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中心科普 | 《全球业余卫星介绍》(一)业余卫星概述

【字体: 2021年03月22日 15:45 来源:中国无线电管理 作者:张磊 赵哲 张宁

编者按:

2021年初,国家无线电监测中心专家编译了美国著名无线电爱好者、AMSAT组织前任主席Keith Baker(呼号为KB1SF/VA3KSF)发表在《监测时报》上的业余卫星通信系列文章,并在“中国无线电管理”微信公众号开辟了“走进业余卫星通信”专栏。2021年,在第十个2·13世界无线电日之际,我们节选了中心编撰的《业余卫星通信》一书部分内容,简要介绍了业余无线电、业余卫星通信发展历史、使用频段、相关无线电管理政策、现有业余卫星信息等内容,发表了“原创科普《业余卫星通信》”系列文章。两个系列文章一经发表,广受好评。近期,我们将业余卫星通信发展史和全球业余卫星情况进行了整理,结合《业余卫星通信》一书有关内容,推出《全球业余卫星介绍》(节选)系列,即日起在“中国无线电管理”微信公众号连载两天,以期把业余卫星通信有关内容引向深入。


第一篇   业余卫星概述

第二篇   美国业余卫星

第三篇   日本业余卫星

第四篇   中国业余卫星(上)

第五篇   中国业余卫星(下)

第六篇   典型的废弃业余卫星


第一篇  业余卫星概述

业余卫星的主要功能是进行信号转发或语音传递,我们可以将在轨业余卫星的状态分为:转发器工作、国际空间站(语音)正常、只有信标、无信号和冲突报告五种(图1),这些状态信息是由全球业余爱好者实时更新,并自愿将这些信息共享以便业余卫星通信爱好者们根据卫星实时状态制定通联计划。

图1  在轨业余卫星的实时通联状态

1.业余卫星发展简史

1957年,苏联发射了第一颗人造地球卫星——伴星一号,开创了人类的宇航时代。四年以后,一颗由业余无线电爱好者自行研制的卫星:OSCAR-1在美国加利福尼亚州的一个空军基地发射升空,这不但证明了业余无线电爱好者们有能力与航天发射部门进行技术协调,有能力研制、跟踪、控制自己的卫星,有能力采集和处理相关的科学和工程数据;也标志着业余无线电通信从此进入了太空时代。至今世界各地的业余无线电爱好者们已经成功的发射了数百颗业余卫星;目前为止OSCAR识别编号已经用到MO-46,不过有在运作的业余卫星总数大概不到30个,许多新一代的OSCAR正在研发或制造、测试中。各国的业余无线电爱好者利用这些业余卫星可以方便的进它各种通信方式的试验和联络。最近的几年里,业余卫星还服务于大学的科技组织、自然灾害时的紧急通信以及进行高新科技实验。


AMSAT-OSCAR卫星的发展阶段:


第一阶段发射的卫星大多使用年限较短,只能进行简单的信号收发实验;这一阶段的代表卫星有OSCAR-1 至OSCAR-5 等。1961年12月12日发射的OSCAR-1卫星,仅在轨停留了22天就有28个国家的570多名业余爱好者接收其信号。OSCAR-3卫星在轨停留了18天,22个国家的1000多名业余爱好者接收到信号。


图2  兰斯·金纳(K6GSJ)和第一颗业余无线电卫星OSCAR-1

第二阶段发射的卫星不但使用年限较长(大多数使用时间都在10年以上)而且卫星上装载了线性转发器、数字自动转发器、以及其他各种通信设备;现在使用的不少卫星如 AO-6至AO-8,俄罗斯的RS系列,日本的富士(FujiOSCAR)系列等都是这一阶段发射的。由于其轨道很低,所以到达地面的信号非常强,使用简单的设备就可以进行卫星通信试验;但低轨道卫星绕地球运行的周期都非常短,不超过150分钟,每一次经过电台上空的过顶时间都只有十几分钟。


第三阶段发射的卫星主要特点是轨道较高,和第二阶段的卫星一样也具有较长的使用年限和适应各种不同的通信方式。其代表卫星主要有已发射的AO-10、AO-13、AO-40等卫星。高轨道卫星环绕地球的时间比上一阶段的卫星有了很大的延长,使得每次通信时间大大加长;由于其高轨道使得覆盖范围有了较大的提高,卫星在远地点时几乎可以覆盖地球表面三分之一的面积。


图3  全球首颗GSO业余卫星QO-100(Es’hail-2)的覆盖图

俄罗斯RS系列卫星,是踏上业余卫星通信之路的很好选择。俄罗斯自1978年10月26日发射了第一颗业余卫星 Radio Sputnik-1至今已发射了十余颗业余卫星(RS-1至 17),但早期的卫星轨道高度1700千米正好位于范·艾伦带(Van Allen radiation belt),大量的高能粒子流的破坏使得这些卫星大都没能达到预定的使用年限。正是因为这个原因自RS-10、RS11起RS系列卫星都被发射到了1000千米左右的低辐射轨道。


自1961年以来,无线电爱好者一直负责创建一个由大约150颗轨道空间卫星组成的星座。这些卫星通常是与学术机构合作研制的,并在空间和卫星组织的支持下发射。业余卫星分为调频中继器卫星、转发器卫星和数字卫星,现有的卫星的分类具体如下:


调频中继器卫星:SO-50 (SaudiSat-1C)、AO-91 (RadFxSat / Fox-1B) 、LilacSat-2 (CAS-3H)、 IO-86 (LAPAN-A2) 、PO-101 (Diwata-2) 、AO-27、ISS Crossband Repeater


转发器卫星:AO-7、FO-29 (JAS-2)、AO-73 (FUNcube-1)  、XW-2A (CAS-3A)、XW-2B (CAS-3B) 、XW-2C (CAS-3C)、XW-2D (CAS-3D) 、XW-2F (CAS-3F)、LO-87 (LUSEX / ?uSat-1)、EO-88 (Nayif-1 / FUNcube on Nayif-1) 、CAS-4A、CAS-4B、FO-99 (NEXUS) 、JAISAT-1 、TO-108 (CAS-6) 、RS-44、QO-100 (Es’hail-2 / P4A)(25.9 °E).


数字卫星:FalconSAT-3、NO-44 (PCsat) 、NO-84 (PSAT)、IO-86 (LAPAN-A2) 、AISAT-1、NO-103 (BRICSAT2)、NO-104 (PSAT2)、ISS Frequency Summary


图4  NO-104效果图

2.业余卫星的国际组织

60多年来,北美、欧洲和其他地区的AMSAT小组在空间科学、空间教育和空间技术方面发挥了重要作用,极大地推动了最新水平的发展。毫无疑问,AMSAT志愿者工程师在世界各地所做的工作将继续对业余无线电以及其他政府、科学和商业活动的未来产生深远、积极的影响。


1)业余无线电卫星组织(AMSAT,The Radio AmateurSatellite Corporation):作为一个非盈利的科研教育组织,于1969年在美国华盛顿哥伦比亚特区成立。该组织提供业余卫星的设计、建造、测试和操作空间站服务,也在全世界的无线电爱好者和学生中通过出版科技书籍、发布资料信息和提供互联网服务等方式开展科学教育。50多年来,世界各地的AMSAT志愿者进行的工作对卫星通信和航天领域产生深远、积极的影响,在促进空间科学、空间教育、空间技术的发展方面发挥了显著作用。


2)法语区业余无线电卫星组织(AMSAT-FR):旨在发展卫星和空间业余服务,特别是为法语国家。它向业余无线电爱好者和业余无线电爱好者提供支持,使他们能够利用业余无线电卫星,目的是实施、指导或建议与业余或有机体所从事的航天和航空技术有关的航天项目(例如:卫星、运载火箭)。


3)国际空间站的业余无线电(ARISS,Amateur Radio on the InternationalSpace Station):让全世界的学生体验与国际空间站的宇航员直接交谈的兴奋感,激励他们追求科学、技术、工程和数学职业的兴趣,并通过业余无线电与无线电科学技术进行接触。


3.业余卫星的应用开展

国际电信联盟的《无线电规则》第1.56款明确了卫星业余业务供业余无线电爱好者进行自我训练、相互通信和技术研究。


表1  AMSAT现有项目介绍

序号

项目名称

项目简介

备注

1

AMSAT  教育

对于那些有着远大梦想和对科学、技术、工程和数学(STEM)感兴趣的青年男女来说,AMSAT充满了成为航空航天和先进通信领域下一代创新者的机会。

自我训练

2

立方星 模拟器

AMSAT  CubeSat模拟器是AMSAT教育关系部的一个项目,它是一个低成本的卫星模拟器,运行在太阳能电池板和电池上,传输U   HF无线电遥测,有一个3D打印框架,可以通过额外的传感器和模块进行扩展。

自我训练

3

ARISS

ARISS让全世界的学生体验到通过业余无线电与国际空间站的工作人员直接交谈的兴奋感。下一代ARIS互操作无线电系统的首个飞行单元于3月发射到国际空间站。

相互通信

4

GOLF立方星计划

AMSAT 立方星计划的下一阶段,也是AMSAT战略目标的重要组成部分,涉及高轨、宽访问卫星任务。GOLF将成为新技术的试验台,包括软件定义的微波转发器、姿态确定和控制系统等。首个高尔夫立方体卫星,高尔夫球座(技术评估环境)的建设计划于今年年底完成。

技术研究

现有业余卫星的应用开展情况是:


自我训练:国内外的卫星业余爱好者通过自己动手制作天线、跟踪卫星过境进行无线电通联、参与业余卫星制造项目,不断提高自身的无线电水平。

相互通信:业余卫星爱好者通过卫星进行远距离的通信,根据AMSAT记录,目前最远的联通距离是2003年申报的18730千米。

技术研究:自第一颗业余卫星发射以来,业务卫星有了长足的发展,全球无线电爱好者都贡献了力量。从短寿命业余卫星到允许用户在一个或多个大陆上同时进行通联的大卫星,也带动了业余爱好者不断进行技术研究。


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