壓器的頻率反應曲線 -3dB 點可以到 70KHz 或是 80KHz,有些真空管音響用的輸出變壓器,-3dB 點可以到 150KHz,但是價格非常昂貴。

    要調整這環狀天線,可以把輸出接到示波器,然後從訊號產生器的輸出中心軸接一條鱷魚夾線,把這訊號線來到天線,然後調整訊號產生器的頻率到 60KHz,調整環狀天線可變電容,使示波器的訊號最強。使用時,可以調整環狀天線的方向,使接收訊號最強或是干擾訊號最弱。


低頻與全球衛星定位系統

實用的全球衛星定位系統

目前全球性的一般緊急救難系統當中,幾乎部已經採用了「全球衛星定位系統」 (GPS; Global Positioning System),作為定址的主要用途,以便迅速地找到出事地點,也就是包括了導航和定位的功能。目前一只手掌型的全球衛星定位接收系統的售價還不到一萬塊台幣,而且價錢還持續不斷地下降中,價格便宜也造就了大量使用全球衛星定位接收系統,例如自動緊急救難浮標求救系統當中的發射機,除了發出原來的求救訊號外,有些還附帶著全球衛星定位接收系統,此時在求救訊號裡還有遇難的正確地點資料。

可定位、求高度、及行進速度

雖然全球衛星定位系統還不能說百分之百的全天候供應使用,不過計畫中有 24 枚的全球衛星定位系統衛星幾乎已經全部投入使用,因此可以說在任何地點隨時都有 4 枚以上,有時多達 6 枚的全球衛星定位系統衛星訊號在可視範圍,而這種全球衛星定位系統只要有其中兩枚衛星訊號就可以定出正確位置,有三枚衛星訊號的話,還可以有離地高度的正確資料,以及移動速度等數據。

美國國防部的全球衛星定位系統

「全球衛星定位系統」 (GPS NAVSTAR) 是由美國國防部發展出來並且操控著它,這種全球衛星定位系統衛星繞著地球南北極轉動,而且東西向移動,每天可以掃過地球兩圈,因此,地表上任何地方、任意時間裡,應該都可以接收到 4 枚以上的定位衛星訊號。當然這有個先決條件,就是接收的位置不會受到任何建築物或是自然屏蔽所阻擋才行,因此,要是攜帶全球衛星定位接收系統在山谷中,難免會有很大比例的時間,因為受到山的阻擋,讓接收機因為接收不到衛星訊號,而使顯示幕上出現空白資料。

開放的標準定位服務

Fig 06
圖 6:手掌型 GPS。攜帶、應用都非常方便。

這種不到一萬塊台幣的民用全球衛星定位系統,是使用頻率 1500MHz 左右的散亂頻譜訊號,接收來自三枚以上的定位衛星訊號便可以輸出正確的定位資料。民用的全球衛星定位系統只能使用所謂的「標準定位服務」 (SPS; Standard Positioning Service),這種全球衛星定位系統訊號不論是在海上或是路地上,都可以精確地定位出 30 公尺直徑的範圍,這樣的定位能力已經足以讓緊急救難時,導引搜救人員正確地抵達出事的地點。圖 6 是一般的手掌型 GPS。

選擇性的精密定位服務

但是美國國防部採取了選擇性的服務,使得一般的全球衛星定位系統標準定位服務的精確度下降了 3 倍,因此以手掌型的全球衛星定位接收機,可以精確的定位範圍是直徑 90 公尺左右,這是美國國防部故意設計的圈套,好讓作戰時敵方靠全球衛星定位系統要投擲炸彈或類似攻擊時,不能夠很準確地命中目標。但是美國軍方,或是特殊訂戶,卻可以擁有精確的全球衛星定位接收系統,這是限定用戶使用的,此系統可以接收到「精確定位服務」 (PPS; Precise Positioning Service) 的訊號,這是一般民用全球衛星定位系統無法接收的,其精確度可以達 15 公尺直徑。

專供緊急救難用的差動全球衛星定位系統

但是還有一項好消息,那就是可以透過一種叫做「差動全球衛星定位系統」 (DGPS),這種配合長波訊號使用的差動全球衛星定位系統,可以使定位的精確程度達到 10 公尺以下,因此使用了差動全球衛星定位系統之後,用途增加了不少,例如在空難的現場,不僅可以很快定出飛機落地處,而且還可以差動衛星定位系統來記錄飛機殘骸的分佈狀況。

配合長波訊號的差動全球衛星定位系統

差動全球衛星定位系統所使用的長波廣播電台一般是設立在海岸邊,它可以服務的範圍大約有 150 公里左右,這種長波廣播使用的頻率是 285~325KHz 之間。當然這類的差動全球衛星定位系統也可以應用在陸地上,到時候,以精確定位服務配合長波廣播的差動全球衛星定位系統,應可以提供精確度達 1 公尺以內的定位系統,此時陸地上的自動駕駛系統,似乎不必藉著如慣性導航等其他的輔助設備就可以實現。

這種可用於差動全球衛星定位系統的長波廣播,可以利用標幟訊號的副載波傳送校正碼,以去除選擇性服務上的障礙,目前有些全球衛星定位系統都預留有差動全球衛星定位系統功能,可以外接差動全球衛星定位系統長波廣播的解碼盒子,這樣就可以使定位精確度回到 30 公尺以內。根據一項在美東海岸上的不斷測試,在 90% 以上的時間,差動全球衛星定位系統都可以有 10 公尺以內的精確度。



結論

    如果在離海岸不遠處使用這類因為緊急救難系統而設置的差動全球衛星定位系統,可以得到比一般全球衛星定位系統高出三倍的精確度,但是也別太貪心,目前以一只不到一萬塊台幣的全球衛星定位系統,可以隨時定位出 100 公尺左右的精確度,這在十幾年前還可能只是個夢想呢! END



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