业余卫星来了,你约么?

祝贺长征六号携带20颗卫星首飞圆满成功,业余爱好者又多了9颗业余卫星!

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追求“更远”是人的本能,也是业余无线电爱好者的目标。大多数业余无线电爱好者都能熟练地使用中继台来扩大通信范围,小型低功率电台通过中继台就可以在方圆数千平方公里范围通信。然而,许多业余无线电爱好者并不知道我们身边最好的中继台就是已经被火腿们使用了40多年的业余卫星。

业余无线电爱好者如何才能接收到业余卫星发射的无线电信号?又如何才能通过业余卫星进行双向无线电中继通信?从1961年发射成功第一颗业余卫星OSCAR-1(奥斯卡-1)至今已近60年,已发射成功的业余卫星近百颗,业余卫星通信的方式也多种多样,卫星通信并不一定需要复杂的技术和昂贵且庞大的设备,一台普通的U/V双频段手持对讲机加上一根增益稍高的对讲机鞭状天线就完全可以用来与业余卫星进行通信。

业余卫星相关知识

1. 卫星

通常所说的业余卫星是指人造地球卫星,是环绕地球按闭合轨道做周期性运行的物体。根据物理学的基本原理,物体要绕地球闭合运行就必需要达到大约7.8公里/秒的第一宇宙速度,因此人造地球卫星都运行在距地表120公里以上,地球稠密大气层之外的空间区域,称之为外层空间或宇宙空间。

2. 轨道

为了与卫星通信,需要知道某个时刻卫星在空间的位置,天文学上有多种方法可以确定卫星围绕地球运行的轨迹即卫星轨道,最常用的是开谱勒轨道要素,他用半长轴、偏心率、倾角、升交点赤经、近地点幅角、过近地点时刻六个参数来确定卫星的轨道,我们可以根据开谱勒轨道要素推算出某个时刻卫星在空间的位置。

轨道类型:

低地球轨道 LEO — 轨道高度通常1000公里以内的圆形轨道,且轨道通过地球两极。

高椭圆轨道 HEO — 轨道高度近地球点距离地球几百公里,远地球点距离地球40000公里或更远的椭圆轨道。

地球同步轨道 GEO — 通常距离地球37000公里,此轨道卫星同步地球自转飞行,因此相对地面GEO卫星是静止的。

大多数LEO业余卫星绕地球飞行一圈需要100左右分钟。

3. 有效载荷

业余卫星的外形各异,一般呈四方形或多边形菱柱状构形,外表面常有各式各样的天线伸出。最小的业余卫星体积只有几厘米见方,质量不到1千克,大的业余卫星比人还高,质量几百千克。业余卫星就是携带有业余无线电台的人造地球卫星,他所携带的业余无线电台有两大类型,在卫星技术上统称为有效载荷。一类是只能发射无线电信号的设备,称他为信标机。接收卫星的信标信号可以跟踪卫星的运行,了解卫星的工作状态,许多业余卫星的信标信号包含有反映卫星工作情况的遥测数据;业余卫星携带的另一类业余无线电台是能够接收来自地面的无线电信号并且居高临下把信号再转发回地面的设备,称之为通信转发器。

业余卫星工作频段多在:
V段 — 140MHz 左右
U段 — 430MHz 左右
L段 — 1300MHz (1.3G) 左右
S段 — 2400MHz (2.4G) 左右

卫星转发器类型:

⑴ 线性转发器:实时的CW和SSB通信,一个线性卫星转发器能够转发多路SSB和CW信号。线性转发器可以转发任何类型的信号,不过业余卫星的线性转发通信主要使用SSB和CW模式,原因是卫星上能源十分宝贵。业余卫星采用太阳能电池阵和电池联合供电,但由于体积和质量的限制,业余卫星不能够像商用卫星那样携带大型供电系统,所以不得不尽量使用高效的通信模式,提高电源利用率。

⑵ 调频转发器:单信道FM中继通信。调频转发器就是把地面的中继台搬到远离地球表面几百到数万公里的卫星上,卫星信号所能到达的区域比地面上任何最好的中继站都要广得多。FM模式是以等功率载波连续发射工作的,这意味着每个发射信道都以大功率工作,可以想象,假如许多FM信道同时工作,那么需要消耗的能量不是微小型业余卫星所能承受的,因此通常业余卫星调频转发器只有一个信道。

⑶ 数据存储转发器:非实时的数据存储转发通信。业余无线电爱好者把短信息或文件发送给卫星并存储在卫星上,其他爱好者可下载卫星上存储的短信息、文件和文件目录,实现在卫星上建立BBS(电子公告牌 - 网络论坛的概念)。

4. 多普勒效应,重点!

业余无线电爱好者在卫星通信中所必须应对的另一个问题是多普勒效应。卫星与你之间的相对运动引起信号频率的偏移,称为多普勒频移。当卫星朝你飞来时,下行链路信号频率的增加,当卫星离你而去时,则信号的频率降低,这与火车驶过时你听到的汽笛或火车啸声音调变低是非常相似的现象。多普勒效应导致卫星的信号在其使用频率附近出现缓慢偏移。你要做的就是调谐你的发射频率,来补偿多普勒频移并保持你的频率相对稳定。

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AO-51卫星外形

确定与哪颗卫星通信

卫星轨道高度:选择近地轨道(LEO)卫星。卫星离地较近,卫星无线电信号到达地面时较强,有利于爱好者接收。

卫星无线电台发射功率:选择发射功率较大的卫星。卫星发射功率越大,到达地面的信号也就越强。

卫星无线电台工作模式:选择有U/V模式,FM话音中继转发器卫星。这些模式的卫星在2m和70cm波段上收发无线电波,电波的传播损耗比1.2GHz和2.4GHz等更高频段要小,更适合地面爱好者使用较小的发射功率和简易的天线做卫星通信。FM话音中继转发模式最容易操作,使用方法与地面中继通信最接近,大多业余无线电爱好者也已拥有FM对讲机和车载电台,可能不需要增添任何设备就能上手做卫星通信。

准备好必要的通信设备

选定了要通联的卫星,需要有能与之通信的设备。卫星通信的最基本设备是天线和无线电收发信机。对于业余卫星通信初学者建议U/V模式FM话音转发器的卫星入门。也就是说你只要有一台最基本的U/V双波段FM收发信机,即手持对讲机或车载台就可以了。想使用线性转发器最好使用带有U/V波段的全模式收发信机,比如Yeasu FT-991, FT-897/857/817, ICOM IC-7000等。

定向天线主要用于卫星天线,比如手持八木天线,一般由3单元的VHF八木天线和7单元的UHF八木天线组合在一起的紧凑型双频段双极化八木天线。爱好者完全可以自制这种天线。

可用于低轨道(LEO)卫星通信的高性能全向天线有几种类型和形状。“打蛋器”天线是其中之一,他由两个十字交叉的环形金属圈组成,形如家里用来搅拌鸡蛋的打蛋器,这种天线已被证明十分好用,他的辐射是全方向的不需要任何旋转器控制。美国爱好者W3KH提出的四螺旋天线是另一种适合的全向卫星通信天线,带有反射网的十字天线也已经很好地用于LEO卫星通信多年。

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了解选定卫星什么时间过境

开始与卫星通信之前,一定需要知道有哪些卫星在什么时间可以使用,这一点与地面电台之间的通联是很不一样的。由于资金等原因,业余卫星并不运行在和许多商业用途航天器一样的地球同步轨道上(静止轨道)。在静止轨道上漫游的卫星位于地球赤道上空大约3万7千公里的高度,他们的速度与地球的自转速度相吻合,这些卫星看起来就像“悬挂”在天空的一些固定位置上。

但业余卫星要么是运行在近地轨道(LEO),要么是运行在远地点很高的椭圆轨道(HEO)上。无论哪种,在太空中都不是位置固定的。当卫星围绕地球运动时,他们的位置相对于你是在不断变化的,这意味着你需要预测何时卫星会出现在你能通信的区域里,以及他飞越当地上空时将沿着什么路径运动。

完全依靠人工来完成这项工作是一件复杂而繁重的事情,庆幸已经有很多软件能够很好地处理这些预测任务。一个最简单的程序就可以提供你所指定的卫星的时刻表,给出了卫星经过时每分钟所要求的天线指向角度。卫星在水平线上的仰角越高越有利于通信,一般规定卫星正处于地平线上为零度仰角,头顶上方为90°仰角。

完善成熟的软件,可提供更多的信息。这些软件可以在世界地图上给出图形化的卫星实时移动的情形。在互联网上有许多卫星预测软件可以下载,比如Oribitron,Ham Radio Deluxe 和 NOVA。

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在正确的时间和地点尝试

在准备与卫星通信之前,需要先运行卫星跟踪软件,看看是否有仰角在30°或更高的卫星经过,仰角越高,通联就越容易,通联的效果也越好。如果计划在户外操作,最好将时刻表打印出来,随身携带或者携带笔记本电脑。

对于U/V波段的近地轨道卫星,当卫星从地平线升起进入有效通信区域时,由于多普勒效应,开始收到的信号频率就会偏高,你会接收到比卫星标称下行频率高出大约10kHz的信号。建议你使用FM转发器通信时关闭接收机的静噪以便得到最高的接收灵敏度。如果你突然间听到噪音电平下降了,那么这表明卫星信号来了,可以开始尝试着通过卫星通信了。在卫星经过轨迹的中点之后,需要将接收机的频率调得比卫星标称下行频率偏低,随着卫星飞来并且越过你头顶逐步远去的过程中,对于FM模式你应该以5kHz步进逐步降低接收频率。这些频率步进可以预先存储到信道,以便通过简单操作按钮就可以补偿多普勒频移。

需要注意的是FM卫星通信就像地面FM中继台一样,同一时间只能有一个人讲话。假如有两个或更多人同时发射,那么就会阻塞卫星转发器的接收机,致使大家都无法正常通联。因此,在发射前一定要认真收听,确认信道空闲再发射,通联中要尽量保持语言简短。对于近地轨道卫星即便是最好的情况下,每次通过也往往只有大约10-20分钟的时间可以使用。如果已经与别的电台建立起通话,千万别忘了还有其他许多爱好者正等待着使用这颗卫星。

根据CQ现代通信 “迎接希望号-如何与业余通信卫星通联” 与英国RSGB “Getting Started on Amateur Radio Satellites” 文章改编,BG3MDO

 

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