業餘衛星通訊簡介

by 莊焜亮 / BV1AF

前言

業餘衛星通訊簡稱OSCAR (Orbiting Satelitte Carrying Amateur Radio),是利用繞行於地球軌道上的人造衛星,當作無線電通訊的中繼器(repeater)、轉頻器(transponder)或數位中繼器(digipeater),以達到遠程通訊的目的。

業餘衛星在研發期間研發單位即賦予一定的名稱編號,例如美國的AMSAT系列、英國的UoSAT系列以及日本的Fuji系列等等,一旦衛星射入地球軌道並開始運作之後,再賦予一個業餘衛星的編號,即在原有名稱之後加上OSCAR編號來識別,如:美國的AMSAT Phase III D成為AMSAT-OSCAR-40、英國的UoSAT 5成為UoSAT-OSCAR-22、日本的Fuji-2成為Fuji-OSCAR-29,為了應用上的方便,這些編號再被簡稱如:AO-40、UO-22和FO-29。俄羅斯的業餘衛星編號就比較特別,它們的業餘衛星經常是附掛在導航或通信衛星上,且一直沿用Radio Sputnik的編號,如:RS-12/13、RS-15、RS-20及RS-21等都是業餘衛星。

目前為止OSCAR識別編號已經用到MO-46,不過有在運作的業餘衛星總數大概不到30個,許多新一代的OSCAR正在研發或製造、測試中。

 

業餘衛星的利用方式

利用業餘衛星來通訊有下列兩種方式:即時通訊存轉式通訊

     

                                  即時通訊                                存轉式通訊

衛星軌道

環繞地球飛行的人造物體,理論上高度達到250公里以上,即可保持離心力與地心引力的平衡而不墜。實際應用中的人造衛星軌道高度,大概可以分為下列幾個區間:

              低軌道:300公里~1,700公里

              中軌道:1,700公里~20,000公里(具有高輻射線的「范亞倫帶」在此範圍)

              高軌道:20,000公里以上

 

軌道特性

              300公里以下:

適合太空實驗室或載人飛行器,如MIR太空站、太空梭、國際太空站(ISS)及短期間的實驗衛星等,衛星本身需攜帶推進器,以便隨時調整軌道高度,否則會因少許太空微塵的阻力而減速以及輕微的地心引力之吸引,使得衛星高度逐漸下降而墜毀。過去有一些從MIR或太空梭上以人力發射的實驗衛星,壽命大約只有50天左右。在這個高度的衛星,優點是有利於觀察地球和可以較小的功率來通訊;缺點是通訊時間短,每次最多只有9分鐘左右。

              300 ~600公里:

長時間環繞地球的太空站最有效益的高度是500公里,目前ISS的高度約為400公里,此高度對負載頗重的定期運補太空船往來較為方便。某些科學實驗衛星也在這個高度,它仍保有易於觀測地球和通信的優點,而通信時間可拉長一點。

              600~1,000公里:

絕大多數工作中的衛星都在這個高度,地球引力作用不大,而衛星訊號涵蓋範圍相當大,以800公里高的UO-14為例,可涵蓋到台灣和印度。這個高度也使得每次pass的可通信時間最長可達15分鐘,而每天的pass達到6~8次。

              1,000~1,700公里:

如果衛星本體或其電路板有足夠的防護罩(通常使用輕金屬—鈦)足以抵擋輻射線,那麼這個高度就可再提昇通信範圍、每天通信次數和每次通信時間,以RS-15為例,其軌道平均高度在2,000公里左右,只要軌道位置恰當,透過這個衛星台灣可以和整個澳洲大陸通連。

              1,700~20,000公里:

具有高輻射線的「范亞倫帶」也再這個範圍內,極少衛星會設計在這層高度,頂多是「穿透」這一層(所需時間不長),否則衛星極易損毀。

              20,000公里以上

這個軌道高度幾乎沒有商用衛星,因為要把衛星送上這個高度需要高推力的火箭(成本太高),所以只有少數圓軌道衛星,如美國的全球定位衛星GPS、俄羅斯的導航衛星GLONASS,都是大約20,000公里高,位於赤道上空的同步衛星(通信、氣象及廣播等用途)為36,000公里高,橢圓軌道衛星如AO-10(最高點36,000公里), AO-40(最高點58,000公里)等,會達到這個高度。

衛星訊號

衛星通信有其特性上的限制,如:通信時間短、可用頻帶較窄及都卜勒頻移等,因此,除了一般的通信模式外,還有一些衛星通信特有的模式,以下就一一來介紹:

              類比衛星 (語音、電碼)

FM 模式:多用於中繼器(Repeater),如UO-14,AO-27等;國際太空站(ISS)也使用此模式作voice QSO和PACKET通信。

SSB模式:絕大多數的業餘衛星的轉頻器(Transponder)都具有這種模式,並且使用跨頻帶(上、下連使用不同頻率)作雙工通信,為了更容易補償都卜勒頻移,常採用上連為LSB而下連為USB的調制。

CW模式:這是最古老的通信模式,也是較節省頻寬的模式,但相對的需要特殊的技巧。

         類比衛星的信標(beacon)和遙傳訊號(telemetry)也大多是使用CW模式。

FM DigiTalker模式:衛星上的「語音合成器」將機上電腦資料合成語音之後,以FM模式下傳至地面電台,類似廣播的功能,如FO-29、SO-35等。

Tone TLM:小型實驗衛星(如RS-17)為了簡單取得實驗數據,常將數據(如溫度)轉成音調來調制FM載波以便傳送給地面電台。

SSTV模式:類比衛星除了可以做一般的SSTV通信外,衛星上若有CCD攝影機也可以將拍攝到的影像,立即以SSTV模式傳送下來。以前的MIR和太空梭任務中都曾做過SSTV實驗,將來ISS上也會有定期的SSTV通信實驗。

   

              數位衛星 (包封通信)

Packet 1200 baud FSK beacon (如ISS, NO-44等)

Packet 1200 baud PSK beacon & 廣播式BBS (如AO-16, LO-19, IO-26等)

Reverse 1200 baud FSK beacon (如UO-11)

Packet 400 baud PSK beacon (如AO-40)

              氣象衛星(137 MHz, 非業餘頻帶)

美國NOAA系列 (雲圖 sample 如下)

 

俄羅斯Meteor系列 (雲圖 sample 如下)

衛星追蹤

利用衛星通信之前要先預測衛星什麼時候會出現在你的天空,這就要靠衛星追蹤程式來幫忙。在網際網路上有些網站提供線上追蹤衛星的功能,只要輸入經緯度、時區和所要追蹤的衛星名稱,就可以得知衛星現在何處以及何時會出現在你的天空。以下是兩個參考網站:

1. Heavens Above                                                   

http://www.heavens-above.com/

   線上即時衛星追蹤網站,若一時找不到

追蹤軟體可用,不彷到此網站來查詢衛星位置

 

 

 

 

 

2. ISS Orbital Tracking                           

http://spaceflight.nasa.gov/realdata/tracking/index.html

   線上即時追蹤「ISS國際太空站」。也能同時

  追蹤其他衛星。

 

 

 

 

 

 

 

 

        在無法連接網際網路的情況或是要有更進一步追蹤功能(例如讓衛星追蹤程式能同時控制指向性天線對準你要通信的衛星),這就需要有一部獨立的電腦和適當的衛星追蹤程式,例如:

 

1.     NOVA for Windows                           

全世界業餘衛星愛好者最常用的程式之一,

可以控制天線轉向,以及收發機頻率補償,

功能非常完整。本程式可以同時追蹤數十個

或甚數百個衛星,數量沒有限制,但通常使

用者會把衛星分類分頁來顯示較方便。而其

追蹤顯示方式有地面投影軌跡太空軌跡

種(如右圖),衛星與地面電台的相對關係

一目了然。本軟體(試用版)可下載自:

          http://www.nlsa.com/

2.     STS Plus

這是DOS版的程式,但是在任一版本Windows的DOS模式下都可以執行,美國NASA及我國NSPO地面追蹤站都有使用這套軟體。最重要的,這是個免費軟體,可以在下列網址找到:

          http://www.dransom.com.stsplus.html

3.     Instant Track

這也是DOS版的程式,因為功能很強,可以同時控制天線轉向及收發機頻率,目前仍然有許多使用者。本程式最為人稱道的特點是執行速度非常快,即使是老舊的電腦也照樣能執行,號稱Instant Track果然名符其實,可惜它不是免費的,也沒有試用版,請至下列網址訂購:

          http://www.amsat.org/amsat/catalog/software.html

衛星通信設備

        對業餘衛星通信感興趣的人,入門時第一個問題總是:衛星通信設備不是很複雜嗎?事實是不一定很複雜,全看你挑哪一顆衛星而定,而最重要的關鍵是天線,以下是幾個衛星專用天線的實例:

1.      手持式UV雙頻八木天線

這支天線可以在兩分鐘之內組裝完成,

重量輕可攜性高,適合野外作衛星通信

實驗。

 

 

 

 

 

2.      UV cross-YAGI十字型八木天線

這種天線的單元數較多體積較大,適合架設

在基地台使用,配合方向角與仰角控制器由

電腦自動追蹤衛星的移動,由於具有較高增

益,幾乎所有業餘衛星都能通聯得到。

 

 

 

3.      盤式天線(BAR-B-Q架型、鋁圓盤)

             

當衛星操作頻率使用到L頻帶(1.290 GHz -- 2.401GHz)以上時,最好是使用盤式天線了,由於頻率越高時電波在空中傳播的損失越大,盤式天線具有較高增益,且增益與盤的直徑成正比,不過實用上還是不宜太大太重,通常使用鋁網或鐵絲網的構造,直徑在1.5公尺以下為多。

4.      我的AO-40用電台設備 (方塊圖)

衛星頻率

  IARU (國際業餘無線電聯盟) 對於使用在業餘衛星通訊的頻率有一定的規範,而且世界各區的適用頻率範圍不盡相同,我國位於第三區,其規範是:10m波段為29.30-29.51 MHz,2m波段為145.80-146.00 MHz,70cm波段為435.0-438.0 MHz,一般通信不應使用到這些頻帶。

  至於目前仍運轉中的業餘衛星使用頻率及調制模式之詳細資料,分成「類比衛星」和「數位衛星」兩類,另列於兩張表如附件。

衛星通信的樂趣

  業餘衛星通訊雖然只是業餘無線電通訊的一種延伸,然而因牽涉到衛星追蹤及都卜勒頻移等相關知識及設備,可以看做是另類通訊模式的嘗試和個人業餘通訊能力的提升,另外如即時衛星雲圖的接收,就好像把人的眼睛延伸到幾百公里甚至幾萬公里的高度來看我們生活中的地球,也許能對我們切身相關的氣象有更多的體驗和了解。

  與世界各地的友台交換通信確認卡 (QSL卡),一直是火腿族最期待的事情,尤其是各式各樣經由衛星通訊而得到的QSL卡更彌足珍貴,因為這當中有很多你個人的故事和歷史,很多你個人的第一次和第一個,也有些衛星留給人許多懷念 (業餘衛星通常壽命很短),都收藏在一張小小的卡片中,以下是我個人的幾張衛星QSL卡:

 

 

第一次透過AO-10和外國電台通話就「三通」:與OH5LK、VR2XMT同時通連

 

 

 

「已故」的MIR和平號太空站及「宣告死亡」廿三年後又復活的AO-7

 

 

 

同一組太空人卻飛了兩次太空梭任務 (包含SAREX—太空梭業餘通訊實驗任務)

 

                     目前運轉中的業餘衛星工作頻率與操作模式一覽表               2003-08-06

類比衛星                                                          by BV1AF

衛星名

升空日期

信標頻率

工作模式

最長運用時間

AO-07

美國

1974-11-15

29.502 CW

145.975 CW

435.10 CW

U:145.850-145.950 LSB

D:29.400-29.500 USB

U:432.125-432.175 LSB

D:145.975-145.925 USB

CW

SSB

21.5 min

AO-10

德、美

1983-06-16

145.810

RF only

U:435.030-435.180 LSB

D:145.975-145.825 USB

CW,SSB

10 hr 54 min

UO-14

英國

1990-01-22

 

U:145.975 FM

D:435.070 FM

NFM Repeater

14.5 min

FO-20

日本

1990-02-07

435.795 CW

U:145.900-146.000 LSB

D:435.900-435.800 USB

 

20.5 min

RS-13

俄羅斯

1991-02-05

29.458 CW

U:21.260-21.300 USB

U:145.96-146.00 USB

D:29.460-29.500 USB

CW,SSB

17 min

(Aug.2002以後失去連繫)

AO-27

美國

1993-09-26

 

U:145.850 FM

D:436.795 FM

NFM

Repeater

14.5 min

RS-15

俄羅斯

1994-12-26

29.3525 CW

U:145.858-145.898 USB

D:29.354-29.394 USB

CW,SSB

30 min

FO-29

日本

1996-08-17

435.795 CW

U:145.900-146.000 LSB

D:435.900-435.800 USB

For digitalker:

D:435.910 FM

CW,SSB

 

 

NFM

18.5 min

ARISS

國際合作

2000-09-01

145.800

1200 fsk

U:144.490 FM

D:145.800 FM

NFM

9.8 min

SO-41

沙烏地

阿拉伯

2000-09-26

 

U:145.850 FM

D:436.775 FM

NFM

Repeater

Only in S.A. & USA

AO-40

國際

業餘團體

2000-11-16

2401.323 usb

400 bpsk

U:435.550-435.800 LSB

U:1269.25-1260.50 LSB

D:2401.225-2401.475usb

CW,SSB

SSTV

BPSK-31

19 hr

RS-20

(mozhayets)

俄羅斯

2002-11-28

145.828 CW

435.319 CW

 

CW

14 min

SO-50

沙烏地

阿拉伯

2002-12-20

 

U:145.850 FM(67.0Hz tone)

D:436.800 FM

NFM

Repeater

13.5 min

CUTE-I

日本

2003-06-30

436.8375 CW

D:436.8375 CW

Beacon

14 min

XI-IV

日本

2003-06-30

436.8475 CW

D:436.8475 CW

Beacon

14 min

PS.

1.     For AO-07 Mode A: D=U-116.450 MHz

            Mode B: D=578.100-U MHz

2.     AO-07 Mode B上連頻率 432.125-432.175,IARU第三區中不適用

3.     AO-40下連頻率2401.225-2401.475,IARU第三區中沒有界定

 

            目前運轉中的業餘衛星工作頻率與操作模式一覽表   2003-08-06

數位衛星                                                                  by BV1AF

衛星名

國家

升空日期

信標頻率

工作模式

衛星呼號

UO-11

美、英

1984-03-01

145.825 FM

 

D:145.825 FM

1200 bps

AFSK(rev)

UOSAT2

AO-16

美國

1990-01-22

437.025 USB

 

U:145.900,920,940,960 FM

D:437.051 USB

1200 bps

MFSK/PSK

PACSAT-11

PACSAT-12

LO-19*

阿根廷

1990-01-22

437.125 CW

U:145.840,860,880,900 FM

D:437.125 USB

1200 bps

MFSK/PSK

LUSAT-11

LUSAT-12

UO-22)

英國

1991-07-17

435.120 FM

U:145.975 FM

D:435.120 FM

9600 bps

FSK/FSK

UOSAT5-11

UOSAT5-12

KO-25**

韓國

1993-09-26

436.500 FM

U:145.980,870 FM

D:436.500 FM

9600 bps

FSK/FSK

HL02-11

HL02-12

IO-26

義大利

1993-09-26

435.822 USB

U:145.875,90,925,95 FM

D:435.822 USB

1200 bps

MFSK/PSK

ITMSAT-11

ITMSAT-12

FO-29**

日本

1996-08-17

435.795 USB

U:145.850,870,890,910 FM

D:435.910 USB

1200 bps

MFSK/PSK

8J1JCS

GO-32*

以色列

1998-07-10

435.225 FM

30

U:145.850,890,930 FM

D:435.225 FM

9600 bps

FSK

4XTECH-11

4XTECH-12

SO-33**

美國

1998-10-24

437.910 FM

 

D:437.910 FM

9600 bps

FSK

SedSat-1

OO-38**

美國

2000-01-26

437.100 FM

U:437.100 FM

D:437.100 FM

9600 bps

FSK/FSK

KF6RFX

ARISS

國際合作

2000-09-01

145.800 FM

 

U:145.990 FM

D:145.800 FM

NFM

1200 FSK

RS0ISS

MO-46

馬來西亞

2000-09-26

437.325 FM

U:145.850,925 FM

D:437.325 FM

38.4k bps

FSK/FSK

MYSAT3-11

MYSAT3-12

NO-44

美國

2001-09-29

145.827 FM

144.390 FM

U:145.827 FM

D:145.827 FM

1200 bps

AFSK

PCSAT-1

NO-45**

美國

2001-09-29

437.100 FM

 

U:145.945 FM

D:437.100 FM

1200 bps

AFSK

Sapphire

AO-49*

(SAFIR-m)

德國

2002-12-20

145.825 FM

9600 bps

U:435.275 FM 1200 bps

D:145.825 FM 9600 bps

FSK

DP0AIS

CUTE-I

日本

2003-06-30

437.470 FM

D:437.470 FM

1200 bps

FSK

JQ1YCY

XI-IV

日本

2003-06-30

437.490 FM

D:437.490 FM

1200 bps

FSK

JQ1YCW

QUAKESAT

美國

2003-06-30

436.675 FM

D:436.675 FM

9600b bps

FM

KD7OVB

註解:

l      *表示該衛星或該模式目前處於半工作狀態

l     **表示該衛星或該模式目前處於停工狀態