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        主辦: 國家無線電監測中心國家無線電頻譜管理中心
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        中心科普 | 《全球業余衛星介紹》(四)中國業余衛星(上)

        【字體: 2021年03月22日 16:35 來源:中國無線電管理 作者:劉明星 趙哲 張寧

        在介紹我國第一顆業余衛星的基礎上,本篇重點分析我國開展的業余衛星活動并對業余衛星管理方式進行梳理,最后對業余衛星的發展進行探討。


        1.我國第一顆業余衛星

        研制我國自己的業余衛星最初想法始于1998年,但進展緩慢。直到2005年,在航天科技集團第五研究院(中國空間技術研究院)退休專家提議下,將研制業余衛星與研究院倡導的公益小衛星計劃相結合,才重啟了我國的業余衛星計劃,定名為CAS-1,2006年完成了衛星的設計、研制。


        2007年,業余衛星計劃與公益小衛星計劃結合的想法獲得了航天科技集團、中國科協、中國宇航學會和北京奧組委認可,各方正式啟動了希望一號衛星項目,這是我國第一顆業余無線電衛星,也是我國第一顆科普衛星。希望一號衛星于2009年12月15日在太原衛星發射中心搭載“長征二號丙”運載火箭,“一箭雙星”成功發射入軌。


        圖1 希望一號衛星結構圖

        2009年12月19日,AMSAT把“希望一號”編為業余無線電衛星第68號,HO-68。H為“希望”的英文“HOPE”的第一個字母,O是國際上對業余無線電衛星的統稱“OSCAR” 的第一個字母,這是我國的衛星第一次獲得國際業余無線電界的編號。



        表1 我國的第一顆業余衛星的技術參數

        衛星名稱

        希望一號(XW-1/CAS-1)

        國際編號

        HO-68

        衛星形狀

        八面體柱形。質量約60千克,星體高480mm、包絡直徑680mm

        業余衛星載荷

        一臺業余無線電遙測信標機和三臺業余無線電通信轉發器。

         

        電源系統

        衛星采用被動熱控方式。砷化鎵太陽能電池陣和鋰離子蓄電池聯合供電。

              其他載荷

        衛星還攜帶有一臺微型彩色寬視場CMOS攝像機和一個青少年科學實驗裝置。

         

        工作頻率

        遙測信標機工作在UHF頻段,發射頻率為435.790MHz,射頻輸出功率約200mW。

         

        工作模式

        三臺轉發器分別工作在調頻中繼模式、線性轉發模式和數據存儲轉發模式。

        軌道參數

        高度為1200km,傾角為105°,運行周期為109分鐘的太陽同步軌道。

        調制方式

        無調制載波、等幅報和AFSK等方式;國際標準莫爾斯電碼發送。



        希望一號衛星的遙測信標信號每一次發送一個數據幀,發送時間約40秒,然后停止發送10秒鐘,再發送下一個數據幀,周而復始。每個數據幀的遙測數據由星上微處理器實時更新,雖然希望一號衛星現在僅有一臺信標發射機工作,但其優異的設計及穩定的性能使其成為業余衛星中的長壽星,至今仍然在軌運行。


        “希望一號”衛星遙測信標發送時序如下:


        圖2 希望一號衛星的信標時序圖


        圖3 希望一號衛星的星下點軌跡

        可以說,我國的業余衛星計劃開始較晚,但一開始就得到了國家的大力支持,這也成為我國業余衛星部署的特點:由國家相關部門牽頭,各公益組織或科研機構和高等院校大力支持,后續的相關衛星將在下一篇文章中詳細介紹。


        2.我國開展的業余衛星活動

        我國的業余衛星愛好者在與國外愛好者通聯的同時,也開展了各種各樣的具有中國特色的活動:一是開展中小學科普教育,二是鼓勵青少年參與航天器研制,三是由國家相關部門建設科普實驗基地。

        (1)開展通聯競賽


        國家體育總局聯合教育部、中國科協、共青團中央等部委已連續多年持續開展了“全國青少年業余無線電衛星通信錦標賽”及相關的業余無線電活動。


        圖4  青少年參與業余衛星通信錦標賽

        青少年業余衛星通信相關的活動主要包括衛星通信天線制作和衛星信標抄收兩個部分,天線制作競賽由參賽選手在規定的時間內,按規定的方案獨立完成VHF/UHF雙波段手持式業余衛星通信八木天線的制作和調試,并當場提交書面制作報告。衛星信標抄收競賽由參賽選手使用自制的天線,自備接收機和相關設備,在規定的時間和地點架設設備,本人手持天線跟蹤指定的業余無線電衛星,完成信標信號的接收。業余衛星通信的相關的競賽活動讓我國的青少年感受到了航天探索的魅力,近年舉辦的衛星業余的相關賽事遍布華北、華東、華南等地區,詳見下表。



        表2 全國青少年業余無線電衛星通信錦標賽的舉辦地點

        舉辦時間

        舉辦地點

        2010年

        廣東省珠海市

        2011年

        安徽合肥

        中國人民解放軍陸軍軍官學院

        2012年

        廣東省廣州市

        2017年

        北京市朝陽區

        2018年

        江蘇鎮江

        2020年

        河北保定



        從歷年的參賽情況來看,選手既有小學生也有高中生,孩子們通過賽前的訓練和比賽過程,不僅學習了業余無線電、天文學、物理學和航天科技等方面的知識,同時又通過動手,學到了課本之外的知識。小朋友們在制作和通信中體會到了學習的樂趣,并且在活動的過程中培養了他們的探索精神,用競技比賽與科技體驗活動相結合的方式,彰顯出了我國衛星業余無線電通信的獨特魅力。


        衛星業余無線電的信標首先被用于地面業余無線電愛好者跟蹤衛星的運行。其次,衛星信標信號通常包含有反映衛星工作狀態的遙測數據,業余無線電愛好者通過解碼遙測數據可了解衛星的工作情況。2010年和2011年舉辦的前兩屆全國青少年業余無線電衛星通信錦標均使用了我國的第一顆業余衛星HO-68(XW-1)。


        (2)青少年科普活動


        2016年,11月10日早上7點42分,我國第一顆由中學生參與研制的科普衛星—“豐臺少年一號”暨“少年夢想一號”衛星在酒泉衛星發射基地搭載長征11號運載火箭成功發射升空。我國成為繼美國、俄羅斯、法國、日本、印度之后第6個發射由青少年參與研制衛星并順利升空的國家。這是北京市豐臺區大力推進中小學生科技教育,提升青少年科學素養整合各方資源成立錢學森青少年航天科學院以來取得的階段性重大成果。


        2011年,北京市豐臺區在中國運載火箭技術研究院等院士和知名專家的幫助下成立了錢學森青少年航天科學院,啟動了青少年“小衛星計劃”項目。小衛星發射升空工作是錢學森青少年航天科學院的一項重點工作,首顆小衛星的樣星于2012年由北京十二中錢學森航天實驗班的同學研制成功。


        圖5 北京市豐臺區中小學科技課程啟動儀式

        “豐臺少年一號”暨“少年夢想一號”長10厘米、寬10厘米、高20厘米,重1.87千克,主體是黑色。該衛星也是錢學森青少年航天科學院研制的第三顆青少年衛星,主要用于錢學森青少年航天科學院開展中學生天地通聯實驗。小衛星升空后,全世界的無線電愛好者都可以接收衛星信號并接收語音信息。

        圖6  青少年參加“豐臺少年一號”衛星研制

        來自北京十二中、北京十八中、北京市航天中學3所學校6名學生在專家龔萬驄(BAIDU)老師的指導下,參與這顆小衛星的課題研究。他們利用周末和節假日時間,系統地完成了衛星結構、星箭分離、衛星電源技術、星地無線電通訊、衛星發射場的雷電探究與防治、衛星軌道的分析和計算、太空環境對食用菌的影響等七個專題的學習,并參與衛星研制、星箭匹配、衛星測試,最終于11月10日成功發射升空。


        “小衛星計劃”項目旨在讓青少年參與研發衛星發射升空,中學生參與衛星設計、研制過程,將極大地提升學生的科學素質,有效地培養學生的科技探究能力。隨著研究的推進,中國運載火箭技術研究院已經同意將此小衛星計劃打造成系列,“豐臺少年2號”小衛星的功能將更加強大,在軌工作時間可以達到2年。


        (3)建設科普基地


        業余無線電的愛好者有自己的圈子,有自己開展活動的方式和方法,青年少朋友們也有相應的活動組織方式,但上述活動的開展沒有固定的時間、場所,也沒有相應的關聯性。國家無線電監測中心作為無線電管理技術機構,指導下屬單位北京東方波泰無線電頻譜技術研究所專門建設了業余無線電科普研學基地。


        圖7  研究所建設的業余無線電科普基地

        有了國家無線電監測中心的技術支持,于2020年11月投入試運行的業余無線電科普研學基地,今后將在無線電通信技術、天文知識等多領域科學普及中發揮更大作用,通過科普帶動大家的科研探索興趣,努力讓公眾理解科學、熱愛科學、探究科學,培養科研人才,助力科技強國建設。


        3.我國業余衛星的管理

        (1)我國的業余衛星組織

        1969年,美國的業余無線電衛星組織(AMSAT-NA)在華盛頓特區成立。國際上很多國家都有自己的業余衛星組織,如英國的AMSAT-UK、德國的AMSAT-DL、巴西的BRAMSAT和阿根廷的AMSAT-LU。我國也成立了相應的業余衛星組織—CAMSAT,各國的業余衛星組織都獨立運營,但也在很多大型項目上展開廣泛的合作。如早期美國的愛好者和澳大利亞、日本及歐洲的愛好者共同推進了業余衛星通信活動成為一種無線電業務。

        業余衛星的發射和運營由我國的航天主管部門(國家航天局)審批,無線電頻率和軌道資源的審批由頻率主管部門(工業和信息化部)審批。為擴展衛星業余無線電活動的影響力,在中國無線電協會的支持下成立了業余分會,業余衛星的通聯和活動在中國無線電協會業余分會的指導下開展。

        (2)我國的業余衛星管理

        在《無線電規則》和《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》中,對業余無線電相關活動有明確的定義:業余業務是指供無線電愛好者進行自我訓練、相互通信和技術研究的無線電通信業務。業余無線電愛好者系指定正式批準的、對無線電技術有興趣的人,其興趣純系個人愛好而不涉及謀求利潤。衛星業余業務是指利用地球衛星上的空間電臺開展與業余業務相同目的的無線電通信業務。

        關于業余無線電臺的管理,我國在2012年出臺《業余無線電臺管理辦法》,該辦法涉及業余無線電臺的設置審批、業余無線電臺的使用、業余無線電臺呼號等內容,并附有申請表格和電臺呼號說明。管理辦法第二十八條的第(二)款明確規定禁止利用業余無線電臺從事商業或者其他與營利有關的活動。

        對于衛星業余業務的開展,必須要保證其公益的屬性,讓愛好者和青少年朋友們從中受益,讓航天探索走近尋常百姓,讓科技創新和技術實踐成為我們走向星辰大海的力量源泉。

        4.業余衛星的未來展望

        自從1961年第一顆業余無線電衛星OSCAR-1升空以來,業余衛星就受到來自全球大量業余愛好者的關注。無線電愛好者利用業余衛星進行通聯、試驗,甚至在搶險救災的重要關頭發出珍貴的呼救信號。業余無線電衛星通信是當今簡單、廉價而且能夠清晰的體驗衛星通信全過程的有效手段。


        OSCAR-1的成功充分證明了:業余無線電愛好者有能力設計和制造能可靠工作的人造地球衛星,業余無線電愛好者有能力與航天發射部門進行技術協調,業余無線電愛好者有能力跟蹤人造地球衛星,業余無線電愛好者有能力處理相關的科學和工程數據。


        近年來隨著衛星商業模式和微小衛星制造產業的成熟,微小衛星有了井噴式的發展,其廣泛應用于新技術驗證、科學實驗、科普教育、對地遙感和通信等領域。但與此同時,部分衛星操作者違規使用業余衛星進行商業運作,在業內造成負面影響,甚至在國際上引發投訴事件。未來的業余衛星將有如下的發展趨勢:


        (1)衛星平臺多樣:業余衛星在向小型化發展的同時,也將出現更多的形態,既有單獨的專用業余衛星平臺,也有與通信衛星、導航衛星、對地觀測衛星等衛星平臺結合的方式。


        (2)組網方式豐富:以往的業余衛星,多數情況下均為單顆衛星獨立工作,未來將出現業余衛星的隊列,甚至專業的業余衛星星座。


        (3)新技術含量高:未來的微小衛星和業余衛星,將廣泛應用于科學實驗、新技術、平臺設計驗證等方面。其中的典型代表為:2019年7月我國最新發射“北理工1號”,即是一顆微小業余衛星,該星主要用于驗證“帆球”航天器技術和新型空間電臺技術。


        圖8 北理工一號衛星的運行效果圖

        (4)研制周期短:未來的業余衛星研制會大大壓縮,平臺化和專業化生產會讓業余衛星項目立項、實施和運行的周期縮短。


        (5)研制經費低:現在通常百萬到千萬人民幣的數量級就可以研制一顆微小衛星,未來批量化、模塊化生產讓成本更低。


        (6)發射成本低:利用小型火箭批量發射,或搭載大衛星作為次載荷發射,方式多樣,火箭技術的進步讓小衛星的發射成本降低。


        (7)合作方式豐富:國內外各方的技術人員將加大合作力度的同時,國內的科研機構和商業航天公司也將會積極探索新的合作模式。


        5.總結

        從目前的情況來看,我國業余衛星的操作者主要是科研院所、教育機構(特別是高校)和新興衛星運營商,主要用于科學實驗、試驗星驗證、科普教育等用途,從頻率上可以看出我國業余衛星主要使用的仍是UV頻段。高頻段的厘米波甚至毫米波具有豐富的無線電頻率資源,將是未來開展業余衛星的有利條件。


        相信我國的業余衛星活動會越來越豐富,隨著我國空間站的部署和火星探測活動的推進,我們將從太空走向深空。

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