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什么是业余无线电卫星通信
发表日期:2010-07-22 09:22:17 来源:《无线电》杂志 2009.04 作者:吴国光(BA7IA) 【 】 浏览:4953次 评论:0

 

 

 

随着我国的业余无线电活动的发展,业余无线电活动的领域也向太空扩展。业余无线电爱好者利用在太空中运行的人造地球卫星进行业余无线电通信,这是除了用短波通信方式以外的另外一种可以使信号达到超视距范围的现代化通信方式。由于业余无线电卫星运行轨道所处的高度比较高,因此业余无线电卫星通信具有超视距的覆盖范围、通信信号质量好,可以预测等的优势。但受业余无线电卫星运行条件的限制,必须等待业余无线电卫星通过附近时才可以进行通信,而且需要通信的双方电台都要能同时看到业余无线电卫星,而且还要克服太空传输路径中出现的种种不利因素,这就对业余无线电爱好者的器材设备、技术水平和操作技巧等方面提出了更高的要求。

 

 

 

1961年12月12日由业余无线电爱好者自行研制的第一个业余无线电卫星OSCAR-1在美国发射成功,OSCAR是Orbiting Satellite Carrying AmateurRadio的英文缩写,这个业余组织致力于研究、制造和发射业余无线电通信卫星。OSCAR-1卫星的重量仅有4.6kg,只携带了一个145MHz的信标发射机,而且只有140mW的发射输出功率。OSCAR-1卫星在太空短短22天的飞行期中,世界各地就有22个国家的570个业余电台通过接收该卫星发出的信标信号来观察和研究VHF波段信号穿越电离层的情况,并通过解读OSCAR-1卫星发送的遥测信号了解卫星的轨道和卫星温度变化的情况,取得了业余无线电卫星信号接收和跟踪的实际操作经验。OSCAR-1业余无线电卫星的发射成功,不但证明了业余无线电爱好者们有能力研制、开发和控制自己的卫星,也标志着业余无线电通信活动从此进入了太空时代。此后,业余无线电通信卫星经过不断改进和发展,已经有美国、俄罗斯、日本、印度等国家及欧盟的业余无线电组织成功地开发、制造和发射了20多颗业余无线电通信卫星,现在还在太空正常运行操作的业余无线电通信卫星也有十几个(通过网站www.amsat.org/amsat-new/satellites/status.php可以了解到目前还在运行的、可以使用的业余通信卫星及其参数)。世界各国的业余无线电爱好者利用这些业余无线电通信卫星可以方便地进行各种通信方式的试验和联络。最近几年里,这些业余无线电卫星还实现了多功能化,在卫星上搭载许多其他实验仪器和设备,服务于大学的科技组织研究项目、自然灾害时的紧急通信以及进行高新科技实验等,成为名副其实的业余卫星。中国无线电运动协会(CRSA)也在积极探索和实施自行研制和开发我国的业余无线电通信卫星,成立了业余无线电通信卫星的开发研究小组,相信由中国HAM自己研制的业余无线电通信卫星在不久的将来也会发射升空。

早在20世纪80年代,我国就有一些集体电台对业余卫星通信进行探索。我国对个人业余电台活动开放以来,全国各地有越来越多的HAM对业余无线电卫星通信产生兴趣。多年来进行了很多积极的探索、研究和实践,参加这项活动的队伍和规模也在不断地壮大。近年来,一些学校的集体电台还积极参加ARISS国际空间站业余无线电通信计划(Amateur Radio onthe International Space Station),这个计划可以使学生们体验前沿高科技,给学生们提供一个利用业余无线电和国际空间站宇航员直接交流的兴奋体验。教师、家长和社会都将看到业余无线电将如何激发青少年对科学、技术和知识的追求。继南京三中的BY4RRR和上海的BY4AY进行了ARISS成功对话之后,广州同福中路第一小学业余电台BY7KTO将于今年的年初成为我国第三次ARISS学校通联,同时这也是我国第一次由小学校自主参与ARISS活动的计划。

在这些通联活动的背后,由许多HAM组成的技术支持团队,对活动的成功做出了无私奉献,用他们的知识、技术和器材等筑就了“通天之路”,以他们高尚的情操、辛勤的汗水、认真的态度和过硬的技术,赢得社会对业余无线电爱好者的赞誉。同时在活动中也取得了对于深空通信的很多宝贵经验,进一步促进了我国业余无线电技术水平的发展。

由于业余无线电通信卫星技术的发展和进步,以及参与业余无线电通信卫星活动队伍的不断壮大,业余卫星通信已经被国际电信联盟确认为一项专门的无线电业务-业余卫星业务(Amateur Satellite Service)。其定义是:利用地球卫星上的空间电台开展与业余业务相同目的的无线电通信业务。为了能更好地开展业余无线电卫星通信活动,在原有的业余无线电频段中,专门划分出一些频率段作为业余卫星通信的专用频段(详情请参照业余无线电频段分配表)。我们业余无线电爱好者平时若不是进行业余无线电卫星通信有关的操作,请尽量不要在这些相关频段范围内的频率上发射信号,以免对业余无线电卫星的通信造成干扰而影响其他HAM进行正常业余无线电卫星通信操作。业余无线电卫星通信推动和研究的组织AMSAT(The Radio Amateur SatelliteCorporation),现在已经遍布世界上几十个国家和地区,对业余无线电卫星通信有兴趣的爱好者可以通过登录该组织的网站www.amsat.org查找到有关的最新技术资料和活动的进展情况。

业余无线电通信卫星简介

对业余无线电通信卫星朴素的理解就是一个运行于环绕地球轨道上的业余无线电中继电台的平台,该平台上的业余中继电台无偿地提供给全世界所有符合资格的HAM使用。和我们一般地面上使用的V/UHF中继电台不同之处,就是业余无线电通信卫星是处于一个不断地围绕地球运动的状态,电波传播的路径长、复杂多变,而且卫星在太空中的环境非常严酷,还需要进行姿态控制和电源调度等控制管理,因此业余无线电通信卫星在技术和实际操作上都比普通的中继电台要复杂得多。

1. 业余无线电通信卫星的分类

通过查找资料,目前国际上比较主流的是把业余无线电通信卫星按照它的运行轨道和功能等分成以下5类:

 

 

(1)Phase 1 :早期发射的业余卫星,只携带低功率的信标机,轨道很低,在轨寿命只有几个星期,如OSCAR1 ~ 5。

(2)Phase 2 :业余通信卫星运行

于1000km 以下的低轨道,卫星绕地周期只有几个小时,因此,卫星的通信时间比较短,只有几分钟到十多分钟。同时,通信的覆盖范围也比较小。这类卫星安装有多种工作方式的中继器,在轨寿命比较长,可以连续地工作四五年。要操作这类卫星需要有很好的跟踪软件和天线,并且通信时还要进行多普勒频移补偿。如OSCAR 6 ~ 9,RS10 ~ 16 等。

(3)Phase 3 :业余通信卫星运

行于长椭圆轨道,卫星的运行周期达11 ~ 12 小时。卫星的通信时间增加到几个小时,可以覆盖的通信区域也大大增加。当卫星运行在远地点附近时,可以很容易用简单的方法进行跟踪,同时可以手动进行多普勒频移补偿。但是这类卫星的距离比较远,操作需要比较大的发射功率和高增益的天线系统。这种类型的卫星首先由通信卫星摩尔尼亚使用,因此这样的远地点到达静止轨道附近的长椭圆轨道也称为摩尔尼亚轨道。摩尔尼亚轨道运行的卫星能在一天之内两次覆盖同一地区,因而在高纬度的地区可以把它看作静止卫星使用,跟踪操作起来非常方便。如OSCAR 10、13、40。

(4)Phase 4 :位于地球静止轨道上的业余通信卫星。由于卫星的轨道平面与地球的赤道平面一致,而且卫星的运行周期和方向都与地球自转同步,因此在地球上观察在此轨道上的卫星就好像在空中静止不动,跟踪起来非常容易,天线可以固定安装设置,同时也不用进行多普勒补偿(就和我们现在收看卫星电视一样)。但是,这条轨道是唯一的,兼有很高的商业利用价值的重要轨道,目前,还没有在此轨道上的业余无线电通信卫星,相信以后就算有静止的业余通信卫星,很大可能只是寄生在大型通信卫星上的一个小转发器而已。

(5)Phase 5 :在深空中运行的业余无线电通信卫星,例如围绕月球或火星运转的业余卫星,目前AMSAT 正计划发射P5A。

2. 业余无线电通信卫星的运用方式

与我们常用的V/UHF业余中继电台一样,地面业余电台和业余通信卫星之间的通信包括上行通道和下行通道。为了避免相互的干扰,业余通信卫星转发

 

 

器和我们通常的业余中继台不同,业余通信卫星的上行通道频率和下行通道频率一般被安排使用在不同的频段。业余通信卫星转发器的不同频段组合就称为业余通信卫星的运用方式。为了简明起见,常用一个字母来表示,见表1。

 

 

 

 

 

随着业余无线电通信卫星运用频段的不断扩展,表1也已经有点不敷应用,于是就出现了另一种命名方法:

以一个字母来代表上行或下行频段,一个运用方式由两个字母组合而成,见表2。

不同的业余无线电通信卫星具有不同的运用方式,甚至有的同一颗卫星在不同的时段也会采用不同的运用方式工作。因此,在进行的业余无线电通信卫星操作之前,要先在“AMSAT”等有关网站上了解清楚该业余卫星的运用方式安排和具体的操作频率等信息。

3. 业余无线电通信卫星的通信模式

如同我们在地面进行业余无线电通信一样,业余无线电卫星通信也可以采用CW、SSB、FM和RTTY等各种电波调制模式进行。业余通信卫星的通信模式和卫星上的转发器的运用模式有很大的关系。目前,广泛使用的业余无线电卫星转发器的工作方式与我们普通地面使用的V/UHF业余中继电台有很大的不同,我们地面使用的V/UHF业余中继电台是先把接收到的上行信号解调成音频信号,再让这个音频信号去调制另一个发射的下行信号。但是业余无线电卫星上转发器通常是采用接收上行的已调制信号,经过外差频率变换后直接用下行频率发送的方式,在这种工作方式中,信号被原样地转发出来,中间并没有把信号解调出来,因此被称为线性中继方式,又称为频道变换器或线性转发器。

 

 

 

 

 

使用这种形式转发器的业余无线电卫星进行通信,只要使地面上行的信号在业余通信卫星转发器限定的频

带内就可以原样地返回地面。因此,理论上这种转发器可以适应任何模式的通信。但是,有的业余无线电通信卫星由于设计的通频带有限,或者储备的电源容量有限,又或者转发器的有效辐射功率不够等因素,可能限定只能以CW或者SSB等某种模式操作,但是比较新型的业余无线电通信卫星已经可以用FM等几乎所有的通信模式进行操作。业余无线电通信卫星的具体操作模式也会根据卫星的运行情况和星上电力状况等进行不同时段的调整,最好在操作前到“AMSAT”网站上了解清楚。

由上所述,线性转发器实际上也可以转送数字信号,只不过数字信号经过一上一下的传输过程以后,信号受到干扰和波形失真等因素影响,使得信号的误码率增大,信号的纠错处理完全依赖于地面接收端。现在有的业余无线电通信卫星上搭载了数字通信中继器,可实现真正意义上的数字卫星通信。目前,大多数业余无线电数字通信都采用分包(Packet)通信方式,通常采用AX.25 协议传送数据。在业余无线电通信卫星上也是采用这种方式,并且操作所使用的设备与地面进行分包通信的设备没有本质的区别。分包通信的调制解调器接口TNC可以用专用的产品,也可以用电脑的声卡配合适当的软件进行模拟,最近已经出现了完全数字化的D-STAR业余无线电收发信机,在这类机器的内部已经嵌有调制解调器接口。

 

通过业余无线电通信卫星的数字中继器可以进行高达9600bit/s数据传输速率的通信。除了可以进行实时的数据通信以外,还可以利用业余无线电卫星上的数字中继器以电子留言板方式和电子邮箱方式进行通信。在这种通信方式中,使用者把数字信息发送到业余卫星上,卫星把这些的信息存储下来,当卫星运行到其他地方,由另一个使用者打开业余卫星上的信息存储器,下载所存储的信息。通过这种方式,通信双方即使不是同时处于业余通信卫星的覆盖区域上,也可以在不同的时间和地点实现双方的通信交流,类似于我们在互联网上的论坛和邮箱等的交流通信方式。通过往业余无线电卫星的数字中继器发送请求指令,有的业余通信卫星还可以下载该卫星的工作状态和周围环境状况等遥测数据,通过对这些遥测数据进行的长期分析和研究,可以了解到卫星的运行情况、太空的环境状况及对卫星的影响等情况。听说有的业余卫星上还搭载有对地球拍照的数码照相

机,可以通过数据链接收到业余卫星从太空发回的云图等美丽影像!

业余卫星或国际空间站的APRS(Automatic Position Reporting System)自动位置报告系统,是一个比较新的系统操作功能,业余卫星或国际空间站把它自己的位置数据放入系统中,而来自地面操作的业余电台也把它的GPS位置数据上传到业余卫星APRS的存储器里,这些位置数据可以通过业余卫星的数字电台下载到你的电脑里,在屏幕上的电子地图上标示出来。如果业余电台是移动的话,它可以显示出业余电台在电子地图上的移动路径。APRS数据传输同样是采用基于AX.25协议的分包(Packet)通信方式,以1200bit/s或9600bit/s数据传输速度送出APRS信息。通过操作接收业余无线电卫星上的APRS应答机,就可以在电子地图上显示出卫星的运行轨迹和所有操作应答机的地面业余电台在地图上的位置。

和任何事物的发展过程一样,业余无线电通信卫星也是经历从低级逐步地向高级、从简单向复杂的发展过程。从卫星上只搭载信标发射机,到简单的应答机,再到中继转发器,频道变换器,进一步是多频段的交叉转发器和多个中继转发器;卫星的操作模式从CW到SSB再到FM通信;从模拟语音发展到进行SSTV、图像和视频通信再到数字通信;从遥测数据到分包(Packet)通信;从以存储转发的电子留言板方式到电子邮箱方式再到实时数据转发方式等。随着业余无线电通信卫星上使用中继转发器的频段不断扩展,业余无线电通信卫星的应用进入了微波领域,卫星上所搭载中继转发器的带宽也在不断地增加,不但可以同时容纳更多的使用者,其数据的传输容量也有大幅的增加。随着技术、材料和元器件等水平的不断提高,卫星的中继转发器发射功率也从过去的只有100mW提高到上千瓦级的水平,使得现在进行业余无线电通信卫星的操作显得更容易。业余无线电卫星也逐步地向多功能化方向发展,在卫星上安装有多种多样的科学仪器和实验装置,使卫星成为一个大众天空实验室,令业余无线电活动拓展至更广阔的外延领域里。卫星运行的轨道也从过去的低轨道发展到长椭圆轨道、高轨道甚至是地球同步轨道,未来更可能会有在深空星际航行轨道运行的业余无线电卫星呢。

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