業(yè)余衛(wèi)星通信概述

by Keith Baker, KB1SF/VA3KSF, kb1sf@amsat.org

本文原題為《開啟業(yè)余衛(wèi)星通信之旅：它比你想象中更簡單》發(fā)表于《監(jiān)測時報》

（Brasstown, NC 28902）

興趣愛好的廣泛涉及是業(yè)余無線電通信最顯著的特點之一。如果你對其中某一類探索失去了興趣，總會對其他新領域產生嘗試的興趣。六十年轉瞬即逝，業(yè)余無線電新技術層出不窮，但業(yè)余衛(wèi)星通信始終是最有趣的事。

剛開始接觸業(yè)余衛(wèi)星通信之前（愛好者們通常稱業(yè)余衛(wèi)星為“鳥”），了解如何發(fā)現(xiàn)和跟蹤衛(wèi)星是很重要的。作者發(fā)表系列文章旨在簡要介紹跟蹤和操作衛(wèi)星的基本概念、業(yè)余無線電愛好者操作衛(wèi)星通信的方式，并對如何開展業(yè)余衛(wèi)星通信提供指導和幫助。對于初學者，本文將以AO-51業(yè)余衛(wèi)星為例（愛好者們稱相對容易跟蹤的通信衛(wèi)星為easier-to-operate衛(wèi)星，縮寫為EZ sats），帶您走進最活躍、最精彩、最具挑戰(zhàn)的業(yè)余衛(wèi)星通信領域。

圖1 被稱為“Echo”的AO-51放置在運載火箭前級

地點：拜科努爾發(fā)射場。（AMSAT提供）

愛好者們既會對利用無線電設備通過衛(wèi)星收聽信號或交談感到神秘和敬畏,也會因為錯誤操作或者無法通信等問題產生擔憂。早期，僅有一兩顆業(yè)余衛(wèi)星（OSCARs, Orbiting Satellites Carrying Amateur Radio)在軌運行，愛好者們需要花費大量時間和精力發(fā)現(xiàn)、跟蹤衛(wèi)星的運行軌跡。

截至2010年，軌道上已有20多顆活躍的業(yè)余衛(wèi)星，國際空間站（ISS）在軌實驗室也搭載了業(yè)余無線電設備，許多新一代的業(yè)余衛(wèi)星正在研發(fā)或制造、測試中。可以肯定地說，現(xiàn)在利用業(yè)余衛(wèi)星實現(xiàn)通信的機率比以往更大。

跟蹤業(yè)余衛(wèi)星

想要收聽業(yè)余衛(wèi)星或利用它進行通信，首先需要知道跟蹤的衛(wèi)星何時在地面站可視范圍出現(xiàn)。目前，業(yè)余衛(wèi)星愛好者們都可以接入互聯(lián)網，直接通過數(shù)字終端跟蹤衛(wèi)星。

各種操作系統(tǒng)都有共享或付費的衛(wèi)星跟蹤軟件，許多業(yè)余無線電網站還提供在線跟蹤，跟蹤衛(wèi)星變得輕而易舉。但精確掌握衛(wèi)星運行軌跡，則需要愛好者對源于衛(wèi)星運行軌跡的觀測數(shù)據，熟練使用開普勒軌道根數(shù)（簡稱“Keps”）。 北美防空司令部（NORAD）承擔跟蹤在軌衛(wèi)星工作，并授權美國國家航空航天局（NASA）定期公布非涉密衛(wèi)星軌道信息（信息按衛(wèi)星編號排列，包含用于描述并確定衛(wèi)星運動軌道的形狀、大小、軌道面的空間位置以及衛(wèi)星在其軌道上位置的參數(shù)）。

現(xiàn)在，愛好者不需要掌握軌道力學（開普勒定律）的復雜細節(jié)，通過在衛(wèi)星跟蹤軟件中輸入所在位置的經緯度、當前時間和開普勒軌道根數(shù)后，程序將解決復雜的軌道運算，實現(xiàn)實時軌道預報和衛(wèi)星跟蹤。 開普勒軌道根數(shù)會隨時間變化而失效，因此可靠獲取最新軌道根數(shù)是愛好者的首要任務。業(yè)余無線電網站大都會發(fā)布Keps。

例如， AMSAT網站可以下載各種格式Keps文件，網址：www.amsat.org/amsat-new/tools。對于AO-51和ISS這種容易跟蹤的“EZ sats”而言，一些網站甚至會提供嵌入式在線跟蹤功能，即輸入地球站經緯度或Maidenhead區(qū)塊坐標（MaidenheadGrid Square），就能提供被關注衛(wèi)星進入地球站可視范圍的時間信息。

圖2 Chuck Green（N0ADI）正在做AO-51發(fā)射準備

地點：拜科努爾發(fā)射場（N0ADI提供）

信標

掌握被關注衛(wèi)星進入地球站可視范圍時間信息后，下一步是接收該衛(wèi)星信標。衛(wèi)星信標大多包括一個或多個頻率、幅度固定的信號，主要功能是顯示衛(wèi)星在空間中自身位置,以利地球站對衛(wèi)星進行搜索、捕獲和跟蹤,以及軌道測量。

衛(wèi)星信標有莫爾斯電碼，各類數(shù)字信號等多種信號模式。一般情況下，信標頻率大多以固定功率在衛(wèi)星下行頻段的低端或高端發(fā)射。設置和校準地球站天線及其他設備時可作為絕佳參考值。

大多數(shù)衛(wèi)星通過信標向地球站既發(fā)送衛(wèi)星狀態(tài)信息，又發(fā)送遙測信號，有些衛(wèi)星還能夠發(fā)送轉發(fā)器時間信息。大多數(shù)FM衛(wèi)星（包括AO-51）的單通道下行鏈路就是信標本身。

轉發(fā)器

通信衛(wèi)星轉發(fā)器是用于接收和轉發(fā)衛(wèi)星通信地球站發(fā)來的無線電信號，實現(xiàn)地球站之間或地球站與衛(wèi)星之間通信的設備，可對接收的信號進行放大、變頻，并再次發(fā)射回各衛(wèi)星通信地球站或衛(wèi)星，其功能類似于調頻中繼器。與地面調頻中繼器不同的是，大多數(shù)業(yè)余衛(wèi)星轉發(fā)器有嚴格對應的上下行頻率，在完全不同的業(yè)余頻段上接收和轉發(fā)信號。簡言之，業(yè)余衛(wèi)星類似“掛在天上的變頻中繼器”。

衛(wèi)星軌道運行使其轉發(fā)的信號帶有顯著的多普勒效應。就像火車駛來時，鳴笛聲的波長被壓縮，頻率變高，因而聲音聽起來纖細；火車遠離時，聲音波長被拉長，頻率變低，聲音聽起來雄渾。通信期間，當衛(wèi)星接近時，上、下行頻率大于標稱值；當衛(wèi)星過頂后，上、下行頻率逐漸降低。

例如AO-51，采用彎管轉發(fā)器，在某個頻率上接收信號并即時在另一個頻率上通過下行信號轉發(fā)回地面。AO-51搭載有不同類型的轉發(fā)器，本文將以調頻語音轉發(fā)器為例，指導初學者進行業(yè)余衛(wèi)星通信。

通信模式

業(yè)余衛(wèi)星運行早期，常用一個或幾個字母來表示衛(wèi)星轉發(fā)器的模式。例如，衛(wèi)星的上行頻率波長2米，下行頻率波長為70厘米，則該衛(wèi)星的工作模式被稱為“模式J”；上行頻率波長70厘米，下行頻率波長為2米，則稱為“模式B”。

目前，很多衛(wèi)星都搭載了多模式的轉發(fā)器，會出現(xiàn)類似用頻段首字母的代號體系。例如，衛(wèi)星的上行頻率在UHF頻段，下行頻率在VHF頻段，原來的“模式B”變?yōu)椤澳Ｊ経/V”。同理，原來的“模式J”現(xiàn)在變成了“模式V/U”。AO-51的轉發(fā)器上行頻率波長2米，下行頻率波長70厘米，屬于“模式V/U”或“模式J”。

圖3 作者夫人Kate Baker（KB1OGF/VA3OGF）使用建伍 TH-78A雙頻段對講機和MFJ 1717擴展型“rubber duck”天線，通過AO-51開展通信。在衛(wèi)星過頂時段，對講機輸出功率5瓦，能完成通信。 地點：密歇根休倫湖畔。轉發(fā)時間表

通常業(yè)余衛(wèi)星管理者會提供轉發(fā)時間表。例如，AO-51有多個轉發(fā)器，通信前核對時間表尤為重要。可在AMSAT網站AO-51主頁查詢，點擊“查詢時間表”鏈接并查找“FM轉發(fā)器”頻率，網址：www.amsat.org /amsat-new / echo / index.php。轉發(fā)器大多轉發(fā)的是FM語音，慢掃描電視（SSTV），低功率（QRP）調頻或數(shù)字通信信號。通過查看時間表，愛好者可以確定轉發(fā)時間、發(fā)射頻率、解調模式。此外，在時間表中還能發(fā)現(xiàn)其他安排。例如，“大學衛(wèi)星之夜”或AO-51的管理者何時調整衛(wèi)星角度更好覆蓋南半球等。

表1 部分“EZ-sats” FM衛(wèi)星上、下行頻率

設備

開展業(yè)余衛(wèi)星通信既不需要超級強大的FM收發(fā)信機，也不需要大尺寸天線。愛好者有時僅用雙頻段對講機和“rubber duck”天線就能成功實現(xiàn)業(yè)余衛(wèi)星通信。“EZ sats”這類衛(wèi)星UHF頻段轉發(fā)器下行輸出功率很低（通常小于1瓦），愛好者可以采用提高天線接收增益的方式，有效提升下行鏈路信號接收的成功率。

一些愛好者用金屬衣架安裝在木頭上制作八木衛(wèi)星天線。但大多數(shù)AO-51通信愛好者，都在使用“Arrow II”型手持式衛(wèi)星天線。

圖4 作者正用一臺建伍TH-78A雙頻段對講機和一副輕量化天線通過AO-51進行通信。在空曠、無遮擋的地帶，只輸出功率5W也能在FM衛(wèi)星剛出現(xiàn)在地平面以上進行通信。

地點：密歇根州休倫湖畔 (KB1OGF 提供)

大多數(shù)業(yè)余衛(wèi)星采用“全雙工”傳輸通信方式，通信數(shù)據可以上行接收和下行轉發(fā)同時傳輸，地球站采用這種方式通信同樣便于通信傳輸。例如，全雙工模式下，地球站發(fā)射的上行信號，可以立刻在下行鏈路接收。

即使沒有全雙工電臺，愛好者仍然可以通過使用兩部電臺的方式開展衛(wèi)星通信：一部電臺向衛(wèi)星發(fā)射上行信號，另一部電臺接收衛(wèi)星下行信號。如果天線接收增益高，甚至可以考慮使用對講機或VHF / UHF頻段掃描式接收機接收下行信號。

設置電臺

為解決多普勒頻移的影響，還需要考慮設置電臺頻率。如果電臺有編輯存儲功能，建議先存儲一、兩個略高于和稍低于衛(wèi)星管理者發(fā)布的上下行信號頻率，當衛(wèi)星靠近和遠離地球站時可以使用。

例如， AMSAT網站發(fā)布的AO-51轉發(fā)器下行信號頻率435.300 MHz，建議先編輯存儲兩個略高的頻率435.320 MHz、435.310 MHz和兩個稍低的頻率435.290 MHz、435.280 MHz；同樣如果時間表中上行信號頻率為145.920MHz，建議先編輯存儲上行信號頻率略高的145.925MHz、145.930 MHz和稍低的145.915 MHz、145.910 MHz。

類似地面中繼器，部分FM衛(wèi)星上行鏈路信號輸入衛(wèi)星轉發(fā)器時，要求發(fā)送CTCSS系統(tǒng)信令。所以，在發(fā)射信號前，一定要明確通信衛(wèi)星是否需要發(fā)送CTCSS系統(tǒng)信令。目前，AO-51需要67 Hz的 CTCSS系統(tǒng)信令。

隨著頻率的升高，多普勒頻移效應更加明顯。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高（藍移blue shift）；在運動的波源后面時，波長變得較長，頻率變得較低（紅移red shift）。根據經驗，波源速度越高，產生的多普勒效應越大。因此，在已設定頻率上切換接收頻率就能保證衛(wèi)星靠近和遠離地面站時持續(xù)接收下行信號。

功率：多大就夠了？

功率大小是相對的，取決于使用同一轉發(fā)器的用戶數(shù)量、天線系統(tǒng)的上行增益，以及衛(wèi)星過頂或剛出地平線時與地面站的距離。通常情況下，5瓦功率的對講機和本文圖片中的天線能夠在“無競爭”的條件下有效和AO-51通信。 “無競爭”是因為衛(wèi)星更像是安裝在800公里高塔上的地面中繼器，因為一個衛(wèi)星轉發(fā)器只有一個頻率，通信可能異常繁忙。用戶數(shù)量不多時，5瓦功率雙頻段對講機和擴展型“rubber duck”天線足以在衛(wèi)星接近過頂時實現(xiàn)快速通信，但周末可能50瓦發(fā)射功率電臺配八木衛(wèi)星天線都無法覆蓋大功率上行信號。衛(wèi)星覆蓋區(qū)

理論上衛(wèi)星處于地平線時，可以實現(xiàn)通信，但需要更大功率的電臺，更高增益的天線。“衛(wèi)星覆蓋區(qū)”是指衛(wèi)星信號所覆蓋地面的區(qū)域。對低軌衛(wèi)星（LEO）而言，地面上兩點能同時觀察到同一顆衛(wèi)星的區(qū)域范圍可能是整個北美的地理面積。 例如，美國東海岸的一些業(yè)余通信愛好者可以利用AO-51和西歐進行通信，或者在美國西海岸和夏威夷通信。但這種情況只有在一方處于衛(wèi)星覆蓋區(qū)邊緣，而另一方處于覆蓋區(qū)的另一邊緣時才能成功，并且因覆蓋區(qū)移動速度過快，無法維持穩(wěn)定通信。

極軌衛(wèi)星通常有三次操作機會，可實現(xiàn)一天兩次通信。過境時間（處于衛(wèi)星覆蓋區(qū)的時間）7-15分鐘不等，具體通信時長取決于衛(wèi)星過境時，地球站是在覆蓋區(qū)還是部分在覆蓋區(qū)范圍。 很多衛(wèi)星可以覆蓋整個大西洋。一些衛(wèi)星通信愛好者，使用廠家出售或自制的手持式八木天線，配合對講機，在輪船甲板上實現(xiàn)通信。

圖5 發(fā)射前夕，AO-51和其他衛(wèi)星置于運載火箭前級。AO-51為圖片下方的立方體衛(wèi)星，兩邊是六棱柱形的意大利UniSat-3衛(wèi)星和長方形SaudiSat-2衛(wèi)星。（AMSAT提供）

過境預測

訪問AMSAT網站，可以下載AO-51過境時間在線預測數(shù)據，網址：www.amsat.org/amsat-new/tools/predic。選擇AO-51，輸入經緯度或Maidenhead區(qū)塊坐標，點擊“預測”按鈕，過境時間（UTC）和過境方向就會呈現(xiàn)出來。點擊AO-51位置鏈接，可以查看其基于地圖的運行軌跡。 表格中縮寫AOS表示“Acquisition of Signal”，指衛(wèi)星第一次出現(xiàn)在地平線；LOS表示“Loss of Signal”，指衛(wèi)星消失在地平線。方位角和仰角都基于360度羅盤表示。

觀察運行軌跡發(fā)現(xiàn)AO-51會重復、規(guī)律地經過地球站所在位置。當衛(wèi)星在近極地軌道（衛(wèi)星軌道通過地球南北極）運行時，隨著地球緩慢旋轉，一天內衛(wèi)星多次覆蓋到地球上每個點。觀察AO-51和其他極軌衛(wèi)星的運行軌跡能發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星連續(xù)三次，每間隔90分鐘從北向南或從南向北過境，一次偏東，一次接近過頂，一次偏西。12小時后，相同的三次連續(xù)過境將從相反方向再次運行。 第一次嘗試業(yè)余衛(wèi)星通信，先在列表中選擇超過45或50度的衛(wèi)星通信成功概率較大。

圖6 2004年6月29日，AO-51搭載的改造版俄羅斯ICBM火箭發(fā)射升空。

地點：拜科努爾發(fā)射場（AMSAT提供）

收聽什么？

根據AOS時間，在空曠地帶打開電臺，將其頻率設置為稍高于所公布的衛(wèi)星上、下行信號頻率，然后等待衛(wèi)星出現(xiàn)在地平面上。如果使用八木天線，在水平方向瞄準預測的AOS方向，前后水平移動天線，開啟電臺靜噪，電臺安靜時，意味著愛好者能夠收聽到800公里外的AO-51了！ 衛(wèi)星不僅由于快速接近和遠離導致多普勒頻移，它在軌道上還會緩慢旋轉導致交叉極化現(xiàn)象，信號會顯著衰減。當衛(wèi)星信號衰減或語音模糊時，嘗試調高或調低下行頻率、旋轉或移動天線，獲得更好的極化匹配。 衛(wèi)星過境時，可能聽到業(yè)余無線電愛好者說“你好”，或者交換他們的Maidenhead區(qū)塊坐標。大部分AO-51的對話都是類似于高頻遠距離通信（HFDX）的“你好-再見”，長時間占用上行鏈路在FM衛(wèi)星通信中是不受歡迎地。表演時間！

使用全雙工電臺嘗試業(yè)余衛(wèi)星通信時，需要確保揚聲器與麥克風分離。全雙工模式下，當麥克風和揚聲器距離很近會產生嘯叫，并通過衛(wèi)星傳播！ 準備好嘗試衛(wèi)星通信后，只需等待衛(wèi)星語音暫停的瞬間，飛快按下呼號，注意避免發(fā)射CQ信號。等待在下行鏈路收聽到自己發(fā)出的信號，表示愛好者已經建立起衛(wèi)星通信連接。附錄：使用正確的天線

一部電臺，功能與價格成正比，愛好者并不需要投入過多資金成本，有些關于天線的小知識，可以幫助你更高效地與“EZ sats”通信。 “EZ sats”輸出功率一般僅有1瓦多。為了延長衛(wèi)星電池的使用壽命，衛(wèi)星管理者經常將其下行輸出功率降至0.5瓦以內。為了更高增益，特別是衛(wèi)星通信位于地平線附近時，可以使用VHF/UHF垂直天線。 另一種高可靠性的天線是FM衛(wèi)星通信者使用的雙頻段可旋轉3~4單元八木天線。當衛(wèi)星從地平面出現(xiàn)時，將天線波束對準衛(wèi)星并隨之轉動；當衛(wèi)星過頂后，反轉天線跟蹤衛(wèi)星，這種操作適用于衛(wèi)星過境俯仰角在45度左右時的情況。 安裝在方位俯仰旋轉器上的高增益、3~4單元八木天線適用于衛(wèi)星過境全程通信。但與“EZ sats”通信時，并不需要這種天線。

（編譯：李英華、紐莉榮、戴慧玲、張寧）

關于作者

Keith Baker于1976年首次獲得業(yè)余無線電操作認證，呼號為KB1SF/VA3KSF，持美國高級執(zhí)照和加拿大高級執(zhí)照，擔任北美AMSAT組織前任主席和現(xiàn)任財務總管。1994-1998年任AMSAT執(zhí)行副總裁，1994-2003年任AMSAT董事會成員。除《AMSAT期刊》，在《ARRL手冊》《ARRL衛(wèi)星選集》《QST雜志》《CQ雜志》《CQ VHF》《CQ-Ham電臺（日本）》和《OSCAR新聞（英國）》上也發(fā)表文章和圖像資料。 曾出版專著《How to Use the Amateur Radio Satellites》，該著作自1990年以來由北美AMAST組織出版數(shù)個版本，之后KeithBaker將此書的成果捐贈予世界其他AMAST組織。目前，該著作已被翻譯成五種語言出版發(fā)行。

Keith Baker現(xiàn)為《監(jiān)測時報》撰寫“sky surfing”季度專欄，并為北美AMAST組織的出版物《AMSAT:The First Forty Years》撰寫部分內容，同時擔任ARRL新版《衛(wèi)星手冊》編輯。現(xiàn)與妻子（KB1OGF/VA3OGF）、女兒Emily居住于加拿大安大略省科倫納小鎮(zhèn)。

責任編輯：xj

原文標題：《走近業(yè)余衛(wèi)星通信》| 你的第一次業(yè)余衛(wèi)星通信：它比你想象中更簡單（一）

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