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利用 RS 系列做業餘人造衛星通訊

No.13   1994 Jan.   p40~46,   by 林茂榮 / BV5OC 彰化郵箱 575 號xxx/BVxxx



    自從「監聽人造衛星遙測入門」 (本刊第九期, P.4) 發表後,很多朋友反映,這麼 好的資料,為什麼不早些刊出,與大家一起分享,令我極為訝異,想不到有那麼多業 餘同好,對業餘人造衛星通訊有興趣。他們提出問題當中,最多的焦點是,如何著手 開始進行。

    要與業餘人造衛星通訊,並非得有你想像中的精密收發機,及大型複雜的天線不可, 實際上,只要你有過高頻的業餘通訊經驗,對於利用 RS 系列業餘人造衛星做通訊, 並不會太難,實在比你想像還簡單得多。

    RS-10 是蘇聯業餘人造衛星系列中,較早期而且很成功的一個,它與其如孿生雙胞的 是 RS-11,都是附屬在蘇聯導航衛星 COSMOS 1861 上的一組詢答機而已。

    RS-10/11 雖看來像是兩個業餘人造衛星,有獨立的電子線路與天線的詢答機組,但 兩者卻無法同時工作,一般情況都是 RS-10 活躍著。

    所以當此孿生業餘人造衛星出現時,通常你應該準備與 RS-10 做通訊,而不要去管 另一組胞生的 RS-11,它只會偶而使用。

    此業餘人造衛星屬低軌繞極衛星,其繞行的軌道高度大約是 1000 公里,而這高度的 業餘人造衛星所含的腳印,對地面上的電台而言,通過的時間平均約有 15 分鐘。


太空中繼站 (REPEATERS)

    要提供業餘無線電朋友做話務及 CW 通訊,採用線性詢答機 (Transponder) 即可。 此處說詢答機會覺得陌生些,若把它看成有轉接功能的 V/UHF 機器一樣,就會覺得 親切容易了解些。只是這種像是中繼站功能的轉接,只有一個頻道,而線性詢答機則 可提供一固定頻寬的訊號轉換。

    對 RS 系列業餘人造衛星而言,其詢答機的頻寬是 40KHz,也就是接收到了 145.860 - 145.900MHz 訊號,可以轉換成 29.360 - 29.400MHz 訊號發射下來。

    為了能有效率的操作,業餘人造衛星上,接收機的靈敏度通常很高,所以為了避免降 低接收機的靈敏度,詢答機的發射頻率都選擇與接收不同波段者。所以可以把業餘人 造衛星的詢答機,當成是在太空中的交叉波段 (CROSS BAND) 中繼站,這樣更容易讓 人明白。


通訊模式

    雖然 RS 系列業餘人造衛星提供有各種不同的通訊模式,不過,詢答機通常是處在模 式 A。

    在此特別要強調,業餘人造衛星通訊模式,是指詢答機上聯波段與下聯波段的組合, 而不是一般高頻通訊內所指的不同調制方式。
上聯頻率
(MHz)
下聯頻率
(MHz)
說明

145.860
|

145.880
|

146.000
29.357
29.360
|

29.380
|

29.400
29.403
標誌訊號。
詢答機帶通頻率底端。
習慣上此段以應用 CW
通訊為主。
詢答機中央頻率。
此段以單邊帶 USB
話務為主。

標誌訊號
表 1:RS-10 業餘人造衛星詢答機模式 A 的頻率

    模式 A 是指 2 公尺波段上聯,10 公尺下聯,其中 RS-10 詢答機模式 A 使用的頻 率,請參看表 1。

    例如 145.860MHz 的上聯訊號,如果暫時不去考慮都卜勒效應的影響,那麼在模式 A 下,詢答機將產生 29.360MHz 的下聯訊號。

    40KHz 頻寬的詢答機,若是使用合適的訊號,已經可以容納不少的通訊,以頻寬佔 3KHz 的單邊帶話務而言,這詢答機就同時可以容納 13 個電台通話,也就是可以使 26 個電台彼此對話。

    為了能讓詢答機的有限頻寬可以發揮功能,應盡可能採用單邊帶或 CW 通訊。以頻寬 500Hz 的 CW 而言,40KHz 頻寬的詢答機,一下子可以同時提供 8O 個電台做通訊 (160 台對通);若是採用 20KHz 窄頻 FM 的話,那詢答機就只能同時為兩個電台服 務。

    通訊時要注意一般的原則,通常頻率低端是專供窄頻的 CW 使用,而頻率高端則以話 務為主,這與高頻通訊的習慣相同。例如 15、20 公尺等波段的低端頻率,可以發現 都是 CW 的天下。

    實際上,這樣的習慣,除了方便找尋通訊對象外,也有助於提高波段的使用效率,並 可降低彼此干擾的機會。

    透過詢答機的操作,通訊是以雙工進行的,在一波段發射,另一波段接收,所以發射 與接收可以同時進行。

    如果把業餘人造衛星的詢答機當成中繼站,那麼你可以聽到自己的聲音,例如在模式 A 下,你在 2 公尺波段的 145.880MHz 發射訊號,則透過詢答機中繼,你可以在 10 公尺波段的 29.380MHz 聽到自己的聲音。

    對於一位剛入門的業餘人造衛星通訊者而言,透過詢答機聽到自己的聲音,往往可以 讓他們激動好一陣子。

    使用雙工通訊的好處是,一有什麼問題,可以馬上發覺。例如可以監聽自己的聲音, 是否有交流電源哼聲,是否有嚴重的失真等。

    既然是雙工通訊,所以接收機應該備有耳機,這可以避免接收機的聲音進入發射機的 麥克風,產生回授。


RS 系列業餘人造衛星通訊的基地台設備

    只要備有高頻通訊機,或有接收單邊帶與 CW 訊號的全波段短波接收機,都可以接收 到 RS 系列業餘人造衛星的訊號。

    時值 90 年代中期,短波傳導狀況,已經進入谷底,通常這在國外,可以買到廉價的 10 公尺波段通訊機 (因為在此期間,10 公尺波段沒有長距離的通訊能力)。

    至於天線那更簡單,備有垂直或雙偶極天線就可以,因為下聯的 10 公尺波段訊號很 強,所以不必使用定向天線。

    如果能備有 10 公尺波段的前置放大器,倒是可幫上一些忙,因為某些收發機或接收 機,可能靈敏度稍嫌不夠,業餘人造衛星有時會因極化性的衰落現象,而有很微弱的 訊號,前置放大器可以補其不足。

    針對 10 公尺波段而言,同軸電纜的訊號損失很小,所以前置放大器可以放在操作檯 旁,而不一定要裝設在天線下端。若是你對電子有興趣,自製一只 10 公尺波段用的 前置放大器,也不失為消磨假日,享受自製樂趣的好機會。


追蹤業餘人造衛星

    要利用業餘人造衛星做通訊,首先當然得知道該業餘人造衛星何時會出現,也就是要 做業餘人造衛星的追蹤。

    有些人一談到業餘人造衛星追蹤,可能會因而卻步,其實現在可應用的工具發達,追 蹤業餘人造衛星,變得很簡單也很有趣。雖然大多數人已經採用個人電腦來做業餘人 造衛星追蹤,但是老式的圖表計算也仍然管用。

    RS 系列業餘人造衛星的軌道幾乎是圓型,且繞極運行,軌道週期是 105 分鐘。因為 地球自轉的關係,若從地面上看 RS 系列業餘人造衛星的運行,會是往西偏移的。地 面上看 RS-10 每次經過的時間約有 15 分鐘,落入之後,再等 105 分鐘,可以第 二次出現,但接下去的出現,就要再等上 12 個小時。

    表 2 是 RS 系列業餘人造衛星出現的例子。


                             SATELLITE SCHEDULE
                    SATELLITE: RS-10/11  STATION: BV5OC
  日期                             時間(UTC)
         1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12-13-14-15-16-17-18-19-20-21-22-23-24
09/23/93 *---*---*-----------------*---*---*---------------------------
09/24/93 --*---*----------------------*----**--------------------------
09/25/93 *---*---*-----------------*---*---*---------------------------
09/26/93 -*---*--------------------*-----*----*------------------------
09/27/93 --*---*----------------------*----*---------------------------
表 2:是 RS 系列業餘人造衛星出現的例子。

    利用個人電腦做業餘人造衛星的追蹤,必須提供精確的參數,才能準確抓準軌道,這 參數稱為刻卜勒參數 "KEPLERIAN ELEMENTS",是以 1600 年代初期的天文學家 "JOHANNES KEPLER" 命名,以紀念此位偉大的科學家,最早以數學方式來描述人造衛 星軌道。

Subject:               MIR Keps day=55
Satellite:             MIR
Catalog number:        16609
Epoch time:            92055.14978661
Element set:           093
Inclination:           51.5979  deg
RA of node:            100.1814  deg
Eccentricity:          0.0013095
Arg of perigee:        177.6724  deg
Mean anomaly:          182.3852  deg
Mean motion:           15.63202084 rev/day
Decay rate:            0.00063059 rev/day^2
Epoch rev:             34448
Checksum:              306
 Subject: MIR Elmts day-55
 MIR
 1 16609U 86 17 A 92 55.14978661 .00063059
00000-0 67357-3 0  936
 2 16609  51.5976 100.1814 0013095 177.6724
182.3852 15.63202084344480
表 3:兩種不同刻卜勒參數格式。

    現在業餘人造衛星的刻卜勒參數是由加拿大與美國合作,在 NORAD 以地面雷達測出 的。此參數代表了某瞬間下,該衛星的位置與速度。只有正確的刻卜勒軌道參數,才 能使個人電腦的追蹤程式,有效追蹤人造衛星軌道。除非地面主控台去修正調整該人 造衛星的軌道,通常這刻卜勒參數的有效期間,約可達 2 個月之久。

    最新的刻卜勒參數,通常會定期由 NASA 發出,經由遍及世界各地的有線或無線佈告 欄系統,很快地傳開。在國內你也可以很方便從佈告欄內取得這些參數,它們通常是 帶著 KEPS 或 SAT 的副標題。因此可以下:L>KEPS 指令,來得到有關業餘人造衛星 追蹤的刻卜勒參數目錄。

    此種由 NASA 準備的刻卜勒參數有兩種格式,參看表 3 是典型的例子。


都卜勒效應

    教科書上對都卜勒效應的傳統說明是,舉例汽車或火車,急駛通過一站立不動者時, 該站立者可以聽到喇叭聲的音調變化,從遠處過來時先是慢慢昇高音調 (頻率),離 去時音調則下降。最明顯的是搭乘火車, 當兩列火車會車交差而過時,氣笛聲的變化 最為明顯。

    空氣裡聲波的傳遞速度在室溫下是每秒 346 公尺,對交錯擦身而過的火車,相對速 度可達每秒 40-50 公尺,所以都卜勒效應很明顯。但是對於傳播速度達每秒 3 千萬 公尺的無線電波,會有明顯的都卜勒效應嗎?答案是肯定的,因為人造衛星的速度也 不慢,每秒可達幾千公尺。

    以 RS 系列業餘人造衛星為例,最大的都卜勒效應所產生的頻率偏移達 7KHz,這是 有 3KHz 頻寬的單邊帶話務約兩倍有餘,影響不可說不大。所以要有可靠的 RS-10 業餘人造衛星通訊,就必須補償因都卜勒效應所產生的頻率偏移。

下聯頻率(MHZ) 上聯頻率(MHz)
AOS
剛昇起或近落入時
上聯頻率(MHz)
TCA
(中間位置)
29.362 145.9632 145.8668
29.364 145.8665 145.8688
29.366 145.8675 145.8708
29.368 145.8695 145.8728
29.370 145.8715 145.8748
29.372 145.8735 145.8768
29.374 145.8755 145.8788
29.376 145.8775 145.8808
29.378 145.8795 145.8828
29.380 145.8815 145.8848
上列以 CW 通訊為主
29.382 145.8835 145.8868
29.384 145.8855 145.8888
29.386 145.8875 145.8908
29.388 145.8895 145.8928
29.390 145.8915 145.8948
29.392 145.8935 145.8968
29.394 145.8955 145.8988
29.396 145.8975 145.9008
29.398 145.8995 145.9028
表 4:RS-10 業餘人造衛星粗略的上/下聯頻率對照表

    但是當我想正確地掌握都卜勒效應的頻率偏移時,以立即人工計算的方式絕不可能, 若個人電腦追蹤程式的顯示值變動又很快,所以對操作而言,以精確的修正方式似乎 沒有很大的意義。

    所以把精義濃縮,產生了表 4,這是一個約略的對照表,每一下聯頻率對照兩組上聯 頻率,一行 (AOS) 是供業餘人造衛星剛昇起或將落入時採用,另一行 (TCA) 專供人 造衛星出現在半途時使用。


操作程序

    操作 RS 系列業餘人造衛星時,同樣要記得業餘無線電操作的原則,那就是「發射之 前必須先傾聽」。先監聽 29.357MHz 的 CW 標誌訊號 (另一頻率是 29.403MHz,但 不常用),是否可以聽到訊號。

    如果使用電腦追蹤程式,也可以利用這標誌訊號來驗證追蹤軌道是否正確。一旦聽到 了標誌訊號,你若對遙測訊號有興趣,可以繼續抄收遙測資料,要不然也可以把下聯 頻率改到 29.360-29.400MHz 之間,找到有電台進行通話的頻率,聽看看通訊是如何 進行的,多聽幾次以後,俟心得累積到足以上線時,你就可以試著做 RS 系列業餘人 造衛星通訊了。


如何準備開始呼叫

    一切準備就緒,先慎選一 RS-10 通過時,昂角高過 30 度者,在標誌頻率上細心傾 聽,一旦收聽到了微弱的 CW 標誌訊號,待幾分鐘之後,RS-10 可能已上升到 10 度 以上的昂角,選擇一下聯頻率,並且先在上下幾 KHz 內掃描監聽,以避免干擾到他 人通訊。

    因為業餘人造衛星剛昇起,所選用的頻率要對照表 4 內 AOS 列上所示,例如你選定 的下聯頻率是 29.390MHz,那麼對照表 4 時,參考 AOS 行的對應頻率應該是 145.8915MHz。

    為了確定這上下聯的頻率沒問題,你可以在監聽下聯頻率的同時,自己在上聯頻率發 出訊號,使用 CW 時,可以打幾個短點;話務時,呼出自己的呼號。

    表 4 並不是精確的對照表,不過此表的誤差總在 2KHz 之內,在不改變監聽的下聯 頻率下,稍微調整發射頻率 (參考表 4,頻率應該是在±2KHz 之內),可以發現到 使自己的聲音聽來音調正確的頻率。

    進行上述測試時,千萬要記得,別把發射頻率像是牛尾巴一樣,在 RS-10 帶通頻率內 (145.86 - 145.90MHz) 調整揮灑,應該在選定的頻率附近耐心的調整。

    在做這測試時,不要把 CW 鍵按住不放,或是對著發射機的麥克風猛吹口哨,這樣對 RS 系列業餘人造衛星上有限的電力而言,極為浪費,而且對可能在頻率上守聽者的 耳朵,也是一種虐待 (別忘了他們都是穿戴耳機的)。


不要調動下聯監聽頻率

    進行業餘人造衛星通訊時,記得不要去調動你的下聯收聽頻率;要補償因都卜勒效應 產生的頻率偏移,可以調整發射頻率來修正。例如當你在 10 公尺波段的下聯頻率聽 到自己訊號有了很大的偏移,你可以在發射的情況下,細心調整 2 公尺上聯頻率。

    如果使用話務通訊,則應一手輕觸發射機的頻率調扭,左右稍動一下,就可以從下聯 頻率的聲音裡聽出來,頻率是要往上成往下調,但是千萬不要去調整下聯接收頻率。

    萬不得以的情況下,非調整接收頻率不可時,那就是當通話的對方,沒有遵守上述不 要調動下聯頻率的原則時,除了以下聯頻率去彌補都卜勒效應,使你的接收訊號跟得 上都卜勒效應頻移外,就只能眼睜睜地讓對方的訊號,因頻率偏移,使聲音慢慢變調 ,甚至消失。

    實際上用上聯頻率來補償都卜勒效應的頻率偏移是有原因的,因為這樣子的安排,才 有可能避免闖入別人的通訊頻率裡,這與高頻通訊恰巧相反。因為這裡固定下聯頻率 就好像是高頻通訊時,固定自己的發射頻率一樣,而為了保持固定的發射頻率,所以 高頻收發機設有特別的旋鈕,稱為 RIT,來改變發射機的接收頻率,但不會影響發射 頻率。

    其實若是專供業餘人造衛星通訊的發射機,理應也要設計有類似 "RlT" 的 "TIT" 鈕 才對。而其中道理是一樣的,只不過,業餘人造衛星通訊是透過詢答機來完成的,這 就好像是照一面鏡子,影像成左右顛倒一樣,而此處則是表現在發射與接收的頻率固 定上。

    總之,進行業餘人造衛星通訊時要記得:下聯監聽頻率不要調動。

    你很快就可以了解到,為了補償都卜勒效應,當 RS-10 慢慢昇起時,你要逐漸地把 上聯頻率稍微增加。頻率的增加速度是漸進的,剛昇起時或快落入時最慢,在繞經的 中點處頻率偏移最快。

    你可以選擇幾次不同的繞經軌道,來練習因都卜勒效應所產生的頻率補償,待累積足 夠經驗,練得一副巧手之後,便可以準備上線,做 RS-10 業餘人造衛星通訊。


第一次 RS-10 業餘人造衛星 QSO

    首先得主動呼叫,讓有經驗的朋友來回答;可以呼叫如下:CQ RS TEN,CQ RS TEN, THIS IS BV5OC, CALLING RS TEN AND STANDING BY。然後稍停一陣子,如果沒有任 何回音,可以繼續上述的呼叫,兩次呼叫的間隔,約十或十幾秒左右。假如聽到回答 ,並建立起通訊之後,要注意每次發射的時間不能太長,否則會使對方因上聯頻率走 偏了太多,而不方便按著下來的通話。

    例如你一口氣講了 5 分鐘,而你因可以監聽自己的訊號,所以隨著都卜勒效應而改 變發射頻率,但是對方只能傾聽你的訊號,他不能同你一樣,隨著時間去調整發射頻 率。一旦時間拖的太長,發射頻率變動太大,對方很不方便接手的。

    有些業餘朋友想盡量與更多電台做通訊,所以他可能以跟你交換彼此的訊號報告後, 便想結束。而有些則不然,想把握住機會,好好聊一聊。我就會與一電台在繞經的 13 分鐘內,彼此談了自己第一次上業餘人造衛星通訊的經驗,以及當前業餘人造衛 星的軌道追蹤問題等,結果相談甚歡,留有極深刻的印象。

    如果在 RS-10 繞經的半途中想接觸另一次通訊,可以根據表 4 的 TCA 行內,選定 上聯頻率,此時的都卜勒效應影響最小,頻率幾乎沒有偏移,但是此時的頻率變化量 卻最大,例如選定了 29.390MHz 為下聯頻率,那麼根據表 4,所對應的上聯頻率應 該是 145.8948MHz。


業餘人造衛星通訊也會有訊號衰落現象

    你可能會在 RS 系列業餘人造衛星通訊當中,碰到訊號衰落現象,這是因為訊號的極 性變化所引起的,也就是交叉極化的緣故。

    RS 系列業餘人造衛星所使用的天線是線性極化,而一般做 RS 系列業餘人造衛星模 式 A 通訊的地面電台,也都採用相同極性化天線。

    但是由於 RS 系列業餘人造衛星是繞著軌道移動的,因此在某種角度的情況下,相對 的對某些地面電台的天線,會看到 RS 系列業餘人造衛星發射過來的訊號是水平極化 的,而地面電台的垂直天線碰到偶有的水平極化訊號,就稱為極化交叉,這現象可以 使訊號一下子衰落大約 20dB,因此會覺得有很強的訊號衰落。

    這種現象可以利用圓型極化的天線來解決,但是對於 10 公尺波段的下聯頻率而言, 要架設圓型極化天線,會耗費很大的空閒,而且這因極化交差所產生的訊號衰落並不 常發生,就算有,也會很快消失。所以,除非專業的基地遙控台,為了收集最完整的 遙測資料,否則是不必投下巨大的精神在天線上的。


回答他人的呼叫

    有了幾次的模式 A 通訊經驗之後,心領神會,你現在更自信的有把握做模式 A 通訊 ,可以主動去回答他人的呼叫了。

    在 RS-10 的下聯頻率內, 29.360-29.400MHz,找找看是否有呼叫的訊號,鎖定想要 回答的呼叫之後,記得下聯頻率不要再去動它了,馬上從表 4 中找到相對的上聯頻 率,掌握住呼叫的空檔,馬上回答,不過要在回答呼叫的同時,一面調整發射頻率, 讓你從下聯頻率監聽到正常的聲音。

    你的回答可以是這樣: "JAlXXX THIS IS BRAVO VICTOR FIVE OSCAR CHARLIE, GO AHEAD"。

    一旦建立起彼此的通訊,一切如正常程序,不過在高頻通訊中有些人或許不會在每次 麥克風交給對方時,都會以 "OVER" 或 "GO AHEAD",結束 (CW 是發出 KN)。RS-10 通訊的時間是很寶貴的,每次繞經時只有短短的十來分鐘,因此每次一定要以 "OVER" 或 "GO" 結束,好讓對方迅速接話。


未來的模式 A 通訊

    最近將會有更多的業餘人造衛星可以提供模式 A 通訊,蘇聯打算在 '93 年底發射 RS-15 業餘人造衛星,此顆新衛星所載的詢答機,與以往的 RS 系列類似,但是軌道 的高度將達 2300 公里,這高度超過 RS-10 兩倍以上。也就是說 RS-15 詢答機所涵 蓋的足印,比 RS-10 大了許多。

Fig 1
Fig 2

    參看圖 1 及圖 2,以所涵蓋的美國為例,可以看出來 RS-10 及 RS-15 的足印差別 。

    另外有一顆將在幾年後發射的美製業餘人造衛星 SEDSAT- 1,此顆業餘人造衛星也提 供了 64KHz 頻寬的模式 A 詢答機。


只是跨出的一小步

    希望 RS-10 業餘人造衛星通訊對你而言,只是跨出的一小步,如果你做的只是單邊 帶的話務,則可以嘗試使用 CW。 RS-10 發送出的標誌訊號內,還含著有趣的遙測資 料,你可以試著去抄收並了解這些遙測資料。或許你也會聽過 RS-10 上有 CW 機器 人,它可以聽懂你速度均勻精確的 CW 回答,並且發給你一個通訊編號。


結論

    業餘人造衛星通訊實在沒有想像中那麼複雜,但是所牽涉的範圍較廣,同時也因為軌 道的關係,往往不是在白天的工作時間內出現,就是在深夜時經過,無法有效而方便 的應用,這使許多人因而止步。但是也有不少可以利用的時間,例如星期假日或偶有 下班時間到就寢止的這一段期間內,可能有機會做 RS 系列業餘人造衛星通訊。

    目前的高頻傳導狀況忽起忽落,遇上太陽黑子週期谷底,高頻通訊往往因傳導不佳而 受阻,此時移師業餘人造衛星通訊,也不失為良策。 END



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