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中心科普 | 《全球业余卫星介绍》(五)中国业余卫星(下)

【字体: 2021年03月22日 16:37 来源:中国无线电管理 作者:刘明星 赵哲 张宁

在回溯我国第一颗业余卫星的基础上,本文分别对我国目前在轨的业余卫星、已退役的业余卫星及未来将部署的业余卫星进行梳理,总结我国发展卫星业余业务开展的特点。


1.  我国在轨的业余卫星

从AMSAT网站提供的爱好者通联记录来看,我国目前在轨的业余卫星共计10颗,分别是XW-2系列、CAS-4系列、LilacSat-2、FMN-1,详见表1。

上述卫星中的操作者既有业余卫星组织,也有商业公司,还有大学,丰富的参与单位为业余卫星的相关活动开展提供了大量的机会和平台。

1.1 XW-2(CAS-3)系列卫星

2015年9月20日上午7点01分,希望二号系列卫星在太原卫星发射中心升空。该系列共有6颗卫星,其中XW-2A为20公斤级的皮卫星,XW-2B/2C/2D为3颗10公斤级的皮卫星,XW-2E/2F为2颗1公斤级的立方星。

(1)XW-2A卫星

XW-2A(CAS-3A)卫星携带有U/V模式20kHz带宽线性转发器,运行在400km高度的太阳同步轨道。


图1  XW-2A卫星示意图

(2)XW-2 B/2C/2D卫星


XW-2B/2C/2D(CAS-3B/3C/3D)是一组相同的卫星队列,都携带U/V模式20kHz线性转发器,运行在500km高度的太阳同步轨道。


图2 XW-2B/2C/2D卫星示意图

(3)XW-2E/2F卫星


XW-2E/2F(CAS-3E/3F)是两颗小卫星,同样携带U/V模式20kHz线性转发器,运行在500km高度的太阳同步轨道。


图3  XW-2E/2F卫星示意图

下图为希望二号系列卫星的转发器频率配置情况。


图4  XW-2E系列卫星频率配置示意图

XW-2系列卫星的转发器频率为业余爱好者广泛使用的VHF/UHF频段(145/430MHz频段),该系列卫星各配置了相同的线性转发器,并配以相同的四分之一波长的单极鞭状天线。每颗卫星各配置一副UHF天线、一副VHF天线,如图所示,详细的频率方案如下。

表2 希望二号系列卫星的上行频率

表3 希望二号卫星的下行频率配置表

希望二号系列卫星采用一体化设计,将星上的电子设备标准化、星载设备通用化、星内设备无缆化。我国的相关机构通过希望二号系列卫星的研制,探索和实践了皮纳卫星的初步应用,实现了皮纳卫星在轨自主管理、多模式异构备份等技术,初步建立了通用化、标准化皮纳卫星产品体系和标准协议,为应用型皮纳卫星的后续发展和使用奠定了基础。

1.2  LilacSat-2(CAS-3H)卫星

LilacSat-2(CAS-3H)卫星,即紫丁香2号卫星,由哈尔滨工业大学研制,携带 V/U频段的FM转发器,目前运行在500km高度的太阳同步轨道上。LilacSat-2与XW-2系列卫星使用同一颗长征6火箭以一箭 20 星的形式成功发射,下图为紫丁香一号卫星的星上结构和功能模块示意图。

图5  紫丁香一号卫星的星载

测控收发信机A是采用IQ零中频/低中频架构的V/U软件无线电收发信机,可实现多通道收发及对多种射频参数的灵活配置与切换,多模式业余无线电转发器也在其基础上实现。其下行模式包括:1.2/9.6 kbps BPSK、1.2 kbps MSK、1.2 kbps AFSK以及FM等,最大输出功率27 dBm;上行模式包括AFSK、FM等。测控收发信机B是L/U频段的FSK收发信机,可全双工工作,其下行码速率为1.2/4.8 kbps,最大输出功率27 dBm。

紫金山一号卫星主要目的在于构建飞行软件在轨试验平台,用于分析空间单粒子效应对FPGA软件功能和性能的影响。同时卫星也基于星上电子设备,进行全球航班ADS-B等状态信息监测和大型野生动物踪迹跟踪等任务。另外卫星还携带了一个工业红外相机,探索采用纳卫星进行对地环境监测的可行性和有效性。

图6  紫丁香一号卫星结构图

紫丁香2号卫星的射频系统包括测控收发信机A、测控收发信机B、GPS/BD2接收机、宽频接收模块和配属的天线,组成框图如图所示。

图7 紫丁香一号卫星射频系统组成框图

紫丁香一号卫星的UHF频段天线由4根倾斜的1/4波长振子组成双圆极化全向阵列;VHF天线和AIS天线为使用钛镍记忆合金材料的1/4波长展开天线;L频段天线和BG2/GPS天线为微带天线。

紫丁香一号的特别之处在于,该卫星由哈尔滨工业大学的15名大学生设计建造,是大中小学生参与航天探索的有益尝试。

1.3  CAS-4系列卫星

CAS-4(ZhuHai-1/2)系列为搭载在遥感卫星上的卫星业余载荷,目前有CAS-4A/4B两颗在轨卫星。CAS-4A和CAS-4B 搭载在珠海 1 号星座中的两颗遥感卫星OVS 1A和OVS 1B上,于 2017 年 6 月 15 日发射,运行在500km高度的倾斜轨道上,卫星配备U/V段线性转发器(下行145MHz频段/上行435MHz频段),这两颗微小卫星还承担着光学遥感的任务。

CAS-4A线性转发器的下行频率为145.87MHz,上行频率为435.22MHz,遥测频率为145.835MHz;CAS-4B线性转发器的下行频率为145.925MHz,上行频率为435.280MHz,遥测频率为145.890MHz。

图8 珠海一号卫星效果图

CAS-4系列的两颗卫星是由民营航天机构发射的卫星,特别之处在于这两颗卫星搭载在遥感卫星上,是另一种有益的尝试。

1.4  FMN-1(FENGMANIU-1)卫星

2018年2月2日15时51分,我国国内首颗私人卫星在酒泉卫星发射中心成功发射。卫星发起者、御风资本董事长冯仑表示,希望通过“风马牛一号”来实现卫星和手机互动娱乐的结合,探索媒体的新玩法。“风马牛一号”外形外形尺寸为300mm*100mm*100mm,与鞋盒大小相仿,重量4公斤,功耗8W。它配备了4K高清全景摄像头,可以呈现360度太空高清照片。“风马牛一号”卫星是探索空间业务新应用的一种尝试,该卫星搭载了业余无线电的载荷,能够为全球的爱好者提供通联的平台,上下行频率分别为145.945MHz和435.35MHz。

图9 风马牛一号卫星效果图

“风马牛一号”是首次将卫星作为媒介,以承载内容为核心的一颗卫星,卫星还将携带童声合唱版《千字文》进入太空。卫星进入轨道后,配合地面的接收设备,能收到实时图图像。除了媒体的应用和探索,还将推广公益和航天教育。

图10  风马牛一号卫星效果图

“风马牛一号”是世界首颗全景卫星,作为首个媒介形式的卫星,风马牛一号离大众“既远又近”。通过科学技术,它跨越了时间和空间的障碍,为大众传来渺远太空的图像和声音。但它并没有拉开距离感、降低普通民众的参与度,而是作为新兴媒介、以新型内容激发起大众的互动兴趣。在卫星发射前,风马牛团队发起了关于梦想语音的征集,收集到的祝福将随卫星上天,绕地球旅行后回传到地面,仅这次活动就有上千人参与。

风马牛一号卫星的成功离不开中国迅猛发展的民用航天技术,它也致力于公益活动和航天教育,形成良性循环。风马牛团队将独家开发一套用于卫星信号接收的硬件设备,并与国内顶尖的青少年航天教育机构合作,打造一系列基于卫星信号接收的课程与兴趣活动,激活大众、特别是少年儿童对航空航天事业的兴趣,让卫星所产生的社会意义和价值最大化。

2.  我国退役的业余卫星

我国的卫星业余业务发展迅速,至今有多颗卫星退役,分别为、CAS-2、CAS-6、CAS-7系列,详细如下。

2.1  CAS-2 系列卫星

原计划在2015年发射的CSA-2A1和CSA-2A2两颗卫星,由CAS-3系列卫星取代。这个系列中的CAS-2T卫星即丰台少年一号卫星,是一颗搭载了卫星业余无线电载荷技术验证卫星。

图11  丰台少年一号卫星示意图

2.2  CAS-6 系列卫星

CAS-6(Tianqi-1/TQ-OSCAR-108/TO-108)卫星是一颗搭载有业余无线电载荷的引力波探测实验卫星,在2019年12月20日发射升空。该卫星由东方号卫星公司为中山大学和华中科技大学建造,卫星尺寸为490mm×499mm×430mm,重量约35kg,搭载VHF频段CW遥测信标和U/V模式带宽为20kHz的线性转发器和大气风(Atmospheric Wind)探测器。

图12  CAS-6卫星测试图

CAS-6卫星搭载的长征11号运载火箭是我国首次尝试在海上发射,具有里程碑意义。

2.3  CAS-7系列卫星

CAS-7B(BP-1B)卫星是一颗与教育相结合的业余无线电卫星。中国业余卫星组(CAMSAT)正在与北京理工大学(BIT)合作大学为卫星的发射提供支持,北京理工大学的许多教师和学生正在参与卫星的开发和测试,CAS-7B在2019年7月底发射进入预定轨道。

在CAMSAT的帮助下,北京理工大学成立了业余无线电俱乐部(呼号:BI1LG),大学生通过学习业余无线电卫星通信相关的知识,在体验着无尽的乐趣的同时激发了对太空的向往,也为以后的学习提供了实践基础。

图13  CAS-7卫星实验图

CAS-7B为1.5U立方体卫星,卫星一面由直径为500 mm,质量约3kg的软性薄膜球覆盖,卫星由气动阻力帆被动控制轨道来保持稳定,卫星运行在300km高度圆轨道,轨道倾角42.7度。卫星配备VHF天线:1/4波长的单极子天线,最大增益0dBi,位于+Y侧;两幅UHF频段的1/4波长单极子天线的最大增益0dBi,位于卫星-Z和+Z侧。CW遥测信标频率:435.715MHz/20dBm,V/U调频转发器下行链路:435.690MHz/20dBm,带宽16kHz,V/U调频转发器上行链路:145.900MHz,带宽16kHz。

图14  CAS-7卫星飞行效果图

作为一颗科学技术验证微型卫星, “北理工1号”卫星完成两项具有创新性的科研验证任务,“帆球”技术和新型空间电台技术。值得一提的是,这是我国第一次在太空发射任务中使用和验证空间“帆球”技术。

“帆球”技术及基于“帆球”的柔性轻型航天器技术,是将柔性材质的航天材料以折叠方式存放于卫星舱内,当卫星正常入轨之后,释放柔性材料并展开膨胀成为球状,球状结构的体积大于卫星数倍,如同为卫星展开一面风帆。未来,“帆球”技术将直接服务于小天体探测等深空探测任务。BP-1B卫星的备份星BP-1A预计将在2021年发射。

3.  我国后续的业余卫星

3.1  CAS-5 卫星系统

CAS-5系列共有两颗卫星,分别是CAS-5A和CAS-5B,原计划在2018年发射。CSA-5A是一颗尺寸为6U的立方星,计划搭载如下的业余无线电载荷。


上述转发器中,除H/U模式的转发器带宽为15kHz外,其余转发器均为30kHz,计划部署在轨道高度为530km、轨道倾角为97.5度的太阳同步轨道。

图15  CAS-5A卫星效果图

CAS-5B卫星是一颗质量仅为0.5kg的飞卫星(Femto-Satellite)计划搭载UHF频段的CW信标,并与CAS-5A卫星一同部署。

3.2  CAS-8系列卫星

规划中CAS-8卫星系统是由亚太空间合作组织(APSCO)发起的学生小卫星项目。APSCO于2008年成立,是一家总部设在北京的政府间组织,成员国包括孟加拉国、中国、蒙古、巴基斯坦、秘鲁、泰国、土耳其和印度尼西亚。CAS-8卫星项目由四颗卫星组成,包括两颗30公斤级的微卫星一颗用于技术验证的实验微卫星 CAS-8A 和一颗初级微卫星CAS-8B,两颗3U立方星CAS-8C和CAS-8D 。

CAS-8卫星项目由北京航空航天大学牵头,与中国业余卫星组织(CAMSAT)合作,将业余无线电带入该项目,并将共同带领亚太空间合作组织其余7个成员国完成该项目。

CAS-8A 携V/U线性转发器、UHF频段的CW信标和 AX.25 4k8/9k6 GMSK遥测信标以及S频段192kbps GMSK图像和4k8/9k6 GMSK遥测下行链路。

四颗卫星预计的频率分别是:


CAS-8卫星将是我国首次设置星间链路的业余卫星,是一种新的尝试,为今后的业余星座的探索积累经验。CAS-8 项目旨在为亚太空间合作组织成员国的学生和教师提供空间技术学习和卫星工程实践的平台,通过小卫星的设计、研制、在轨飞行测试和应用,提升成员国航天教育水平,与成员国共建“一带一路”空间信息走廊,为亚太空间合作组织成员国航天教育体系发展贡献力量。同时,CAS-8 卫星将实现 APSCO 八国通过太空共建业余无线电联盟的协同效应,为 APSCO 成员国青年学生增加新的科普工具,进行自我培训、相互交流和技术考察,也为全球业余无线电爱好者提供了新的卫星平台。

4.  总结

从我国业余卫星的发展历程来看,我国的业余卫星仍处于技术探索和积累阶段,且多为搭载的方式,即在商业卫星上搭载业余卫星的转发器,为爱好者提供通联的平台。

从业余卫星的参与单位来看,既有卫星业余组织,又有大学等科研机构,可以说技术的先进性和探索性具有重大的意义。

当前我国的业余卫星发展状况较好,不少商业卫星搭载了卫星业余的载荷,但商业氛围浓厚可能会成为爱好者探索空间通信技术的障碍。

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