業(yè)余衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本組成

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II》發(fā)表于《監(jiān)測時(shí)報(bào)》

（Brasstown, NC 28902）

歡迎再次來到“開啟業(yè)余衛(wèi)星通信之旅”專欄。本人發(fā)表系列文章的目的是分享接收和應(yīng)用不斷發(fā)展壯大的OSCAR（支持業(yè)余無線電的在軌衛(wèi)星）系列衛(wèi)星的實(shí)操方法，以幫助衛(wèi)星操作初學(xué)者以及準(zhǔn)初學(xué)者揭開業(yè)余衛(wèi)星通信的神秘面紗。并對(duì)當(dāng)前在軌衛(wèi)星，以及仍然處于規(guī)劃或預(yù)備發(fā)射階段的衛(wèi)星信息開展研討。以下，分享一些需要考慮的細(xì)節(jié)及技巧，便于成功通信“EZ sats”。

關(guān)于手持天線的補(bǔ)充注意事項(xiàng)

衛(wèi)星通信中，天線是地面電臺(tái)最重要的組成部分。因?yàn)榻^大部分業(yè)余衛(wèi)星的輸出功率不超過1~2W，而AO-51和AO-27的常規(guī)輸出功率僅0.5W左右，SO-50的輸出功率甚至更低。 這些衛(wèi)星通過單根1/4波長鞭狀天線，或由4根這樣的天線組成所謂的“旋轉(zhuǎn)柵極”天線陣來發(fā)射信號(hào)。波長為2m或70cm的1/4波長鞭狀天線在衛(wèi)星底部以45°角向內(nèi)或向外傾斜。

即使采用天線陣列，實(shí)際增益也趨近于0。如果低功率發(fā)射不足為懼，試想這些低軌衛(wèi)星與地球站的通信距離，即便在過頂時(shí)段，也至少相距800公里；接近地平面時(shí)，距離地球站就有3200公里之多。 所以，業(yè)余衛(wèi)星通信愛好者需要一個(gè)好的接收機(jī)和高增益的天線，才能實(shí)現(xiàn)可靠的衛(wèi)星信號(hào)接收。大部分對(duì)講機(jī)配備的“rubber duck”天線除非處于“理想環(huán)境”（指衛(wèi)星恰好過頂，而且只有少數(shù)幾個(gè)人在同時(shí)使用這顆衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器），否則并不能滿足業(yè)余衛(wèi)星的接收或通信。

圖1 作者的“手持式衛(wèi)星地球站”嚴(yán)酷的太空環(huán)境

另外一個(gè)必須要考慮的因素是嚴(yán)酷的太空環(huán)境。當(dāng)太陽光直射時(shí)，衛(wèi)星要忍受250℃的烘烤。當(dāng)衛(wèi)星繞到地球后面，不被太陽光直射時(shí)，它的外部環(huán)境溫度將迅速降低到接近零下250℃。如果衛(wèi)星內(nèi)部不采取散熱措施，快速的溫度變化將直接摧毀脆弱的電子器件。 眾所周知，高溫極易摧毀設(shè)備里的半導(dǎo)體器件。

因此大部分業(yè)余電臺(tái)都安裝有風(fēng)扇或金屬散熱片，但散熱工作需要空氣，宇宙的近似真空狀態(tài)，無法通過安裝風(fēng)扇和散熱片來給衛(wèi)星降溫，所以需要其他形式來驅(qū)散太陽直射帶來的高溫。 同樣，電池之類的器件在寒冷環(huán)境下也不能良好工作。在零度以下的室外使用數(shù)碼相機(jī)的人都知道，如果希望多拍幾張照片，就必須用溫暖的口袋多裝幾組電池。 可以想象，陽光直射時(shí)衛(wèi)星電池和其他電子設(shè)備在金屬盒中忍受250℃烘烤，日食期間又經(jīng)受-250℃冷凍。

這就是大多數(shù)衛(wèi)星都被設(shè)計(jì)為在繞地球公轉(zhuǎn)同時(shí)，繞垂直方向軸自旋的原因：有助于設(shè)備內(nèi)部冷熱均勻（一般通過內(nèi)部組件與外殼的直接接觸來實(shí)現(xiàn)），讓電池和衛(wèi)星內(nèi)部的其他電子設(shè)備保持在正常運(yùn)行的溫度范圍。所以，簡易“拼湊而成”的衛(wèi)星可能能夠在軌運(yùn)行一時(shí)，但肯定不會(huì)長期保持良好的運(yùn)行狀態(tài)！

圖2 2m/70cm型天線將一個(gè)10W的雙工器塞在泡沫把手內(nèi)（KB1SF提供）衛(wèi)星姿態(tài)的偏轉(zhuǎn)

為保持下行鏈路天線正確指向地球，衛(wèi)星從南向北（或從北向南）飛過地球時(shí)，將會(huì)緩慢偏轉(zhuǎn)。這種翻轉(zhuǎn)一方面有助于平衡由太陽輻射引起的冷熱快速交替，另一方面也有助于保持發(fā)射天線指向地球方向，以保住其微弱的發(fā)射增益。 但這種連續(xù)的翻轉(zhuǎn)意味著當(dāng)衛(wèi)星過頂時(shí)，其接收和發(fā)射天線的極化方式是不斷變化的。由于衛(wèi)星工作模式是“直射路徑”，除非能夠保持自己天線的極化方式與衛(wèi)星在整個(gè)過境期間的同步，否則由于天線的交叉極化將導(dǎo)致接收信號(hào)深度衰落（有時(shí)高達(dá)5~6 dB）。

由于衛(wèi)星翻轉(zhuǎn)過境時(shí)，垂直天線通常不能輕易（或快速）地傾斜以匹配衛(wèi)星極化方式的不斷變化。因此，地球站能否接收到衛(wèi)星下行信號(hào)要看運(yùn)氣。經(jīng)驗(yàn)表明，大多數(shù)固定或移動(dòng)的垂直天線結(jié)構(gòu)過于簡單，不足以克服這些局限條件。 同理，一般對(duì)講機(jī)配備的1/4波長和5/8波長鞭狀天線也不能適應(yīng)這種需求。且由于與衛(wèi)星天線之間的交叉極化頻繁出現(xiàn)，大部分對(duì)講機(jī)無法提供天線完全生效所需的接地面。

大多數(shù)衛(wèi)星的下行信號(hào)剛開始很微弱，具有掃描功能的接收機(jī)通常無法用鞭狀天線（即使是外接天線）可靠地接收下行鏈路信號(hào)，沒有安裝放大器的接收機(jī)增益通常不夠高。 究其根本，衛(wèi)星通信就是“微弱信號(hào)通信”。盡管小型鞭狀天線或“rubber duck”天線適用于大多數(shù)地面應(yīng)用，但通常不能提供足夠的下行鏈路增益，無法提高衛(wèi)星通信的可靠性，繼而擺脫“靠運(yùn)氣”通聯(lián)的情況。

圖3 作者組裝的天線（KB1SF提供）

以下，介紹一個(gè)經(jīng)過改造的小型且相對(duì)便宜的八木天線。它能提供更多的上、下行鏈路增益，從而使對(duì)講機(jī)成為一個(gè)能夠和業(yè)余衛(wèi)星有效通信的地面站！

圖4 箭牌天線（KB1SF提供）手持八木天線

要使用對(duì)講機(jī)規(guī)律收聽或開展FM衛(wèi)星通聯(lián)，就需要使用某些特定形式的手持式八木天線來獲取足夠有效的上行鏈路發(fā)射功率和下行鏈路接收增益。 多年來，很多業(yè)余衛(wèi)星愛好者自制的手持式八木天線專門用于低軌衛(wèi)星通信。例如，來自英國的資深VHF頻段“火腿”Kent Britain（WA5VJB），在互聯(lián)網(wǎng)上免費(fèi)分享了使用常見材料自制2m波段和70cm波段手持式八木天線的方案。 Kent Britain的文章《業(yè)余衛(wèi)星通信的廉價(jià)天線》展示了如何簡單制造一個(gè)用于FM衛(wèi)星通聯(lián)的雙頻段手持式八木天線。

AMSAT網(wǎng)站給初學(xué)者提供了自制天線方案，網(wǎng)址www.amsat.org/amsat-new/information/faqs。 很多公司也為愛好者提供了用于低軌業(yè)余衛(wèi)星通信的手持天線。Arrow 146/437-10型手持式雙頻段天線，Elk 2m/440L5型天線都是認(rèn)可度很高的產(chǎn)品。使用3~5瓦發(fā)射功率的雙頻段對(duì)講機(jī)開展FM衛(wèi)星通信，或使用VHF/UHF掃描式接收機(jī)接收信號(hào)時(shí)，兩幅天線均能提供足夠的增益。

圖5 70cm波段天線連接結(jié)構(gòu)（KB1SF提供）其他有用的操作提示

與業(yè)余衛(wèi)星通信時(shí)，要牢記衛(wèi)星在軌道上不停的自旋和翻轉(zhuǎn)，上、下行鏈路天線的極化處于不斷的變化中。若僅用對(duì)講機(jī)連接一根鞭狀天線接收衛(wèi)星信號(hào)，那么在衛(wèi)星過境時(shí)，不斷移動(dòng)對(duì)講機(jī)將會(huì)有益于接收效果。這種移動(dòng)可能使得你和衛(wèi)星的天線極化在某些時(shí)候能夠相互匹配。另外，導(dǎo)體表面（如汽車車身）的反射有時(shí)會(huì)有助于改善接收或發(fā)射信號(hào)。

圖6 卸下雙工器和泡沫把手，將天線安裝到三腳架（KB1SF提供）

使用對(duì)講機(jī)與業(yè)余衛(wèi)星通聯(lián)，還需要一個(gè)麥克風(fēng)。有了頭戴式麥克風(fēng)，就不用一手拿天線，一手拿對(duì)講機(jī)，盡管都是由輕量化材料制成，但在衛(wèi)星過境的15分鐘內(nèi)舉著它們也會(huì)感覺費(fèi)力。

圖7 天線的兩個(gè)連接臂

使用麥克風(fēng)或頭戴式耳機(jī)的另一個(gè)好處是避免嘯音。如果使用全雙工對(duì)講機(jī)開展衛(wèi)星通信，把麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器放在同一個(gè)單元里，通常會(huì)在傳輸?shù)臅r(shí)候產(chǎn)生嘯叫。

圖8 Craig Wolsey（AC8EJ/VA3ICW），通過AO-51進(jìn)行通聯(lián)

由于AO-51、AO-27和SO-50下行鏈路信號(hào)太弱，難以觸發(fā)大多數(shù)FM接收機(jī)的靜噪。在開始接收之前，要確保接收機(jī)靜噪開啟，直到聽到噪音。當(dāng)衛(wèi)星覆蓋區(qū)進(jìn)入地球站位置時(shí)，噪音會(huì)“安靜”下來，這是一個(gè)明確的提示：你確實(shí)“捕捉”到了業(yè)余衛(wèi)星下行鏈路信號(hào)。

和“鱷魚”一起游泳

調(diào)頻信號(hào)具有非常明顯的捕獲效應(yīng)（capture effect），當(dāng)很多用戶同時(shí)使用這顆衛(wèi)星通信時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)無論如何努力都無法接入轉(zhuǎn)發(fā)器的情況。偶爾也會(huì)遇到大功率用戶，即所謂的“短吻鱷”。這些用戶通常采用“只說不聽”的操作方式，通過大功率發(fā)射最終霸占了業(yè)余衛(wèi)星的上行鏈路。 遇到這種情況，愛好者需要在傳輸間隙不斷嘗試呼叫或者期望衛(wèi)星下一次過境時(shí)，“鱷魚”離開了衛(wèi)星覆蓋區(qū)。 如果在距離海岸幾百英里以內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行操作，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，低功率衛(wèi)星飛越海洋上空時(shí)實(shí)現(xiàn)通信，要比飛越北美或歐洲時(shí)容易。這是因?yàn)?，此時(shí)覆蓋區(qū)內(nèi)地球站很少，而且大多數(shù)競爭站與衛(wèi)星的距離都比你遠(yuǎn)。如果接收不到衛(wèi)星信號(hào)呢？

首先在業(yè)余無線電愛好者網(wǎng)站重新核對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)間表，確保在正確的頻率上收聽和發(fā)射。也可能是跟蹤軟件提供了錯(cuò)誤的過境數(shù)據(jù)。仔細(xì)檢查衛(wèi)星跟蹤程序，確保加載了最新的開普勒軌道根數(shù)、正確的位置文件（經(jīng)緯度或Maidenhead區(qū)塊坐標(biāo)），以及正確的格林尼治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間與本地時(shí)間之間的時(shí)差。此外，要考慮所在地的夏令時(shí)。

圖9 可將收集天線零件的便攜布袋（KB1SF提供）

需要注意的是，衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)間表和過境時(shí)間都是用格林尼治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間表示的，每天都會(huì)有所不同，需要使用衛(wèi)星跟蹤軟件進(jìn)行跟蹤。

為了獲得最佳效果，應(yīng)至少每月更新一次開普勒軌道根數(shù)文件。如果還未安裝跟蹤程序，可以訪問AMSAT網(wǎng)站上的軟件跟蹤頁面www.amsat-na.com/store/category.php?c=Software，獲取SAT-PC32軟件。

此外，AMSAT網(wǎng)站對(duì)許多AMSAT衛(wèi)星（包括AO-51、AO-27和SO-50）進(jìn)行了在線追蹤展示。在地圖顯示界面下，使用下拉菜單選擇要跟蹤的衛(wèi)星。

展望未來

希望未來可以通過“EZ-sats”通信取得聯(lián)系。在之后的專欄，將討論一些優(yōu)化天線和饋電線路的創(chuàng)新方法，同時(shí)介紹一些其他的“小技巧”，使愛好者與衛(wèi)星的接觸更加頻繁和愉快。

圖10 Kent Britian的“LEO”天線（WA5VJB提供）

圖11 LEO天線通聯(lián)（WA5VJB提供）

（編譯：楊旭、戴慧玲、紐麗榮、劉明星、張寧）

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)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（二）

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