您现在所在的位置:主页 > 科普之窗 > 技术常识 > 正文

中心科普 | 《全球业余卫星介绍》(四)中国业余卫星(上)

日期:2021-03-25 09:36:16 来源:黑龙江省无线电管理网

在介绍我国第一颗业余卫星的基础上,本篇重点分析我国开展的业余卫星活动并对业余卫星管理方式进行梳理,最后对业余卫星的发展进行探讨。

1.我国第一颗业余卫星

研制我国自己的业余卫星最初想法始于1998年,但进展缓慢。直到2005年,在航天科技集团第五研究院(中国空间技术研究院)退休专家提议下,将研制业余卫星与研究院倡导的公益小卫星计划相结合,才重启了我国的业余卫星计划,定名为CAS-1,2006年完成了卫星的设计、研制。

2007年,业余卫星计划与公益小卫星计划结合的想法获得了航天科技集团、中国科协、中国宇航学会和北京奥组委认可,各方正式启动了希望一号卫星项目,这是我国第一颗业余无线电卫星,也是我国第一颗科普卫星。希望一号卫星于2009年12月15日在太原卫星发射中心搭载“长征二号丙”运载火箭,“一箭双星”成功发射入轨。

2009年12月19日,AMSAT把“希望一号”编为业余无线电卫星第68号,HO-68。H为“希望”的英文“HOPE”的第一个字母,O是国际上对业余无线电卫星的统称“OSCAR” 的第一个字母,这是我国的卫星第一次获得国际业余无线电界的编号。

表1 我国的第一颗业余卫星的技术参数

卫星名称

希望一号(XW-1/CAS-1)

国际编号

HO-68

卫星形状

八面体柱形。质量约60千克,星体高480mm、包络直径680mm

业余卫星载荷

一台业余无线电遥测信标机和三台业余无线电通信转发器。

 

电源系统

卫星采用被动热控方式。砷化镓太阳能电池阵和锂离子蓄电池联合供电。

      其他载荷

卫星还携带有一台微型彩色宽视场CMOS摄像机和一个青少年科学实验装置。

 

工作频率

遥测信标机工作在UHF频段,发射频率为435.790MHz,射频输出功率约200mW。

 

工作模式

三台转发器分别工作在调频中继模式、线性转发模式和数据存储转发模式。

轨道参数

高度为1200km,倾角为105°,运行周期为109分钟的太阳同步轨道。

调制方式

无调制载波、等幅报和AFSK等方式;国际标准莫尔斯电码发送。

希望一号卫星的遥测信标信号每一次发送一个数据帧,发送时间约40秒,然后停止发送10秒钟,再发送下一个数据帧,周而复始。每个数据帧的遥测数据由星上微处理器实时更新,虽然希望一号卫星现在仅有一台信标发射机工作,但其优异的设计及稳定的性能使其成为业余卫星中的长寿星,至今仍然在轨运行。

可以说,我国的业余卫星计划开始较晚,但一开始就得到了国家的大力支持,这也成为我国业余卫星部署的特点:由国家相关部门牵头,各公益组织或科研机构和高等院校大力支持,后续的相关卫星将在下一篇文章中详细介绍。

2.我国开展的业余卫星活动
我国的业余卫星爱好者在与国外爱好者通联的同时,也开展了各种各样的具有中国特色的活动:一是开展中小学科普教育,二是鼓励青少年参与航天器研制,三是由国家相关部门建设科普实验基地。

(1)开展通联竞赛

国家体育总局联合教育部、中国科协、共青团中央等部委已连续多年持续开展了“全国青少年业余无线电卫星通信锦标赛”及相关的业余无线电活动。

青少年业余卫星通信相关的活动主要包括卫星通信天线制作和卫星信标抄收两个部分,天线制作竞赛由参赛选手在规定的时间内,按规定的方案独立完成VHF/UHF双波段手持式业余卫星通信八木天线的制作和调试,并当场提交书面制作报告。卫星信标抄收竞赛由参赛选手使用自制的天线,自备接收机和相关设备,在规定的时间和地点架设设备,本人手持天线跟踪指定的业余无线电卫星,完成信标信号的接收。业余卫星通信的相关的竞赛活动让我国的青少年感受到了航天探索的魅力,近年举办的卫星业余的相关赛事遍布华北、华东、华南等地区,详见下表。

表2 全国青少年业余无线电卫星通信锦标赛的举办地点

举办时间

举办地点

2010年

广东省珠海市

2011年

安徽合肥

中国人民解放军陆军军官学院

2012年

广东省广州市

2017年

北京市朝阳区

2018年

江苏镇江

2020年

河北保定

从历年的参赛情况来看,选手既有小学生也有高中生,孩子们通过赛前的训练和比赛过程,不仅学习了业余无线电、天文学、物理学和航天科技等方面的知识,同时又通过动手,学到了课本之外的知识。小朋友们在制作和通信中体会到了学习的乐趣,并且在活动的过程中培养了他们的探索精神,用竞技比赛与科技体验活动相结合的方式,彰显出了我国卫星业余无线电通信的独特魅力。

卫星业余无线电的信标首先被用于地面业余无线电爱好者跟踪卫星的运行。其次,卫星信标信号通常包含有反映卫星工作状态的遥测数据,业余无线电爱好者通过解码遥测数据可了解卫星的工作情况。2010年和2011年举办的前两届全国青少年业余无线电卫星通信锦标均使用了我国的第一颗业余卫星HO-68(XW-1)。

(2)青少年科普活动

2016年,11月10日早上7点42分,我国第一颗由中学生参与研制的科普卫星—“丰台少年一号”暨“少年梦想一号”卫星在酒泉卫星发射基地搭载长征11号运载火箭成功发射升空。我国成为继美国、俄罗斯、法国、日本、印度之后第6个发射由青少年参与研制卫星并顺利升空的国家。这是北京市丰台区大力推进中小学生科技教育,提升青少年科学素养整合各方资源成立钱学森青少年航天科学院以来取得的阶段性重大成果。

2011年,北京市丰台区在中国运载火箭技术研究院等院士和知名专家的帮助下成立了钱学森青少年航天科学院,启动了青少年“小卫星计划”项目。小卫星发射升空工作是钱学森青少年航天科学院的一项重点工作,首颗小卫星的样星于2012年由北京十二中钱学森航天实验班的同学研制成功。


“丰台少年一号”暨“少年梦想一号”长10厘米、宽10厘米、高20厘米,重1.87千克,主体是黑色。该卫星也是钱学森青少年航天科学院研制的第三颗青少年卫星,主要用于钱学森青少年航天科学院开展中学生天地通联实验。小卫星升空后,全世界的无线电爱好者都可以接收卫星信号并接收语音信息。


来自北京十二中、北京十八中、北京市航天中学3所学校6名学生在专家龚万骢(BAIDU)老师的指导下,参与这颗小卫星的课题研究。他们利用周末和节假日时间,系统地完成了卫星结构、星箭分离、卫星电源技术、星地无线电通讯、卫星发射场的雷电探究与防治、卫星轨道的分析和计算、太空环境对食用菌的影响等七个专题的学习,并参与卫星研制、星箭匹配、卫星测试,最终于11月10日成功发射升空。

“小卫星计划”项目旨在让青少年参与研发卫星发射升空,中学生参与卫星设计、研制过程,将极大地提升学生的科学素质,有效地培养学生的科技探究能力。随着研究的推进,中国运载火箭技术研究院已经同意将此小卫星计划打造成系列,“丰台少年2号”小卫星的功能将更加强大,在轨工作时间可以达到2年。

(3)建设科普基地

业余无线电的爱好者有自己的圈子,有自己开展活动的方式和方法,青年少朋友们也有相应的活动组织方式,但上述活动的开展没有固定的时间、场所,也没有相应的关联性。国家无线电监测中心作为无线电管理技术机构,指导下属单位北京东方波泰无线电频谱技术研究所专门建设了业余无线电科普研学基地。

有了国家无线电监测中心的技术支持,于2020年11月投入试运行的业余无线电科普研学基地,今后将在无线电通信技术、天文知识等多领域科学普及中发挥更大作用,通过科普带动大家的科研探索兴趣,努力让公众理解科学、热爱科学、探究科学,培养科研人才,助力科技强国建设。

3.我国业余卫星的管理
(1)我国的业余卫星组织
1969年,美国的业余无线电卫星组织(AMSAT-NA)在华盛顿特区成立。国际上很多国家都有自己的业余卫星组织,如英国的AMSAT-UK、德国的AMSAT-DL、巴西的BRAMSAT和阿根廷的AMSAT-LU。我国也成立了相应的业余卫星组织—CAMSAT,各国的业余卫星组织都独立运营,但也在很多大型项目上展开广泛的合作。如早期美国的爱好者和澳大利亚、日本及欧洲的爱好者共同推进了业余卫星通信活动成为一种无线电业务。
业余卫星的发射和运营由我国的航天主管部门(国家航天局)审批,无线电频率和轨道资源的审批由频率主管部门(工业和信息化部)审批。为扩展卫星业余无线电活动的影响力,在中国无线电协会的支持下成立了业余分会,业余卫星的通联和活动在中国无线电协会业余分会的指导下开展。
(2)我国的业余卫星管理
在《无线电规则》和《中华人民共和国无线电频率划分规定》中,对业余无线电相关活动有明确的定义:业余业务是指供无线电爱好者进行自我训练、相互通信和技术研究的无线电通信业务。业余无线电爱好者系指定正式批准的、对无线电技术有兴趣的人,其兴趣纯系个人爱好而不涉及谋求利润。卫星业余业务是指利用地球卫星上的空间电台开展与业余业务相同目的的无线电通信业务。
关于业余无线电台的管理,我国在2012年出台《业余无线电台管理办法》,该办法涉及业余无线电台的设置审批、业余无线电台的使用、业余无线电台呼号等内容,并附有申请表格和电台呼号说明。管理办法第二十八条的第(二)款明确规定禁止利用业余无线电台从事商业或者其他与营利有关的活动。
对于卫星业余业务的开展,必须要保证其公益的属性,让爱好者和青少年朋友们从中受益,让航天探索走近寻常百姓,让科技创新和技术实践成为我们走向星辰大海的力量源泉。
4.业余卫星的未来展望

自从1961年第一颗业余无线电卫星OSCAR-1升空以来,业余卫星就受到来自全球大量业余爱好者的关注。无线电爱好者利用业余卫星进行通联、试验,甚至在抢险救灾的重要关头发出珍贵的呼救信号。业余无线电卫星通信是当今简单、廉价而且能够清晰的体验卫星通信全过程的有效手段。

OSCAR-1的成功充分证明了:业余无线电爱好者有能力设计和制造能可靠工作的人造地球卫星,业余无线电爱好者有能力与航天发射部门进行技术协调,业余无线电爱好者有能力跟踪人造地球卫星,业余无线电爱好者有能力处理相关的科学和工程数据。

近年来随着卫星商业模式和微小卫星制造产业的成熟,微小卫星有了井喷式的发展,其广泛应用于新技术验证、科学实验、科普教育、对地遥感和通信等领域。但与此同时,部分卫星操作者违规使用业余卫星进行商业运作,在业内造成负面影响,甚至在国际上引发投诉事件。未来的业余卫星将有如下的发展趋势:

(1)卫星平台多样:业余卫星在向小型化发展的同时,也将出现更多的形态,既有单独的专用业余卫星平台,也有与通信卫星、导航卫星、对地观测卫星等卫星平台结合的方式。

(2)组网方式丰富:以往的业余卫星,多数情况下均为单颗卫星独立工作,未来将出现业余卫星的队列,甚至专业的业余卫星星座。

(3)新技术含量高:未来的微小卫星和业余卫星,将广泛应用于科学实验、新技术、平台设计验证等方面。其中的典型代表为:2019年7月我国最新发射“北理工1号”,即是一颗微小业余卫星,该星主要用于验证“帆球”航天器技术和新型空间电台技术。

(4)研制周期短:未来的业余卫星研制会大大压缩,平台化和专业化生产会让业余卫星项目立项、实施和运行的周期缩短。

(5)研制经费低:现在通常百万到千万人民币的数量级就可以研制一颗微小卫星,未来批量化、模块化生产让成本更低。

(6)发射成本低:利用小型火箭批量发射,或搭载大卫星作为次载荷发射,方式多样,火箭技术的进步让小卫星的发射成本降低。

(7)合作方式丰富:国内外各方的技术人员将加大合作力度的同时,国内的科研机构和商业航天公司也将会积极探索新的合作模式。

5.总结

从目前的情况来看,我国业余卫星的操作者主要是科研院所、教育机构(特别是高校)和新兴卫星运营商,主要用于科学实验、试验星验证、科普教育等用途,从频率上可以看出我国业余卫星主要使用的仍是UV频段。高频段的厘米波甚至毫米波具有丰富的无线电频率资源,将是未来开展业余卫星的有利条件。

相信我国的业余卫星活动会越来越丰富,随着我国空间站的部署和火星探测活动的推进,我们将从太空走向深空。

来源:国家无线电监测中


阅读:
版权所有:黑龙江省无线电管理局 邮件地址 : hljrmom@163.com 邮 编 : 150040
黑龙江省工信委无线电管理局 地址:黑龙江省哈尔滨市香坊区和平路68号 黑龙江省无线电监测站 地址:黑龙江省哈尔滨市南岗一曼街12号龙威大厦
干扰投诉电话:963927 黑ICP备11003188号