成功完成首次卫星通联试验

在今年的辞旧迎新博文《2011新年好》中,我提出了今年希望能完成的一个愿望,就是能够进行一次卫星通联试验。眼看一年时间过去大半,在计划就要搁浅的时候,向来瞬间执行力超强的好友BG4KKS以迅雷不急掩耳盗铃儿响叮当的速度购入了一根UV双段的八木天线,促成了这次试验。

2007年,南京三中的同学们曾经与国际空间站(ISS)的宇航员进行过一次十分钟的天地对话,这次活动前后花费了2年半的准备时间外加经费16万元,这无疑会让人觉得卫星通信试验是一件很高不攀的事情。实际上,除了ISS的官方的业余无线电活动(ARISS)外,还有不少给业余无线电爱好者使用的卫星一直在围绕着地球运转,在地面上使用一些简单的设备就有希望通过这些卫星上的中继器,把信息从一个地方传递到另一个地方。

2009年底,中国在太原卫星发射基地通过一箭双星的方式发射了我国第一颗业余通信卫星希望一号(HO-68),期望通过中国自己的业余通信卫星在太空中传递自己的声音成为我计划进行卫星通信试验的一个动因。遗憾的是,在准备这次通联试验时,我们才发现,希望一号从今年一月底开始就因为一些设备故障无法打开各转发器,仅存留一个等幅电报(CW)的发射器不断发出表示“我在这里”的信标。所以,通过希望一号传递信息已经变得不可能,只能尝试接收来自它的信标。作为替换方案,我们选择了另外两颗国外的卫星SO-50AO-27做为进行语音通信试验的目标。

通过卫星的调频(FM)转发器进行语音通信,其实跟在地面上通过中继台进行语音通信非常相似:无线电台把信号通过上行频率发送给中继台,中继台接收到信号后进行放大并重新在下行频率上发送出去。由于中继台的天线能力、高度和功率通常都会大于一般的移动电台,所以可以起到扩大通信范围的作用。卫星通信,就是让卫星充当中继台的角色,把地面发送给卫星的信号,重新转发回地面,以达到地面直接通信较难达到的更大的覆盖范围。

当然卫星通信与地面中继台通信也还是存在一些不同的地方:

1) 时间窗口:业余通信卫星很多为低轨道卫星,绕地周期很短,所以对于一个特定的地点来说,卫星每次经过上空的时间都很有限,只有几分钟到十多分钟时间。必须提前计算好卫星通过的时间和角度,并抓紧分分秒秒,才能完成一次通联。

2) 飞行轨迹:如果使用八木天线等定向性非常强的天线,必须在卫星飞行过程中不断调整天线的角度对准卫星,才能保证通信的正常进行,所以必须提前知道卫星飞过上空时的轨迹。同时,如果飞行轨迹的仰角过低(贴近地平线),而通信地点不是在高山上,则可能会由于建筑物的遮挡而导致通信比较困难。

3) 多普勒效应:由于卫星与地球间存在较高的相对速度,在卫星接近和飞离时都会出现多普勒效应,导致频率飘移,所以在通信过程中需要不断调整接收发射频率才能补偿多普勒效应,达到较好的通信效果。

4) 转发器工作状态:卫星上的转发器受到电力等各种因素的制约,有可能不是一直可用的,所以在进行卫星通联前需要预先了解卫星过顶时转发器是否正在工作。对于有些卫星(比如SO-50),还需要通过向它发送特定的亚音信号,才能在一个时间段内激活它的转发器。这些都是要在做准备工作时所关注的。

要获知卫星飞过所在地上空的时间和轨迹,需要进行对于普通人来说非常复杂的天文计算,好在有很多软件可以帮我们来完成这样的计算,GNOME Predict就是Linux下的这类软件。通过在软件中载入卫星轨道根数(开普勒参数)和所在地坐标,就可以算出卫星后面的经过时间和轨迹。在Windows下,可以使用Orbitron软件,功能更为强大。使用这类软件时,一定要确认把软件中的卫星轨道参数更新到最新的数据,不然就会得出错误的结果。也有一些网站会提供在线的跟踪和预测数据,临时需要查阅的时候也很方便。

Linux下的卫星跟踪软件,HO-68正在经过南京上空

Linux下的卫星跟踪软件,HO-68正在经过南京上空

我们所有的通信设备是仅仅是两个手持电台(俗称“对讲机”):YAESU FT-60R加上0.4米长的UV双段橡胶天线和Kenwood G71A加上新买的U段7单元V段4单元的八木天线,两个电台的最大发射功率都不到5W。另外,我们还用手机和GPS用来获得精确的时间、位置和角度信息。

Kenwood G71A和UV双段八木天线

Kenwood G71A和UV双段八木天线

星期六晚上在仙林某学校的教学楼楼顶进行了第一次试验,首先是尝试抄收希望一号HO-68的信标信号。首次试验免不了有点手忙脚乱,不过还是非常顺利的在两个电台上都抄收到了来自太空的信号:一阵“噗噗”的声音。因为希望一号的信标信号是不到200mW的CW信号,而我们没有用于抄收CW信号的设备,只能用调频设备去接收这个信号,CW信号经过调频设备“错误”的解调后,就只能得到一串“噗噗”的噪音,而不是一般人想象中的”嘀嘀“的电报声。这些“噗噗”声按Morse码解码后就得到了希望一号信标的内容,包含它的呼号BJ1SA,遥测信号起止符XW XW和相关遥测数据。

一段完整的希望一号HO-68信标录音(有剪辑):

继续尝试通过SO-50进行语音转发,虽然我们有两个电台,但由于只有一个“牛”天线,所以很难进行有效的通联。不过我还是抱着“侥幸”心理通过我的FT-60R加上橡胶天线进行了一次呼叫,G71A上抄收到了这个信号!虽然信号非常的微弱几乎被淹没在噪音中难以辨识,但是我们的声音的确是变成电波实实在在的去天空转了圈又回到了地球上,心情非常激动。不过这也就是我们这天在SO-50上的唯一收获了。

有了周六的基础,周日下午我、BG4KKS和BG4XPH一同再次试验SO-50和AO-27时就显得更加信心十足。成果也很不错,在SO-50上,我们抄收了若干日本业余电台的通联过程,不过由于信道很繁忙,我们没有机会插入呼叫。在AO-27上,我们成功完成了与泰国电台HS35NP的通联,信号55(语音清晰,信号强度中等),并联络上了沈阳的BG2TOS。

卫星飞得很快,每次有效通联试验的时间也非常短暂,前后准备和等待了一天多时间,实际能说上话的时间也就不足5分钟,颇是意犹味尽。在一个电话就能打遍全球的年代,业余无线电通信这种古老而又“高科技”技术显得很没有性价比。然而无线电运动的魅力也许也就在于每次你想说话时,不知道能不能说得成,也不知道会跟谁说上话。期待下次卫星通联试验。

除了完成了卫星通联试验,周日早上在栖霞山上还完成了数次UV段的远距离通信,这天的信号传播很给力,我们成功联络了南京、仪征、常州、无锡、芜湖、宜兴和南通等地的电台,收获颇丰。其中与南通的直频通信(不通过中继)直线距离达到了190公里,打破了我所参与过的通信试验中黄山到芜湖直频149公里的小小记录。

在即将结束一天活动前,我们在仙林的亚东城某高楼顶还第一次观测到了国际空间站(ISS)飞过南京上空的景象,它的亮度很高,所以用肉眼就可以轻松观测。唯一的重点是你得知道它会在这个时候飞过你的上空,并且最好知道经过的轨迹,这样才会比较容易在天空中找到它。怎么才能知道这些信息?请参考本文第十段……

成功完成首次卫星通联试验》上有4条评论

  1. 好玩啊!好像我认识的一位车友大叔他女儿参加过那次与空间站的对话。

  2. 听到你录的第一次业余卫星收听XW-1号CW信标,我才知道0.2W的CW原来关闭静噪才能收到,实验自己做的MOXON3段引向器的定向天线是成功的。

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