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        中心科普 | 《全球業余衛星介紹》(二)美國業余衛星

        【字體: 2021年03月22日 16:20 來源:中國無線電管理 作者:趙哲 張寧

        美國的多數業余衛星都會用OSCAR來進行命名,OSCAR是Orbiting Satellite Carrying Amateur Radio的縮寫,意思是攜帶業余無線電設備的在軌衛星。衛星名稱和編號由美國業余無線電衛星組織(AMSAT)進行分配,該組織致力于業余衛星的設計、建造、測試、發射和通聯。這些業余衛星可以由獲得許可的業余無線電運營商免費用于語音(FM,SSB)和數據(AX.25,分組無線電,APRS)通信。


        業余無線電衛星幫助推進了衛星通信科學。所做的貢獻包括第一個衛星語音應答器(搭載在OSCAR-3)的發布以及高度先進的數字“存儲轉發”消息收發應答器技術的開發等。


        自1961年12月12日由加利福尼亞州隆波克范登堡空軍基地的Thor-DM21 Agena B發射器發射了第一顆業余衛星OSCAR-1以來,美國的業余衛星可分為兩個系列,第一個系列是AMSAT-OSCAR,第二個系列是NAVY-OSCAR。



        表1 目前美國的在軌在用業余衛星

        衛星名稱

        狀態

        發射日期

        AMSAT-OSCAR 7 

        半運行

        1974/11/15

        AMSAT-OSCAR 16 

        半運行

        1990/1/22

        OSCAR 33 

        半運行

        1998/10/24

        Navy-OSCAR 44 

        半運行

        2001/9/30

        GeneSat-1

        在運行

        2006/12/16

        CAPE 2

        在運行

        2013/11/20

        OSCAR 76

        在運行

        2013/11/21

        OSCAR 83

        在運行

        2015/5/20

        OSCAR 84

        在運行

        2015/5/20

        AMSAT-OSCAR 85

        在運行

        2015/10/8

        AMSAT-OSCAR 91

        在運行

        2017/11/18

        AMSAT-OSCAR 92

        在運行

        2017/1/12

        AMSAT-OSCAR 95

        在運行

        2018/12/3

        Navy-OSCAR 103

        在運行

        2019/6/25

        Navy-OSCAR 104

        在運行

        2019/6/25

        第一顆業余無線電衛星OSCAR-1只有4.5公斤重(30 x 25 x 12cm)。1961年底,作為Corona 9029(也稱為Discoverer 36)的第二個有效載荷發射,這是KH-3系列衛星的第八次也是最后一次發射。


        OSCAR-1有一個由電池供電的140 mW發射機,工作在144.983 MHz頻點,采用了從凸面中心延伸60厘米長的單極發射天線,但沒有姿態控制系統。像人類歷史上的第一顆人造衛星Sputnik-1一樣,OSCAR-1只攜帶了一個簡單的小信標發射器,可以被地面站用來測量無線電在電離層中的傳播,這個信標還傳送了包含衛星內部溫度的遙測信息。


        OSCAR-1在軌道上運行的22天,發送了摩爾斯電碼消息“HI”。OSCAR-1發射后,美國副總統林登·約翰遜(Lyndon B. Johnson)隨即以祝賀電報的形式向贊助業余無線電史上這一重大活動的小組致以敬意。


        OSCAR-1的原始數據備份已恢復,并且可以完全使用交流電源供電。目前OSCAR-1在康涅狄格州紐頓市的ARRL總部展出,并可以繼續在145 MHz頻段發出摩爾斯電碼的“HI”。


        圖1 第一顆業余無線電衛星OSCAR-1

        1.AMSAT-OSCAR系列介紹

        AMSAT是一個由業余無線電運營商(HAMS)組成的全球性組織,成立四十多年以來,AMSAT主要利用志愿者提供的服務和捐贈的資源進行衛星設計,建造,并在政府和商業機構的協助下,將衛星發射升空。截至目前,AMSAT已成功地將60多枚業余無線電衛星發射到了地球軌道上。


        AMSAT成立于1969年,是美國哥倫比亞特區特許的非營利性教育組織。其目的是促進業余廣播電臺參與太空研究和交流。這個組織由3000名成員組成。在美國AMSAT成立之后,全世界各地其它地區的團體也開始相繼成立,并同時也在使用AMSAT這個縮寫。盡管各個小組之間的隸屬關系不是正式的,但組織之間會非常緊密地進行合作。


        接下來我們會在AMSAT-OSCAR系列中選取幾個較為有代表性的衛星進行介紹。


        (1)AMSAT-OSCAR-7

        OSCAR-7,也就是AO-7,于1974年11月15日發射到低地球軌道,一直運行到1981年電池故障。然后經過21年的沉默,在發射27年后的2002年6月21日再次聽到了該衛星的聲音,但是衛星的控制系統已經不能工作了。盡管不受地面控制,AO-7依然能在有光照的大部分時間里通聯。

        圖2 有47年歷史的在軌業余無線電衛星AO-7

        衛星帶有兩個通信中繼器,同時只能有一個處于工作狀態。第一個是OSCAR 6任務中使用的高功率(2W)版本。該同相轉發器接收145.85 MHz和145.95 MHz之間的上行鏈路信號,并在下行鏈路上29.4MHz和29.5 MHz之間重新發送它們。200mW遙測信標提供29.502 MHz的遙測數據。對于1 W的輸出,在中繼器輸入端子處大約需要-100 dBm。這對應于90 W地面的EIRP,到衛星的距離為2,000英里,極化失配為3 dB。


        第二個中繼器是由AMSAT的子公司AMSAT Deutschland e.V.在西德的馬爾巴赫建造的,它是帶寬為40 kHz的反相線性中繼器。它采用了采用包絡消除和恢復技術的8瓦PEP功率放大器,可在寬動態范圍內以高效率保持線性工作。該轉發器的上行鏈路從432.125 MHz到432.175 MHz,下行鏈路從145.975 MHz到145.925 MHz。由于上行鏈路頻段與無線電定位服務共享,因此在轉發器中并入了實驗性脈沖抑制電路,以減少上行鏈路中寬帶脈沖雷達干擾的影響。


        (2)AMSAT-OSCAR-85

        AO-85(以前稱為Fox-1A)是AMSAT的Fox-1系列1U立方體衛星中的第一個。作為ELaNa XII的一部分,AO-85在加利福尼亞州范登堡發射的NROL 55 Atlas 5上發射,它的傾角大約為65度,在518x810 km的軌道上有遠地點在北半球。

        圖3  AO-85衛星工程原型

        AO-85帶有一個工作頻率高達800mw的U/V FM中繼器。上行鏈路計劃為435.180 MHz,但初步報告表明,由于無法預料的溫度差異,上行鏈路可能接近435.172 MHz。中繼器的訪問要求衛星接收67.0 Hz的PL音調持續2秒鐘。如果衛星未接收到攜帶67.0 Hz PL音調的信號,則轉發器將在一分鐘后關閉。當中繼器未通過攜帶PL音調的信號激活時,語音信標每兩分鐘發送一次。下行鏈路為145.980 MHz,包括與中繼器同時進行的語音數據(DUV)FSK遙測。9600 bps的高速數據下行鏈路可用于實驗和高分辨率數據。


        除了業余操作外,航天器上會開展一些科學實驗。例如范德比爾特大學的低能質子輻射實驗,賓夕法尼亞州立大學的陀螺儀實驗。


        (3)AMSAT-OSCAR91

        AO-91是AMSAT與范德比爾特大學ISDE合作建造的,擁有四個有效載荷,用于研究輻射對現成組件的輻射影響。該衛星于2017年11月18日發射,是ELaNa XIV任務的一部分,是運載聯合極地衛星系統(JPSS-1)衛星進入軌道的Delta II火箭的第二個有效載荷。

        圖4  AO-91衛星工程原型

        AO-91還具有Fox-1型FM U / v中繼器,其上行鏈路為435.250 MHz(67.0 Hz CTCSS),下行鏈路為145.960 MHz。衛星和實驗遙測通過“DUV”亞音頻遙測流進行下行鏈路傳輸,并且可以使用FoxTelem軟件進行解碼。


        2.NAVY-OSCAR系列介紹

        美國海軍學院成立于1845年10月10日,在前美國海軍部長喬治·班克羅夫特的領導下,是美國五所軍校中校齡第二長的,其畢業生主要加入美國海軍和美國海軍陸戰隊。校園面積137公頃,位于安妮阿倫德爾縣的塞文河和切塞皮克灣交匯處。NAVY系列衛星主要就是美國海軍學院在發射和操作。

        (1)NAVY-OSCAR-44

        OSCAR-44(也稱為Navy-OSCAR 44,或者 NO-44)是由美國海軍學院制造的一顆業余衛星。該衛星由阿拉斯加的科迪亞克發射場于2001年9月30日發射的,使用的是Athena 1火箭,同時還有三顆衛星被送入了地球軌道,分別是Starshine 3,PICOSat和SAPPHIRE衛星。


        圖5  NO-44衛星工程原型

        OSCAR 44在2米波段有一個用于APRS的數字中繼器,上下行鏈路為145.825 MHz(FM FSK, AX.25, 1k2 and 9k6),衛星通常在負功率平衡下工作。


        OSCAR 44存在嚴重的電池問題,每年需要將其電池進行三次重置。NO-44曾于2003年4月26日宣告結束,并于7月17日死亡。但同年9月又神奇地重新恢復運轉。自從2003年以來,已經進行了許多嘗試來恢復該衛星,但是始終未能將其完全恢復。NO-44在有利日曬的條件下(通常在正午時分)會保持活躍約30-45分鐘時,隨后隨著功率下降,又會停止工作。


        (2)NAVY-OSCAR-104

        PSat-2是美國海軍學院的實驗性業余無線電衛星,是與捷克共和國布爾諾技術大學合作開發的。AMSAT北美的OSCAR號碼管理員為該衛星分配了號碼104;因此,在業余無線電社區中,它也被稱為Navy-OSCAR 104,簡稱NO-104。

        圖6  NO-104衛星工程原型

        PSat-2(ParkinsonSAT)是一個學生衛星項目,它使用雙向通信應答器,用于通過Internet連接的志愿地面站的全球網絡將來自遠程環境實驗或其他數據源的遙測、傳感器和用戶數據中繼回實驗者。數據轉發器還包括完整的立方體衛星的所有遙測,命令和控制。

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