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业余无线电卫星通联指南

借助业余卫星,5瓦通联全球!

在阅读本文之前,需要假定您已对业余无线电这一爱好有了基本的了解。如果需要实操本文中“发射”的相关部分,您需要持有国内 CRAC 业余无线电 A 类操作证,或者其他您所在国家/地区的对应许可证。如果您想要了解业余无线电入门的相关内容,推荐阅读 『如何入门和参与业余无线电?』

在国内,所有业余无线电爱好者持有的最初的操作证都是 A 类,A 类操作证并不允许我们使用短波波段通讯,大部分的 A 类爱好者都集中在 U 段(430-440 MHz)和 V 段(144-148MHz),即使借助城市里的中继台,通联范围也可能只能覆盖您所在的城市里。目前也有很多中继台通过互联网实现了联网链路中继,通联范围得到了大幅提升,但我个人认为还是传统的模拟调制更有韵味。

与中继台类似,我们可以借助人造卫星来中继信号,在 UV 段实现更广范围的通联。在中国境内,您可以轻易的借助卫星通联到全国各地的电台,甚至是日本、菲律宾、泰国、俄罗斯等周边国家的电台。

可用卫星简介

目前,太空中有很多可供业余无线电爱好者使用的卫星,其中大部分是专门为业余无线打造的“业余卫星”,还有一些是顺便搭载了业余无线电的载荷。此外,国际空间站 ISS 也专门搭载了两部用于业余无线电操作的电台。这些航天器为业余无线电爱好者们提供了 FM 语音中继、线性中继、APRS 中继、慢扫描电视(SSTV)、遥测数据下传、天地通话等服务。本文将主要关注 FM 语音中继,这是入门最方便、成本最低的一种卫星通联方式。有各个关业余卫星的介绍、状态、新闻等信息,可以查阅 全世界业余无线电卫星组织 AMSAT 的网站。

截止至本文发表时,中国境内还可以使用的 FM 中继卫星有:

  • SO-50

    需要手动激活开机,发射 74.4 Hz 亚音持续两秒即可激活 10 分钟的转发器。激活后上行为 145.850 MHz / 67 Hz 亚音;下行为 436.795 MHz。覆盖范围大,比较热闹,东南亚、国内、日本电台都很多。

  • AO-27

    1993 年发射升空,服役十多年后故障报废,但在 2020 年奇迹般地复活了。由于电池老化,目前只在有阳光照射下的北半球的中纬度地区开机约 4 分钟(国内大部分地区在此范围内)。上下行频率与 SO-50 一致,但没有亚音,所以经常受到地面工地的干扰。但 AO-27 本身的信号还是很强的,操作起来总体上比 SO-50 要容易,但开机时间短,人多了比较难插话。

  • PO-101

    开机时间会在 官方 Twitter 账号 公布,日本电台比较多。上行 437.500 MHz / 141.3 Hz 亚音;下行 145.900 MHz。

  • LilacSat - 2

    中文名叫紫丁香 2 号,中国发射的业余卫星。可惜 FM 转发器开机时间并不明确,也没有统一的对外发布开机预告,所以使用的人比较少。

SO-50
SO-50
AO-27
AO-27
PO-101
PO-101
LilacSat - 2
LilacSat - 2

除了这些之外,国际空间站也搭载了 FM 中继器,功率要比上述业余卫星大得多,操作起来也更容易。遗憾的是,中继器在 2021 年 1 月因为线缆故障被关闭了,不过可以持续关注后续信息,因为 ARISS 已经向 NASA 反馈问题,可能会在后期进行维修。

截至到本文发布时,未来在计划中发射的,带有 FM 中继载荷的业余卫星有:

  • UVSQ-Sat

    已经发射,但 FM 转发器还没开过,后续会在 官方 Twitter 公布开机计划。

  • TAU-SAT1

    预计在 2021 年 3 月由国际空间站部署到轨道中。FM 转发器会在无其他科研任务且功率供给足够时开机。

  • Da Vinci

    预计在 2022 年第一季度发射。

起步

准备好了吗?接下来将一步步介绍如何入门业余卫星通联,放心,这对您所需要的设备和操作技能的要求都很低,相信您很快就能上手。

设备与天线

相比于“业余无线垫”的其他方向,FM 卫星通联所需设备很简单,您甚至都不需要购入新的设备。如果想要获得更好的体验的话,几百块钱就可以买齐足够征服所有业余卫星的设备。

首先是对于发射设备(电台)的选择。我们可以把业余卫星理解为“在空中的中继台”,所以您平时用来在城市中继台上通联的手台已经足以应对 FM 卫星通联。因为卫星在空中几乎毫无遮挡,5W 的功率就足以应对所有 FM 卫星我还见过 0.3W 在 AO-27 通联的实例 ,所以您甚至不需要购入车台。具体来说,您的手台需要满足以下基本条件:

  • 支持 UV 双段收发,且支持跨段收发(比如 U 段发射,V 段守听);
  • 支持信道存储;
  • 支持最低不超过 5KHz 的频率步进,越低越好。

目前针对业余无线电爱好者的主流手台基本上都满足上述条件,包括新手神机 UV-5R。除此之外,还有一个极其重要的特性是“全双工收发”,即在发射的同时可以听到另一频率的下行信号。这一特性对卫星通联非常有用,因为你可以实时确认自己的信号是否成功被卫星转发;但支持这一特性的手台型号稀少,且都比较昂贵,所以大家只能量力而行。

其次是天线的选择。您手中的手台原装天线或其他便携 GP 天线可以作为尝鲜使用,但想要达成完整的通联比较困难,需要高仰角、运气等成分的配合。因为 GP 天线的射频会均匀地辐射到天线周围,而我们需要的是集中地向卫星所在的方向辐射。八木天线在这里是一个比较好的选择:八木作为一种指向性天线,在其指向方向的增益较高,可以高效地将信号“集中”在卫星所在的方向上。推荐大家选购同时包含 U 段和 V 段振子的“UV双段手持八木”,您也可以选购 U/V 分开的两根八木,然后将他们平行的并在一起,分别接到两个电台上使用。

我在这里推荐大家购买的是 BH7JYR 制作的 U5V3 手持八木,性价比较高,基本可以应付所有 FM 卫星。如果对通联质量有更高要求的,也可一步到位购入他家的 U7V4 十字八木。

U5V3 一字八木
U5V3 一字八木
U7V4 十字八木
U7V4 十字八木

除了购买手持八木外,您还需要购买一个手机支架,以便将手机固定在八木天线上。在后续操作卫星时,我们需要借助手机辅助,将天线实时对准卫星。

轨道预测与追踪

业余卫星几乎都在近地轨道运行也有同步轨道中继卫星,可惜不覆盖国内,因为轨道高度有限,卫星从进入到离开我们的可视范围内的时间只有短短十几分钟,我们的通联也就需要在这十几分钟内完成,我们把这十几分钟的过程叫做一次“过境”。

在准备使用某个卫星之前,需要先计算预测这颗卫星在未来的什么时候过境,以及过境的大致轨迹、方位、最高仰角。很多软件能帮助我们完成这一预测,比如 Windows 平台的 Orbitron、Android 平台的 Heavens-Above 等。使用这些软件时要注意及时更新自己的位置信息和星历数据。一般来说,过境的最高仰角越高,卫星操作起来就越容易,因为低仰角过境离我们较远,还可能会被地平线上建筑物遮挡。对于仰角很高的过境,虽然在离我们最近时刻时卫星更容易收到我们的信号,但多普勒效应的影响也更严重,这一点会在后面说明。总而言之,一个仰角适中,且运行方向无其他遮挡的过境比较适合用来操作通联。

使用 Heavens-Above 预测的一次过境
使用 Heavens-Above 预测的一次过境
追星 APP 实时追踪卫星
追星 APP 实时追踪卫星

选择好合适的过境,提前找到一个空旷的场地(最起码卫星过境方向上无遮挡)。如果您家楼顶较高的话,那就更好了,直接上楼顶操作就很合适。在卫星过境期间,GP 天线要保持指向垂直卫星的方向即“天线侧面指向卫星”,而八木天线要保持指向卫星。这就需要将手机固定在八木天线上以辅助我们指向卫星。我这里推荐的手机 APP 是 Android 平台上由国内 BI3OJW 编写的 追星 ,虽然界面简陋、操作逻辑比较绕,但它能生动直观的帮助我们指向卫星。使用时将手机平行固定在天线上,保证手机画面中卫星图标在正中心即可。上文提到的 Heavens-Above 也能用来追踪,但其只能辅助大概方位角指向,仰角的大小还需要自己拿捏。对于那些单元比较多的八木天线,指向性较强,追星时指向误差要求就越严格。

多普勒频移

高中时大家都学过“多普勒效应”,一个生活中的例子就是:远方急驶过来的火车鸣笛声变得尖细,而离我们而去的火车鸣笛声变得低沉。把声波换成电磁波,多普勒效应的影响依然存在,尤其是近地卫星这种相对速度很快的物体。

在实际操作卫星时,我们需要在整个过境过程中适时调整上下行频率以应对多普勒效应。常见的做法是事先计算目标卫星在过境各个阶段的频率值,存入到手台的信道中,在操作卫星时只需要切换到对应阶段存储的信道即可。对于工作在 UV 段的 FM 卫星,多普勒效应对 V 段的影响较小,可以忽略不记,我们只要考虑 U 段即可。

在整个过境途中,多普勒效应会对 U 段频率产生大约 +/- 9 kHz 的偏移影响,卫星离我们最近时对应的频率就是标准频率,最近点之前或之后都需要进行偏移。将卫星 U 段的标准频率记为 F ,如果 U 段是下行频率,在卫星过境过程中,手台的接收频率需要从 F + 9 KHz 过渡到 F - 9 KHz;如果 U 段是上行频率,手台的发射频率需要从 F - 9 KHz 过渡到 F + 9 KHz。以最低频率步进为 5 KHz 的手台为例,我们需要存储 5 个信道,分别对应入境、上升、最近点、下降、出境阶段。以 SO-50 卫星为例,可以计算得到 5 个信道如下表所示:

阶段 上行频率 (MHz) 下行频率 (MHz) 发射亚音 (Hz) 阶段解释
AOS 145.850 436.805 67 入境
Ascending 145.850 436.800 67 上升
TCA 145.850 436.795 67 最高仰角
Descending 145.850 436.790 67 下降
LOS 145.850 436.785 67 出境

通过类似的规律可以计算出其他卫星的频率表。

信道存储好后,很多人在实操时会面临一个问题:我应该在什么时候切换到下一阶段的信道?对于 U 段下行的卫星(如 AO-27,SO-50,PSAT2),当我们听不清楚下行信号时,就可以尝试切换到下一个阶段的信道了,还可以两个阶段来回比较,切到最清楚的那个信道。但是 U 段上行的卫星(如 PO-101,ISS FM 中继)就没那么容易了,我们可以一直听到下行信号,但没法确认自己的上行频率是否合适,很容易说了一大通话,但压根没上去。一个可行的办法时借助卫星追踪软件(如前文的“追星” APP),这些软件会实时计算精准的多普勒效应频率,我们根据软件计算结果实时判断调整即可。

从接收开始

在开始正式通联尝试之前,我们不妨先从接收/守听开始,一来是练习卫星追踪、多普勒效应调整,二来是熟悉卫星通联的流程规范。除了守听 FM 卫星之外,还有一些其他有意思的东西可供我们接收练习。

  • 国际空间站 SSTV

    国际空间站会不定期的举行 SSTV 下传活动,具体的安排信息可以在这个网站查阅。每次活动后都可以申请电子证书。SSTV 全称慢扫描电视,是一种靠音频信号模拟传输图像的制式。我们可以借助手机 APP (如 Robot36 )实时解码图像,或者在接收时用手机录音,然后使用虚拟声卡和 PC 软件解码。

    ISS SSTV 接受效果 1
    ISS SSTV 接受效果 1
    ISS SSTV 接受效果 2
    ISS SSTV 接受效果 2
    活动结束后颁发的证书
    活动结束后颁发的证书

  • PSAT-2 SSTV

    PSAT-2 也是一颗业余卫星,虽然没搭载 FM 中继器,但它一直在下传 SSTV 数据。传输的图像包括机内预存图像和刚刚给地球拍摄的照片,两者交替下传。不过因为功率较低,接受难度要比 ISS 的 SSTV 大很多。

    PSAT-2 SSTV 1
    PSAT-2 SSTV 1
    PSAT-2 SSTV 2
    PSAT-2 SSTV 2
    PSAT-2 SSTV 3
    PSAT-2 SSTV 3
    PSAT-2 SSTV 4
    PSAT-2 SSTV 4

  • 国际空间站天地通话

    国际空间站的宇航员会不定期使用业余电台跟地面学校集体电台进行通话,相关安排可在 ARISS 官网 查询,要注意的是我们只能收听到宇航员的下行信号,没法听到地面电台的声音。

开始 FM 语音通联

在开始呼叫 CQ 前,应该先守听,确保没有别人正在频率上说话,在别人完成通联之前不应该打断别人,这些都是最基本的礼仪。除此之外,卫星过境时间短、人多,每个人的信号也不稳定,为了尽可能高效利用时间,卫星通联的流程也比平时 SSB 通联简化很多,很多时候可以在 10 秒内完成一个通联。这里给出一个完整通联示例如下:

  • 我:CQ Satellite, BG8KPQ
  • 对方:BG8KPQ BG8XXX You’re 59, over.
  • 我:Roger, BG8XXX This is BG8KPQ, You’re also 59, thank you, 73!
  • 对方:73!

基本上整个通联内容只交换呼号和信号报告,如果时间允许,也可互相交换梅登海德网格坐标。因为卫星通联信号质量很难提高,双方给出的信号报告都固定是 59,我目前还没听到过除了 59 外的信号报告。

FM 卫星通联中最容易遇到的问题是信号压制,即自己跟别人同时向卫星发射,卫星只能俘获其中一人的信号。为了避免这种状况,我个人给出的建议是:

  1. 确保自己的下行没有问题。如果你听不到别人,但是别人能听到你,你的随意呼叫会对别人造成干扰;
  2. 听到别人呼叫后,要么回答他,要么守听一段时间后再择机开始自己的呼叫;
  3. 尽可能使用能够满足完整通联所需的最低功率。超大的功率甚至有可能烧毁卫星上的设备。

我在 B 站投稿了一些我的通联录音,可供大家感受卫星通联大概的样子:『使用业余卫星中继通联到菲律宾和日本电台』『SO-50“菜市场”卫星通联实录』

日志与通联确认

手持八木操作时,我们很难进行纸质日志的记录,推荐使用手机或录音笔将通联过程全程录音,卫星落下后再根据录音整理日志。

如果卫星通联操作比较频繁,很容易遇到“老朋友”,所以很多友台并不会把通联日志公布在 QRZ.com 或 LoTW,有些日本台会在自己的 Twitter 或博客记录卫星通联。一个简单的方法是通联完成后尝试在 Twitter 或 Google 搜索自己的呼号。如果需要 QSL 卡片,可尝试通过 Email 联系对方,或者主动邮寄卡片等待回卡。

进阶

如果您已经能熟练手持八木征服各个 FM 卫星了,可以尝试探索以下更加硬核、深入的玩法:

  • 购买/自制 八木天线旋转器

    八木旋转器可以解放您的双手;放在楼顶连接家里的基地台,您可以足不出户“打卫星”;还能配合 PC 软件自动调节多普勒效应。您可以购买成品旋转器,也可尝试自制,这里有一篇论文详细阐述了一种旋转器的设计方案。

  • 线性中继卫星

    与 FM 卫星只转发某一频点不同,线性中继卫星可以将某一频段的信号完整转发到另一频段。单边带卫星不能使用 FM 通联,但支持 CW、SSB 通联。因为由一小段频段可用,线性卫星相比 FM 卫星不会那么拥挤。但是线性卫星对设备的要求更高,您可能需要购入支持 CW/SSB 调制的 UV 双段车台。

这里是 BG8KPQ,期待在频率上听到您的声音!