《走近业余卫星通信》| 你的第一次业余卫星通信:它比你想象中更简单(一)

2021年1月15日    20:18    热度:330 dbw     0 条响应   |  业余卫星 -> 业余无线电

业余卫星通信概述

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

本文原题为《开启业余卫星通信之旅:它比你想象中更简单》发表于《监测时报》

(Brasstown, NC 28902)

        兴趣爱好的广泛涉及是业余无线电通信最显著的特点之一。如果你对其中某一类探索失去了兴趣,总会对其他新领域产生尝试的兴趣。六十年转瞬即逝,业余无线电新技术层出不穷,但业余卫星通信始终是最有趣的事。

        刚开始接触业余卫星通信之前(爱好者们通常称业余卫星为“鸟”),了解如何发现和跟踪卫星是很重要的。作者发表系列文章旨在简要介绍跟踪和操作卫星的基本概念、业余无线电爱好者操作卫星通信的方式,并对如何开展业余卫星通信提供指导和帮助。对于初学者,本文将以AO-51业余卫星为例(爱好者们称相对容易跟踪的通信卫星为easier-to-operate卫星,缩写为EZ sats),带您走进最活跃、最精彩、最具挑战的业余卫星通信领域。


图1  被称为“Echo”的AO-51放置在运载火箭前级

地点:拜科努尔发射场。(AMSAT提供)

        爱好者们既会对利用无线电设备通过卫星收听信号或交谈感到神秘和敬畏,也会因为错误操作或者无法通信等问题产生担忧。早期,仅有一两颗业余卫星(OSCARs, Orbiting Satellites Carrying Amateur Radio)在轨运行,爱好者们需要花费大量时间和精力发现、跟踪卫星的运行轨迹。

        截至2010年,轨道上已有20多颗活跃的业余卫星,国际空间站(ISS)在轨实验室也搭载了业余无线电设备,许多新一代的业余卫星正在研发或制造、测试中。可以肯定地说,现在利用业余卫星实现通信的机率比以往更大。

跟踪业余卫星

        想要收听业余卫星或利用它进行通信,首先需要知道跟踪的卫星何时在地面站可视范围出现。目前,业余卫星爱好者们都可以接入互联网,直接通过数字终端跟踪卫星。

        各种操作系统都有共享或付费的卫星跟踪软件,许多业余无线电网站还提供在线跟踪,跟踪卫星变得轻而易举。但精确掌握卫星运行轨迹,则需要爱好者对源于卫星运行轨迹的观测数据,熟练使用开普勒轨道根数(简称“Keps”)。

        北美防空司令部(NORAD)承担跟踪在轨卫星工作,并授权美国国家航空航天局(NASA)定期公布非涉密卫星轨道信息(信息按卫星编号排列,包含用于描述并确定卫星运动轨道的形状、大小、轨道面的空间位置以及卫星在其轨道上位置的参数)。

        现在,爱好者不需要掌握轨道力学(开普勒定律)的复杂细节,通过在卫星跟踪软件中输入所在位置的经纬度、当前时间和开普勒轨道根数后,程序将解决复杂的轨道运算,实现实时轨道预报和卫星跟踪。

        开普勒轨道根数会随时间变化而失效,因此可靠获取最新轨道根数是爱好者的首要任务。业余无线电网站大都会发布Keps。例如, AMSAT网站可以下载各种格式Keps文件,网址:www.amsat.org/amsat-new/tools。对于AO-51和ISS这种容易跟踪的“EZ sats”而言,一些网站甚至会提供嵌入式在线跟踪功能,即输入地球站经纬度或Maidenhead区块坐标(MaidenheadGrid Square),就能提供被关注卫星进入地球站可视范围的时间信息。

图2 Chuck Green(N0ADI)正在做AO-51发射准备

地点:拜科努尔发射场(N0ADI提供)

信标

        掌握被关注卫星进入地球站可视范围时间信息后,下一步是接收该卫星信标。卫星信标大多包括一个或多个频率、幅度固定的信号,主要功能是显示卫星在空间中自身位置,以利地球站对卫星进行搜索、捕获和跟踪,以及轨道测量。

        卫星信标有莫尔斯电码,各类数字信号等多种信号模式。一般情况下,信标频率大多以固定功率在卫星下行频段的低端或高端发射。设置和校准地球站天线及其他设备时可作为绝佳参考值。

        大多数卫星通过信标向地球站既发送卫星状态信息,又发送遥测信号,有些卫星还能够发送转发器时间信息。大多数FM卫星(包括AO-51)的单通道下行链路就是信标本身。

转发器

        通信卫星转发器是用于接收和转发卫星通信地球站发来的无线电信号,实现地球站之间或地球站与卫星之间通信的设备,可对接收的信号进行放大、变频,并再次发射回各卫星通信地球站或卫星,其功能类似于调频中继器。与地面调频中继器不同的是,大多数业余卫星转发器有严格对应的上下行频率,在完全不同的业余频段上接收和转发信号。简言之,业余卫星类似“挂在天上的变频中继器”。

        卫星轨道运行使其转发的信号带有显著的多普勒效应。就像火车驶来时,鸣笛声的波长被压缩,频率变高,因而声音听起来纤细;火车远离时,声音波长被拉长,频率变低,声音听起来雄浑。通信期间,当卫星接近时,上、下行频率大于标称值;当卫星过顶后,上、下行频率逐渐降低。

        例如AO-51,采用弯管转发器,在某个频率上接收信号并即时在另一个频率上通过下行信号转发回地面。AO-51搭载有不同类型的转发器,本文将以调频语音转发器为例,指导初学者进行业余卫星通信。

通信模式

        业余卫星运行早期,常用一个或几个字母来表示卫星转发器的模式。例如,卫星的上行频率波长2米,下行频率波长为70厘米,则该卫星的工作模式被称为“模式J”;上行频率波长70厘米,下行频率波长为2米,则称为“模式B”。

        目前,很多卫星都搭载了多模式的转发器,会出现类似用频段首字母的代号体系。例如,卫星的上行频率在UHF频段,下行频率在VHF频段,原来的“模式B”变为“模式U/V”。同理,原来的“模式J”现在变成了“模式V/U”。AO-51的转发器上行频率波长2米,下行频率波长70厘米,属于“模式V/U”或“模式J”。

图3 作者夫人Kate Baker(KB1OGF/VA3OGF)使用建伍 TH-78A双频段对讲机和MFJ 1717扩展型“rubber duck”天线,通过AO-51开展通信。在卫星过顶时段,对讲机输出功率5瓦,能完成通信。

地点:密歇根休伦湖畔。

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