業余衛星通信概述

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

本文原題為《開啟業余衛星通信之旅：它比你想象中更簡單》發表于《監測時報》

（Brasstown, NC 28902）

興趣愛好的廣泛涉及是業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，業余無線電新技術層出不窮，但業余衛星通信始終是最有趣的事。

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

圖1 被稱為“Echo”的AO-51放置在運載火箭前級

地點：拜科努爾發射場。（AMSAT提供）

愛好者們既會對利用無線電設備通過衛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，僅有一兩顆業余衛星（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現、跟蹤衛星的運行軌跡。

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

跟蹤業余衛星

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

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

現在，愛好者不需要掌握軌道力學（開普勒定律）的復雜細節，通過在衛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后，程序將解決復雜的軌道運算，實現實時軌道預報和衛星跟蹤。 開普勒軌道根數會隨時間變化而失效，因此可靠獲取最新軌道根數是愛好者的首要任務。業余無線電網站大都會發布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區塊坐標（MaidenheadGrid Square），就能提供被關注衛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發射準備

地點：拜科努爾發射場（N0ADI提供）

信標

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

衛星信標有莫爾斯電碼，各類數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星下行頻段的低端或高端發射。設置和校準地球站天線及其他設備時可作為絕佳參考值。

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

轉發器

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

衛星軌道運行使其轉發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，當衛星接近時，上、下行頻率大于標稱值；當衛星過頂后，上、下行頻率逐漸降低。

例如AO-51，采用彎管轉發器，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回地面。AO-51搭載有不同類型的轉發器，本文將以調頻語音轉發器為例，指導初學者進行業余衛星通信。

通信模式

業余衛星運行早期，常用一個或幾個字母來表示衛星轉發器的模式。例如，衛星的上行頻率波長2米，下行頻率波長為70厘米，則該衛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，很多衛星都搭載了多模式的轉發器，會出現類似用頻段首字母的代號體系。例如，衛星的上行頻率在UHF頻段，下行頻率在VHF頻段，原來的“模式B”變為“模式U/V”。同理，原來的“模式J”現在變成了“模式V/U”。AO-51的轉發器上行頻率波長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。轉發時間表

通常業余衛星管理者會提供轉發時間表。例如，AO-51有多個轉發器，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轉發器”頻率，網址：www.amsat.org /amsat-new / echo / index.php。轉發器大多轉發的是FM語音，慢掃描電視（SSTV），低功率（QRP）調頻或數字通信信號。通過查看時間表，愛好者可以確定轉發時間、發射頻率、解調模式。此外，在時間表中還能發現其他安排。例如，“大學衛星之夜”或AO-51的管理者何時調整衛星角度更好覆蓋南半球等。

表1 部分“EZ-sats” FM衛星上、下行頻率

設備

開展業余衛星通信既不需要超級強大的FM收發信機，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”天線就能成功實現業余衛星通信。“EZ sats”這類衛星UHF頻段轉發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星天線。但大多數AO-51通信愛好者，都在使用“Arrow II”型手持式衛星天線。

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衛星剛出現在地平面以上進行通信。

地點：密歇根州休倫湖畔 (KB1OGF 提供)

大多數業余衛星采用“全雙工”傳輸通信方式，通信數據可以上行接收和下行轉發同時傳輸，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星通信：一部電臺向衛星發射上行信號，另一部電臺接收衛星下行信號。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星管理者發布的上下行信號頻率，當衛星靠近和遠離地球站時可以使用。

例如， AMSAT網站發布的AO-51轉發器下行信號頻率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衛星上行鏈路信號輸入衛星轉發器時，要求發送CTCSS系統信令。所以，在發射信號前，一定要明確通信衛星是否需要發送CTCSS系統信令。目前，AO-51需要67 Hz的 CTCSS系統信令。

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星靠近和遠離地面站時持續接收下行信號。

功率：多大就夠了？

功率大小是相對的，取決于使用同一轉發器的用戶數量、天線系統的上行增益，以及衛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”是因為衛星更像是安裝在800公里高塔上的地面中繼器，因為一個衛星轉發器只有一個頻率，通信可能異常繁忙。用戶數量不多時，5瓦功率雙頻段對講機和擴展型“rubber duck”天線足以在衛星接近過頂時實現快速通信，但周末可能50瓦發射功率電臺配八木衛星天線都無法覆蓋大功率上行信號。衛星覆蓋區

理論上衛星處于地平線時，可以實現通信，但需要更大功率的電臺，更高增益的天線。“衛星覆蓋區”是指衛星信號所覆蓋地面的區域。對低軌衛星（LEO）而言，地面上兩點能同時觀察到同一顆衛星的區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星覆蓋區邊緣，而另一方處于覆蓋區的另一邊緣時才能成功，并且因覆蓋區移動速度過快，無法維持穩定通信。

極軌衛星通常有三次操作機會，可實現一天兩次通信。過境時間（處于衛星覆蓋區的時間）7-15分鐘不等，具體通信時長取決于衛星過境時，地球站是在覆蓋區還是部分在覆蓋區范圍。 很多衛星可以覆蓋整個大西洋。一些衛星通信愛好者，使用廠家出售或自制的手持式八木天線，配合對講機，在輪船甲板上實現通信。

圖5 發射前夕，AO-51和其他衛星置于運載火箭前級。AO-51為圖片下方的立方體衛星，兩邊是六棱柱形的意大利UniSat-3衛星和長方形SaudiSat-2衛星。（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據，網址：www.amsat.org/amsat-new/tools/predic。選擇AO-51，輸入經緯度或Maidenhead區塊坐標，點擊“預測”按鈕，過境時間（UTC）和過境方向就會呈現出來。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”，指衛星第一次出現在地平線；LOS表示“Loss of Signal”，指衛星消失在地平線。方位角和仰角都基于360度羅盤表示。

觀察運行軌跡發現AO-51會重復、規律地經過地球站所在位置。當衛星在近極地軌道（衛星軌道通過地球南北極）運行時，隨著地球緩慢旋轉，一天內衛星多次覆蓋到地球上每個點。觀察AO-51和其他極軌衛星的運行軌跡能發現衛星連續三次，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，相同的三次連續過境將從相反方向再次運行。 第一次嘗試業余衛星通信，先在列表中選擇超過45或50度的衛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火箭發射升空。

地點：拜科努爾發射場（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星上、下行信號頻率，然后等待衛星出現在地平面上。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象，信號會顯著衰減。當衛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。 衛星過境時，可能聽到業余無線電愛好者說“你好”，或者交換他們的Maidenhead區塊坐標。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衛星通信中是不受歡迎地。表演時間！

使用全雙工電臺嘗試業余衛星通信時，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，并通過衛星傳播！ 準備好嘗試衛星通信后，只需等待衛星語音暫停的瞬間，飛快按下呼號，注意避免發射CQ信號。等待在下行鏈路收聽到自己發出的信號，表示愛好者已經建立起衛星通信連接。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。為了延長衛星電池的使用壽命，衛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衛星通信者使用的雙頻段可旋轉3~4單元八木天線。當衛星從地平面出現時，將天線波束對準衛星并隨之轉動；當衛星過頂后，反轉天線跟蹤衛星，這種操作適用于衛星過境俯仰角在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年首次獲得業余無線電操作認證，呼號為KB1SF/VA3KSF，持美國高級執照和加拿大高級執照，擔任北美AMSAT組織前任主席和現任財務總管。1994-1998年任AMSAT執行副總裁，1994-2003年任AMSAT董事會成員。除《AMSAT期刊》，在《ARRL手冊》《ARRL衛星選集》《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行。

Keith Baker現為《監測時報》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《衛星手冊》編輯。現與妻子（KB1OGF/VA3OGF）、女兒Emily居住于加拿大安大略省科倫納小鎮。

責任編輯：xj

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

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