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        中心科普 | 《全球業余衛星介紹》(五)中國業余衛星(下)

        【字體: 2021年03月22日 16:37 來源:中國無線電管理 作者:劉明星 趙哲 張寧

        在回溯我國第一顆業余衛星的基礎上,本文分別對我國目前在軌的業余衛星、已退役的業余衛星及未來將部署的業余衛星進行梳理,總結我國發展衛星業余業務開展的特點。


        1.  我國在軌的業余衛星

        從AMSAT網站提供的愛好者通聯記錄來看,我國目前在軌的業余衛星共計10顆,分別是XW-2系列、CAS-4系列、LilacSat-2、FMN-1,詳見表1。

        上述衛星中的操作者既有業余衛星組織,也有商業公司,還有大學,豐富的參與單位為業余衛星的相關活動開展提供了大量的機會和平臺。

        1.1 XW-2(CAS-3)系列衛星

        2015年9月20日上午7點01分,希望二號系列衛星在太原衛星發射中心升空。該系列共有6顆衛星,其中XW-2A為20公斤級的皮衛星,XW-2B/2C/2D為3顆10公斤級的皮衛星,XW-2E/2F為2顆1公斤級的立方星。

        (1)XW-2A衛星

        XW-2A(CAS-3A)衛星攜帶有U/V模式20kHz帶寬線性轉發器,運行在400km高度的太陽同步軌道。


        圖1  XW-2A衛星示意圖

        (2)XW-2 B/2C/2D衛星


        XW-2B/2C/2D(CAS-3B/3C/3D)是一組相同的衛星隊列,都攜帶U/V模式20kHz線性轉發器,運行在500km高度的太陽同步軌道。


        圖2 XW-2B/2C/2D衛星示意圖

        (3)XW-2E/2F衛星


        XW-2E/2F(CAS-3E/3F)是兩顆小衛星,同樣攜帶U/V模式20kHz線性轉發器,運行在500km高度的太陽同步軌道。


        圖3  XW-2E/2F衛星示意圖

        下圖為希望二號系列衛星的轉發器頻率配置情況。


        圖4  XW-2E系列衛星頻率配置示意圖

        XW-2系列衛星的轉發器頻率為業余愛好者廣泛使用的VHF/UHF頻段(145/430MHz頻段),該系列衛星各配置了相同的線性轉發器,并配以相同的四分之一波長的單極鞭狀天線。每顆衛星各配置一副UHF天線、一副VHF天線,如圖所示,詳細的頻率方案如下。

        表2 希望二號系列衛星的上行頻率

        表3 希望二號衛星的下行頻率配置表

        希望二號系列衛星采用一體化設計,將星上的電子設備標準化、星載設備通用化、星內設備無纜化。我國的相關機構通過希望二號系列衛星的研制,探索和實踐了皮納衛星的初步應用,實現了皮納衛星在軌自主管理、多模式異構備份等技術,初步建立了通用化、標準化皮納衛星產品體系和標準協議,為應用型皮納衛星的后續發展和使用奠定了基礎。

        1.2  LilacSat-2(CAS-3H)衛星

        LilacSat-2(CAS-3H)衛星,即紫丁香2號衛星,由哈爾濱工業大學研制,攜帶 V/U頻段的FM轉發器,目前運行在500km高度的太陽同步軌道上。LilacSat-2與XW-2系列衛星使用同一顆長征6火箭以一箭 20 星的形式成功發射,下圖為紫丁香一號衛星的星上結構和功能模塊示意圖。

        圖5  紫丁香一號衛星的星載

        測控收發信機A是采用IQ零中頻/低中頻架構的V/U軟件無線電收發信機,可實現多通道收發及對多種射頻參數的靈活配置與切換,多模式業余無線電轉發器也在其基礎上實現。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,最大輸出功率27 dBm;上行模式包括AFSK、FM等。測控收發信機B是L/U頻段的FSK收發信機,可全雙工工作,其下行碼速率為1.2/4.8 kbps,最大輸出功率27 dBm。

        紫金山一號衛星主要目的在于構建飛行軟件在軌試驗平臺,用于分析空間單粒子效應對FPGA軟件功能和性能的影響。同時衛星也基于星上電子設備,進行全球航班ADS-B等狀態信息監測和大型野生動物蹤跡跟蹤等任務。另外衛星還攜帶了一個工業紅外相機,探索采用納衛星進行對地環境監測的可行性和有效性。

        圖6  紫丁香一號衛星結構圖

        紫丁香2號衛星的射頻系統包括測控收發信機A、測控收發信機B、GPS/BD2接收機、寬頻接收模塊和配屬的天線,組成框圖如圖所示。

        圖7 紫丁香一號衛星射頻系統組成框圖

        紫丁香一號衛星的UHF頻段天線由4根傾斜的1/4波長振子組成雙圓極化全向陣列;VHF天線和AIS天線為使用鈦鎳記憶合金材料的1/4波長展開天線;L頻段天線和BG2/GPS天線為微帶天線。

        紫丁香一號的特別之處在于,該衛星由哈爾濱工業大學的15名大學生設計建造,是大中小學生參與航天探索的有益嘗試。

        1.3  CAS-4系列衛星

        CAS-4(ZhuHai-1/2)系列為搭載在遙感衛星上的衛星業余載荷,目前有CAS-4A/4B兩顆在軌衛星。CAS-4A和CAS-4B 搭載在珠海 1 號星座中的兩顆遙感衛星OVS 1A和OVS 1B上,于 2017 年 6 月 15 日發射,運行在500km高度的傾斜軌道上,衛星配備U/V段線性轉發器(下行145MHz頻段/上行435MHz頻段),這兩顆微小衛星還承擔著光學遙感的任務。

        CAS-4A線性轉發器的下行頻率為145.87MHz,上行頻率為435.22MHz,遙測頻率為145.835MHz;CAS-4B線性轉發器的下行頻率為145.925MHz,上行頻率為435.280MHz,遙測頻率為145.890MHz。

        圖8 珠海一號衛星效果圖

        CAS-4系列的兩顆衛星是由民營航天機構發射的衛星,特別之處在于這兩顆衛星搭載在遙感衛星上,是另一種有益的嘗試。

        1.4  FMN-1(FENGMANIU-1)衛星

        2018年2月2日15時51分,我國國內首顆私人衛星在酒泉衛星發射中心成功發射。衛星發起者、御風資本董事長馮侖表示,希望通過“風馬牛一號”來實現衛星和手機互動娛樂的結合,探索媒體的新玩法!帮L馬牛一號”外形外形尺寸為300mm*100mm*100mm,與鞋盒大小相仿,重量4公斤,功耗8W。它配備了4K高清全景攝像頭,可以呈現360度太空高清照片!帮L馬牛一號”衛星是探索空間業務新應用的一種嘗試,該衛星搭載了業余無線電的載荷,能夠為全球的愛好者提供通聯的平臺,上下行頻率分別為145.945MHz和435.35MHz。

        圖9 風馬牛一號衛星效果圖

        “風馬牛一號”是首次將衛星作為媒介,以承載內容為核心的一顆衛星,衛星還將攜帶童聲合唱版《千字文》進入太空。衛星進入軌道后,配合地面的接收設備,能收到實時圖圖像。除了媒體的應用和探索,還將推廣公益和航天教育。

        圖10  風馬牛一號衛星效果圖

        “風馬牛一號”是世界首顆全景衛星,作為首個媒介形式的衛星,風馬牛一號離大眾“既遠又近”。通過科學技術,它跨越了時間和空間的障礙,為大眾傳來渺遠太空的圖像和聲音。但它并沒有拉開距離感、降低普通民眾的參與度,而是作為新興媒介、以新型內容激發起大眾的互動興趣。在衛星發射前,風馬牛團隊發起了關于夢想語音的征集,收集到的祝福將隨衛星上天,繞地球旅行后回傳到地面,僅這次活動就有上千人參與。

        風馬牛一號衛星的成功離不開中國迅猛發展的民用航天技術,它也致力于公益活動和航天教育,形成良性循環。風馬牛團隊將獨家開發一套用于衛星信號接收的硬件設備,并與國內頂尖的青少年航天教育機構合作,打造一系列基于衛星信號接收的課程與興趣活動,激活大眾、特別是少年兒童對航空航天事業的興趣,讓衛星所產生的社會意義和價值最大化。

        2.  我國退役的業余衛星

        我國的衛星業余業務發展迅速,至今有多顆衛星退役,分別為、CAS-2、CAS-6、CAS-7系列,詳細如下。

        2.1  CAS-2 系列衛星

        原計劃在2015年發射的CSA-2A1和CSA-2A2兩顆衛星,由CAS-3系列衛星取代。這個系列中的CAS-2T衛星即豐臺少年一號衛星,是一顆搭載了衛星業余無線電載荷技術驗證衛星。

        圖11  豐臺少年一號衛星示意圖

        2.2  CAS-6 系列衛星

        CAS-6(Tianqi-1/TQ-OSCAR-108/TO-108)衛星是一顆搭載有業余無線電載荷的引力波探測實驗衛星,在2019年12月20日發射升空。該衛星由東方號衛星公司為中山大學和華中科技大學建造,衛星尺寸為490mm×499mm×430mm,重量約35kg,搭載VHF頻段CW遙測信標和U/V模式帶寬為20kHz的線性轉發器和大氣風(Atmospheric Wind)探測器。

        圖12  CAS-6衛星測試圖

        CAS-6衛星搭載的長征11號運載火箭是我國首次嘗試在海上發射,具有里程碑意義。

        2.3  CAS-7系列衛星

        CAS-7B(BP-1B)衛星是一顆與教育相結合的業余無線電衛星。中國業余衛星組(CAMSAT)正在與北京理工大學(BIT)合作大學為衛星的發射提供支持,北京理工大學的許多教師和學生正在參與衛星的開發和測試,CAS-7B在2019年7月底發射進入預定軌道。

        在CAMSAT的幫助下,北京理工大學成立了業余無線電俱樂部(呼號:BI1LG),大學生通過學習業余無線電衛星通信相關的知識,在體驗著無盡的樂趣的同時激發了對太空的向往,也為以后的學習提供了實踐基礎。

        圖13  CAS-7衛星實驗圖

        CAS-7B為1.5U立方體衛星,衛星一面由直徑為500 mm,質量約3kg的軟性薄膜球覆蓋,衛星由氣動阻力帆被動控制軌道來保持穩定,衛星運行在300km高度圓軌道,軌道傾角42.7度。衛星配備VHF天線:1/4波長的單極子天線,最大增益0dBi,位于+Y側;兩幅UHF頻段的1/4波長單極子天線的最大增益0dBi,位于衛星-Z和+Z側。CW遙測信標頻率:435.715MHz/20dBm,V/U調頻轉發器下行鏈路:435.690MHz/20dBm,帶寬16kHz,V/U調頻轉發器上行鏈路:145.900MHz,帶寬16kHz。

        圖14  CAS-7衛星飛行效果圖

        作為一顆科學技術驗證微型衛星, “北理工1號”衛星完成兩項具有創新性的科研驗證任務,“帆球”技術和新型空間電臺技術。值得一提的是,這是我國第一次在太空發射任務中使用和驗證空間“帆球”技術。

        “帆球”技術及基于“帆球”的柔性輕型航天器技術,是將柔性材質的航天材料以折疊方式存放于衛星艙內,當衛星正常入軌之后,釋放柔性材料并展開膨脹成為球狀,球狀結構的體積大于衛星數倍,如同為衛星展開一面風帆。未來,“帆球”技術將直接服務于小天體探測等深空探測任務。BP-1B衛星的備份星BP-1A預計將在2021年發射。

        3.  我國后續的業余衛星

        3.1  CAS-5 衛星系統

        CAS-5系列共有兩顆衛星,分別是CAS-5A和CAS-5B,原計劃在2018年發射。CSA-5A是一顆尺寸為6U的立方星,計劃搭載如下的業余無線電載荷。


        上述轉發器中,除H/U模式的轉發器帶寬為15kHz外,其余轉發器均為30kHz,計劃部署在軌道高度為530km、軌道傾角為97.5度的太陽同步軌道。

        圖15  CAS-5A衛星效果圖

        CAS-5B衛星是一顆質量僅為0.5kg的飛衛星(Femto-Satellite)計劃搭載UHF頻段的CW信標,并與CAS-5A衛星一同部署。

        3.2  CAS-8系列衛星

        規劃中CAS-8衛星系統是由亞太空間合作組織(APSCO)發起的學生小衛星項目。APSCO于2008年成立,是一家總部設在北京的政府間組織,成員國包括孟加拉國、中國、蒙古、巴基斯坦、秘魯、泰國、土耳其和印度尼西亞。CAS-8衛星項目由四顆衛星組成,包括兩顆30公斤級的微衛星一顆用于技術驗證的實驗微衛星 CAS-8A 和一顆初級微衛星CAS-8B,兩顆3U立方星CAS-8C和CAS-8D 。

        CAS-8衛星項目由北京航空航天大學牽頭,與中國業余衛星組織(CAMSAT)合作,將業余無線電帶入該項目,并將共同帶領亞太空間合作組織其余7個成員國完成該項目。

        CAS-8A 攜V/U線性轉發器、UHF頻段的CW信標和 AX.25 4k8/9k6 GMSK遙測信標以及S頻段192kbps GMSK圖像和4k8/9k6 GMSK遙測下行鏈路。

        四顆衛星預計的頻率分別是:


        CAS-8衛星將是我國首次設置星間鏈路的業余衛星,是一種新的嘗試,為今后的業余星座的探索積累經驗。CAS-8 項目旨在為亞太空間合作組織成員國的學生和教師提供空間技術學習和衛星工程實踐的平臺,通過小衛星的設計、研制、在軌飛行測試和應用,提升成員國航天教育水平,與成員國共建“一帶一路”空間信息走廊,為亞太空間合作組織成員國航天教育體系發展貢獻力量。同時,CAS-8 衛星將實現 APSCO 八國通過太空共建業余無線電聯盟的協同效應,為 APSCO 成員國青年學生增加新的科普工具,進行自我培訓、相互交流和技術考察,也為全球業余無線電愛好者提供了新的衛星平臺。

        4.  總結

        從我國業余衛星的發展歷程來看,我國的業余衛星仍處于技術探索和積累階段,且多為搭載的方式,即在商業衛星上搭載業余衛星的轉發器,為愛好者提供通聯的平臺。

        從業余衛星的參與單位來看,既有衛星業余組織,又有大學等科研機構,可以說技術的先進性和探索性具有重大的意義。

        當前我國的業余衛星發展狀況較好,不少商業衛星搭載了衛星業余的載荷,但商業氛圍濃厚可能會成為愛好者探索空間通信技術的障礙。

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