《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(二)

2021年1月16日    20:44    热度:41 dbw     0 条响应   |  业余卫星 -> 业余无线电

业余卫星通信系统的基本组成

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

本文原题为《开启业余卫星通信之旅II》发表于《监测时报》

(Brasstown, NC 28902)

        欢迎再次来到“开启业余卫星通信之旅”专栏。本人发表系列文章的目的是分享接收和应用不断发展壮大的OSCAR(支持业余无线电的在轨卫星)系列卫星的实操方法,以帮助卫星操作初学者以及准初学者揭开业余卫星通信的神秘面纱。并对当前在轨卫星,以及仍然处于规划或预备发射阶段的卫星信息开展研讨。以下,分享一些需要考虑的细节及技巧,便于成功通信“EZ sats”。

 关于手持天线的补充注意事项

        卫星通信中,天线是地面电台最重要的组成部分。因为绝大部分业余卫星的输出功率不超过1~2W,而AO-51和AO-27的常规输出功率仅0.5W左右,SO-50的输出功率甚至更低。

        这些卫星通过单根1/4波长鞭状天线,或由4根这样的天线组成所谓的“旋转栅极”天线阵来发射信号。波长为2m或70cm的1/4波长鞭状天线在卫星底部以45°角向内或向外倾斜。即使采用天线阵列,实际增益也趋近于0。如果低功率发射不足为惧,试想这些低轨卫星与地球站的通信距离,即便在过顶时段,也至少相距800公里;接近地平面时,距离地球站就有3200公里之多。

        所以,业余卫星通信爱好者需要一个好的接收机和高增益的天线,才能实现可靠的卫星信号接收。大部分对讲机配备的“rubber duck”天线除非处于“理想环境”(指卫星恰好过顶,而且只有少数几个人在同时使用这颗卫星的转发器),否则并不能满足业余卫星的接收或通信。

图1   作者的“手持式卫星地球站”

严酷的太空环境

        另外一个必须要考虑的因素是严酷的太空环境。当太阳光直射时,卫星要忍受250℃的烘烤。当卫星绕到地球后面,不被太阳光直射时,它的外部环境温度将迅速降低到接近零下250℃。如果卫星内部不采取散热措施,快速的温度变化将直接摧毁脆弱的电子器件。

        众所周知,高温极易摧毁设备里的半导体器件。因此大部分业余电台都安装有风扇或金属散热片,但散热工作需要空气,宇宙的近似真空状态,无法通过安装风扇和散热片来给卫星降温,所以需要其他形式来驱散太阳直射带来的高温。

        同样,电池之类的器件在寒冷环境下也不能良好工作。在零度以下的室外使用数码相机的人都知道,如果希望多拍几张照片,就必须用温暖的口袋多装几组电池。

        可以想象,阳光直射时卫星电池和其他电子设备在金属盒中忍受250℃烘烤,日食期间又经受-250℃冷冻。这就是大多数卫星都被设计为在绕地球公转同时,绕垂直方向轴自旋的原因:有助于设备内部冷热均匀(一般通过内部组件与外壳的直接接触来实现),让电池和卫星内部的其他电子设备保持在正常运行的温度范围。所以,简易“拼凑而成”的卫星可能能够在轨运行一时,但肯定不会长期保持良好的运行状态!

图2   2m/70cm型天线将一个10W的双工器塞在泡沫把手内(KB1SF提供)

卫星姿态的偏转

        为保持下行链路天线正确指向地球,卫星从南向北(或从北向南)飞过地球时,将会缓慢偏转。这种翻转一方面有助于平衡由太阳辐射引起的冷热快速交替,另一方面也有助于保持发射天线指向地球方向,以保住其微弱的发射增益。

        但这种连续的翻转意味着当卫星过顶时,其接收和发射天线的极化方式是不断变化的。由于卫星工作模式是“直射路径”,除非能够保持自己天线的极化方式与卫星在整个过境期间的同步,否则由于天线的交叉极化将导致接收信号深度衰落(有时高达5~6 dB)。

        由于卫星翻转过境时,垂直天线通常不能轻易(或快速)地倾斜以匹配卫星极化方式的不断变化。因此,地球站能否接收到卫星下行信号要看运气。经验表明,大多数固定或移动的垂直天线结构过于简单,不足以克服这些局限条件。

        同理,一般对讲机配备的1/4波长和5/8波长鞭状天线也不能适应这种需求。且由于与卫星天线之间的交叉极化频繁出现,大部分对讲机无法提供天线完全生效所需的接地面。

大多数卫星的下行信号刚开始很微弱,具有扫描功能的接收机通常无法用鞭状天线(即使是外接天线)可靠地接收下行链路信号,没有安装放大器的接收机增益通常不够高。

究其根本,卫星通信就是“微弱信号通信”。尽管小型鞭状天线或“rubber duck”天线适用于大多数地面应用,但通常不能提供足够的下行链路增益,无法提高卫星通信的可靠性,继而摆脱“靠运气”通联的情况

图3   作者组装的天线(KB1SF提供)

以下,介绍一个经过改造的小型且相对便宜的八木天线。它能提供更多的上、下行链路增益,从而使对讲机成为一个能够和业余卫星有效通信的地面站!

图4   箭牌天线(KB1SF提供)

手持八木天线

        要使用对讲机规律收听或开展FM卫星通联,就需要使用某些特定形式的手持式八木天线来获取足够有效的上行链路发射功率和下行链路接收增益。

        多年来,很多业余卫星爱好者自制的手持式八木天线专门用于低轨卫星通信。例如,来自英国的资深VHF频段“火腿”Kent Britain(WA5VJB),在互联网上免费分享了使用常见材料自制2m波段和70cm波段手持式八木天线的方案。

        Kent Britain的文章《业余卫星通信的廉价天线》展示了如何简单制造一个用于FM卫星通联的双频段手持式八木天线。AMSAT网站给初学者提供了自制天线方案,网址www.amsat.org/amsat-new/information/faqs。

        很多公司也为爱好者提供了用于低轨业余卫星通信的手持天线。Arrow 146/437-10型手持式双频段天线,Elk 2m/440L5型天线都是认可度很高的产品。使用3~5瓦发射功率的双频段对讲机开展FM卫星通信,或使用VHF/UHF扫描式接收机接收信号时,两幅天线均能提供足够的增益。

图5   70cm波段天线连接结构(KB1SF提供)

其他有用的操作提示

        与业余卫星通信时,要牢记卫星在轨道上不停的自旋和翻转,上、下行链路天线的极化处于不断的变化中。若仅用对讲机连接一根鞭状天线接收卫星信号,那么在卫星过境时,不断移动对讲机将会有益于接收效果。这种移动可能使得你和卫星的天线极化在某些时候能够相互匹配。另外,导体表面(如汽车车身)的反射有时会有助于改善接收或发射信号。

图6   卸下双工器和泡沫把手,将天线安装到三脚架(KB1SF提供)

使用对讲机与业余卫星通联,还需要一个麦克风。有了头戴式麦克风,就不用一手拿天线,一手拿对讲机,尽管都是由轻量化材料制成,但在卫星过境的15分钟内举着它们也会感觉费力。

图7   天线的两个连接臂

使用麦克风或头戴式耳机的另一个好处是避免啸音。如果使用全双工对讲机开展卫星通信,把麦克风和扬声器放在同一个单元里,通常会在传输的时候产生啸叫。

图8   Craig Wolsey(AC8EJ/VA3ICW),通过AO-51进行通联

        由于AO-51、AO-27和SO-50下行链路信号太弱,难以触发大多数FM接收机的静噪。在开始接收之前,要确保接收机静噪开启,直到听到噪音。当卫星覆盖区进入地球站位置时,噪音会“安静”下来,这是一个明确的提示:你确实“捕捉”到了业余卫星下行链路信号。

和“鳄鱼”一起游泳

        调频信号具有非常明显的捕获效应(capture effect),当很多用户同时使用这颗卫星通信时,可能会出现无论如何努力都无法接入转发器的情况。偶尔也会遇到大功率用户,即所谓的“短吻鳄”。这些用户通常采用“只说不听”的操作方式,通过大功率发射最终霸占了业余卫星的上行链路。

        遇到这种情况,爱好者需要在传输间隙不断尝试呼叫或者期望卫星下一次过境时,“鳄鱼”离开了卫星覆盖区。

        如果在距离海岸几百英里以内的区域进行操作,可能会发现,低功率卫星飞越海洋上空时实现通信,要比飞越北美或欧洲时容易。这是因为,此时覆盖区内地球站很少,而且大多数竞争站与卫星的距离都比你远。

如果接收不到卫星信号呢?

        首先在业余无线电爱好者网站重新核对卫星转发器时间表,确保在正确的频率上收听和发射。也可能是跟踪软件提供了错误的过境数据。仔细检查卫星跟踪程序,确保加载了最新的开普勒轨道根数、正确的位置文件(经纬度或Maidenhead区块坐标),以及正确的格林尼治标准时间与本地时间之间的时差。此外,要考虑所在地的夏令时。

图9   可将收集天线零件的便携布袋(KB1SF提供)

        需要注意的是,卫星的转发器时间表和过境时间都是用格林尼治标准时间表示的,每天都会有所不同,需要使用卫星跟踪软件进行跟踪。

        为了获得最佳效果,应至少每月更新一次开普勒轨道根数文件。如果还未安装跟踪程序,可以访问AMSAT网站上的软件跟踪页面www.amsat-na.com/store/category.php?c=Software,获取SAT-PC32软件。

        此外,AMSAT网站对许多AMSAT卫星(包括AO-51、AO-27和SO-50)进行了在线追踪展示。在地图显示界面下,使用下拉菜单选择要跟踪的卫星。

展望未来

        希望未来可以通过“EZ-sats”通信取得联系。在之后的专栏,将讨论一些优化天线和馈电线路的创新方法,同时介绍一些其他的“小技巧”,使爱好者与卫星的接触更加频繁和愉快。

图10 Kent Britian的“LEO”天线(WA5VJB提供)

图11 LEO天线通联(WA5VJB提供)

(编译:杨旭、戴慧玲、纽丽荣、刘明星、张宁)

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原文出自: 中国无线电管理 转载必须以链接形式署明出处。

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