《走近业余卫星通信》(八)| 聚焦OSCAR-7业余卫星

2021年1月18日    16:21    热度:194 dbw     0 条响应   |  业余卫星 -> 业余无线电

载人航天和业余无线电

by Keith Baker, KB1SF/VA3KSF, [email protected]

本文原题为《载人航天和业余无线电》发表于《监测时报》

(Brasstown, NC 28902)

        本文将把目光聚焦在一颗古老的业余卫星,一颗迄今持续在轨(半操作状态)近47年的业余卫星 OSCAR-7(以下缩写为AO-7)。

开始


        1974年11月15日,AO-7作为Delta 2310火箭的第二载荷与ITOS-G(NOAA 4)卫星、及西班牙的INTASAT卫星一起,在加利福尼亚州隆波克附近的范登堡空军基地发射升空。AO-7是第二颗业余卫星,因此被称为“Phase II”系列卫星(Phase II-B)。“Phase II”系列卫星不像之前在轨时间较短的业余卫星那样只携带了信标发射机,它们搭载了业余无线电频段射频转发器。 

图1  早期,爱好者经常在他们的地下室或花园里建造业余卫星,图中是Dick Daniels(W4PUG),正将电子元器件焊接到AO-7的电子设备模块(AMSAT提供)

        这颗重量约30公斤的八面体卫星(高360mm,直径424mm)被发射至倾角为101.7度,近地点和远地点分别为1444km和1459km的近似圆轨道。卫星天线阵由倾斜可旋转的圆极化VHF/UHF频段天线系统和HF频段偶极子天线组成。 

图2  AO-7的总装“净室”是用钉木和塑料布制成,尽管简陋,AMSAT从未有一颗卫星因为污染而被发射机构拒绝。(AMSAT提供)

        与AO-6类似,AO-7由多个国家(德国、加拿大、美国和澳大利亚)爱好者在AMSAT-NA指导下共同建造。卫星搭载非反向A型(V/A型)和反向B型(U/V型)线性转发器。10m波段和2m波段的遥测信标以组件的方式附着在圆形卫星的表面。遗憾的是,AO-7的2304.1MHz实验信标因国际频率划分的原因,从未被激活。 

图3  AO-7项目成员和他们的成果(AMSAT提供)

        四根天线以90度的间隔安装在底部,两个实验性的Morse和电传电报(teletype messages)中继器系统,在卫星绕地球轨道运行时为其提供存储和转发能力。B型转发器由Karl Meinzer(DJ4ZC)教授和Werner         Haas(DJ5KQ)教授设计并建造。B型转发器是第一次使用“HELAPs”(基于参数合成的高效线性放大)技术,这项技术的一部分在Meiner教授的博士论文中提出。“HELAPs”在后续的业余卫星中被证实是非常有效的。 

图4 Jan King(W3GEY)在准备AO-7卫星的振动试验(AMSAT提供)

        两个转发器通过定时器装置交替操作,但转发器选择和输出功率控制也可以通过地面命令完成。每个转发器在下行链路通带的上边缘包括一个键控遥测信标,以提供内务数据以及一个参考标记,帮助业余爱好者设置其上行链路功率。第一次尝试设计两个转发器的频带交叉,允许业余爱好者监测自己的下行信号,以帮助他们补偿不断变化的路径损耗、转发器负载和多普勒频移。 

图5  AO-7与Delta火箭的上一级匹配。AO-7位于右下角(AMSAT提供) 

图6 1974年11月15日, AO-7由Delta2310火箭在加利福尼亚州隆波克附近的范登堡空军基地发射升空(NASA提供)

失而复得

        AO-7在轨工作了近7年,1981年年中,因电池失效停止工作。2002年6月21日,Pat Gowen(G3IOR)在2米波段搜寻所谓的“闯入者”时,偶然发现一个频率145.973MHz的信标信号以8-10字符/秒速率缓慢发送Morse码。信号完全消失前,缓慢地向下漂移到145.970MHz。卫星信标在S9达到峰值,有时它呈现出较差的质量,在频率上抖动,然后又恢复较高水平,且相当稳定。令人惊讶的是,后来发现搜索到的是AO-7。

        原项目经理Jan King(W3GEY)后来指出,AO-7有一套非常好的太阳能电池板。当电池发生故障时,一个或多个单独的电池单元出现“短路”故障。让AO-7的实验者没有想到的是,失效的电池“短路”,电池电路变成了“开路”,所有航天器负载(包括转发器)都可以从高效的太阳能电池板中获取电力。AO-7由此将拥有足够的太阳能,成为“白天专用”卫星。

        事实上,这就是导致AO-7在休眠多年后奇迹般地复活的原因。这颗现在“只在白天使用”的卫星的唯一缺点是,每次太阳光照射到航天器上,它在离开遮挡后就会通电,而卫星转发器在“模式V/U”或“模式U/V”随机切换。

当前状态

        随后的分析显示,即使在轨道上运行了近30年(除了现在“开放”的电池外),AO-7仍然保持着令人惊讶的良好状态。太阳能电池板、BCR、仪器开关调节器,以及“模式B”和“模式A”转发器似乎都工作得很好。更重要的是,Morse码遥测编码器和电压参考电路以及其他星载电子设备仍在为AO-7的地面处理人员提供有用的数据。对于一颗卫星来说,AO-7已经成为了一个遗迹,它是由一群“业余爱好者”在地下室和车库里建造的(相当准确地说),并在近30年前发射到地球轨道上。 

图7  AO-7在轨道上的渲染图(AMSAT提供) 

表1  AO-7卫星的频率和模式数据

收听的时间和地点

        自从AO-7起死回生,它再次成为AMSAT最受欢迎的线性(模拟)通信卫星之一,当阳光充足AO-7能提供惊人的强下行信号。

        要确定AO-7第一次出现在地平线上是处于哪种模式,还需要一点耐心。首先要将下行频率设置在任何一个通带的中间,例如29.450 MHz或145.950 MHz;然后,在上行发送几个间隔很宽的CW信号,同时调整上行信号的频率。一旦听到发送的CW信号在下行链路回复,就能知道卫星处于哪种模式,然后就可以开始通信。

操作小贴士

        由于AO-7具有相对高功率(2-8瓦)的下行发射机,在地面应该能够听到非常微弱的信号,从而不需要上行信号高功率发射。事实上可以在5瓦或更小的功率下,用小的打蛋器天线与AO-7通信。如果卫星在地球站远端,可能需要增加功率,但是当卫星过顶时,功率可以降到很低。

        有一点需要注意的是,AO-7的“B模式”上行链路也处于非正式的70cm波段,所谓的“弱信号”地面频段的中间位置,该频段是在AO-7首次沉默后建立的。上行链路功率过高可能会干扰频带中的其他业务,并且可能会被认为是虚假的带外发射。

        此外,如果听到下行信号开始迅速改变频率(由“颤音”表示),这意味着上行信号功率过大,降低发射功率,这种情况会改善。更重要的是,由于最强的信号在通带的中间,因此需要更小的发射功率才能收到下行信号。还要记住,语音信号对AO-7的功率系统的压力最小。因此,如果使用的是CW,请格外警惕上行功率,功率尽量不要太大。

        希望在爱好者的正确操作下,AO-7有很多年的“半操作”寿命。

编译:刘明星  王孟  杨娟

注:译文所含信息的所有权、使用等归原发布平台《监测时报》所有。中文版可以在署名“国家无线电监测中心 翻译”的情况下转载。

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