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細探運轉中的業餘微衛星
AO-16、DO-17、WO-18、LO-19

No.20   1994 Aug.   p54~58,   by 林茂榮 / BV5OC 彰化郵政 575 號信箱



前言

    當 AO-16 準備把一切的照顧任務,移交給指揮台時,首當其衝的是此衛星的照料情 況,這有點像是要把財產移交,或是要讓病人轉病房,必須要把健康狀況加以整理。 在這同時,還把注意力延伸到它枚微衛星上。在移交的繁雜手續中,包括了收集及分 析微衛星的遙測資料,以便了解該微衛星的健康狀況。

    努力蒐集遙測資料並加緊分析,幾個月下來,讓我們更加了解微衛星的運轉情況,然 而也有某些情況,令我們如陷深淵,深感不解,例如發生在 1992 年 7 月 27 日, 微衛星的電腦當機事件,但這件事也讓我們有機會再回過頭來,檢討微衛星的系統及 其性能評估,也使以前某些困擾不已的問題,得到答案。

    很顯然地,這使得我們比以前對微衛星了解的更多。

    下面我們打算討論此次健康檢查分析的方法、及分析結果、並且希望能因而對微衛星 使用者,有某些幫助。


背景說明

    這四枚微衛星;A0-16、DO-17、WO-18、及 LO-19,都是在 1990 年 1 月被送上軌道的。

    LO-19 在運轉了幾個月之後,便轉手給參與此枚微衛星計劃的阿根廷團隊接管。而大 約是相同的時間,WO-18 也轉手給偉柏洲立大學的航太科技中心 (CENTER FOR AEROSPACE TECHNOLOGY AT WEBER STATE UNIVERSlTY) 管理照料。而 AO-16 則由 Bruce Rahn 領導的地面指揮電台團隊控制,初期以發展軟體為重心,同時也兼重蒐 集該微衛星的遙測資料,以便能夠徹底掌握此微衛星的運轉狀況。

    而能對 AO-16 的運轉掌握了情況,也是在這段期間努力地蒐集與分析遙測資料的成 績。因為後來當微衛星的電腦程式一直有某些毛病時,標幟發射機一直被佔用,因為 要更新及檢修程式,所以微衛星發射下來的遙測資料有限。而這段期間所獲得的遙測 資料,因為不夠緊密,所以無法分析出有用的訊息。加上有些急著想知道的情況,像 是季節的溫度變化、太陽能電池的充電狀況。因此把其他的事暫擱一旁,直到 1992 年 7 月,這些事情才看出來有相當的進展。

    微衛星上的電腦程式,一直正常運作了 316 天,而可能在偵錯校正記憶體 (EDAC MEMORY) 上,出現了雙重爻 (DOUBLE BIT) 錯誤 (這種情況會像數學的負負得正,因 為同時出現兩處錯誤,而當成正確),使得電腦因而當機。當時只要再過幾天,新的 軟體就可以正常運轉了。

    新程式所增加的功能包括有目錄可直接廣播,這可以加快 BBS 的運轉速度。當時便 決定不再重新載入舊程式,而等幾天之後,便可以載入全新的程式了。

    這程式把原先的 ASCII 碼,更換成 16 進位碼,所以遙測資料的傳送更省時,也可 以看成以更快的速度傳送遙測資料,因而有多出來的時間,甚至可以傳送 WOD ( WHOLE ORBIT DATA),更希望能因而解開一些謎團,這些困擾的問題包括:

  • 從某些遙測資料通道接收到的遙測內容,沒有辦法解釋,因為結果與期望值相去太 遠,好像是攀不上關係。

    由於這些遙測通道並不牽涉重要的數據,因此對於這種奇怪現象放著不管。從各種跡 象看來,溫度應該是正常,但是遙測資料顯示的卻離譜得很。不過現在有人懷疑可能 是線路接錯,把一些遙測資料通道弄錯了,要不然就是遙測線路的標籤貼錯了。

  • 另外有些人常抱怨 AO-16 的 PSK 發射機的訊號很難解碼,但是在先前已經做過錯 誤率的測量,一切還算正常,所以這抱怨讓我們搞糊塗了。不過這問題在指揮台倒 也曾有人提出過,因此這問題值得再深入探討。
  • 我們迫切地想知道,因為太空環境的關係,使太陽能電池的輸出功率降低了多少, 但是要獲得這問題的答案,非要有 WOD 遙測資料不可。
  • 由於有同好報告,微衛星的發射機都有明顯的相位雜訊 (PHASE NOlSE) 以及訊號 振幅、相位不穩定的跳動現象 (JITTER),根據報告細究一番,發現的確比原先設 計有更大的相位雜訊與跳動現象。
  • 正想辦法,打算利用功能蠻強的軟體,是否可以改善發射機的功率,或使訊號更強 些。此構想正努力嘗試中。

    上述問題,希望能在更新軟體後幾天之內,可以找到答案。不過幾天之內又落空,實 際上花了更長的時間。但是探討這些問題的同時,不只找到了答案,還得到更多的訊 息。

    這一段期間的工程測試,主要是以 AO-16 為對象,但有些項目也涉及 WO-18 及 LO-19。從這段期間,得到了下面的重要結論。

  • 有必要經常詳細地確認,微衛星是否正確無誤地運轉著,也就是以這些更仔細的觀 察為基礎,才能掌握微衛星的長期走向,一般日常的粗略遙測資料,不足以勾劃出 微衛星的健康狀況。也唯有掌握著細微的走向,才能避免掉嚴重問題的發生。

    同時,確認的工作對微衛星的設計與製作者非常重要,因為只有他們得到了回饋之後 ,才能了解性能好到什麼程度,那裡需要改善,這些都是日後發展改善微衛星的重要 依據。

  • 在尚未採取任何動作以前,必須探討為什麼 AO-16 的 PSK 發射機訊號很難解碼。 要此枚微衛星能有用,先決條件是要訊號容易解碼,尤其是某些地面電台使用簡單 的天線,訊號強度雖只有些許的差別,但會造成可以接收及完全不能使用的差別。
  • 釐清遙測資料通道上溫度的問題,並沒有那麼迫切,因為從各種跡象看來,溫度是 沒有問題,一切都在設計規格內。至少像受溫度影響最大的蓄電池及其他系統,都 沒有反映出溫度異常,至於這問題日後會如何演變,那很難講。


研究方法

    選定幾個不同的地點搜集 AO-16 的遙測資料,有指揮台、一些熱心的 AMSAT 會員, 經過三週的努力,去蕪存菁之後,所得到的遙測資料,大約有 1M BYTE 左右。遙測 資料分析的第一步是蒐集遙測資料,然後把遙測資料分類,利用試算紙展開求得數據 ,並且以圖表展示出來。
FIG 1
FIG 2
FIG 3
FIG 4
FIG 5
FIG 6

    為了不影響指揮台的正常運作,我們以機動的方式,架設了接收站,打算做即時的分 析,包括頻譜分析、相位跳動、及微衛星發射機的眼圖 (EYE PATTERN) 等。

    這看來好像沒有什麼大不了,但是微衛星繞經的時間,一次頂多 15 分鐘,所以即時 的分析,必須要密切合作的團隊才行,例如有些人要控制微衛星發射機的輸出功率及 其他參數,另外也同時要注意遙測資料的變化,而有些人要安排讓微衛星發射適合測 試用的檔案,也必須有另一群人負責測量及記錄,這些動作要井然有序,合作無間, 才能在十幾分鐘內完成。

    與 LO-19 指揮台研究後,有一特殊的安排,讓 LO-19 發射機傳送一測試用檔案,好 讓地面電台能對發射機做頻譜分析。由於有充份溝通及緊密的合作,這件測量工作, 在沒有事先演練的情況下,第一次便順利完成。


研究結果

    AO-16 上的 PSK 發射機已經變質到載波抑制為 0dB,溫機時也只有 5~6dB,圖 1 是 AO-16 上 PSK 發射機未升空前的測試結果。

    以 TAPR 的 PSK 解碼機測試,當載波抑制為 6.7dB 時,輸出功率是 1 瓦或 1.3 瓦 時,能正確地解碼。但是當載波抑制降低為 5.3dB 時,輸出功率增為 3.2 瓦時,也 只能偶而接收。當載波抑制再降為 5.0dB 時,大部份的 PSK 解碼機,都無法正確解 碼。

    微衛星的載波抑制惡化,應是起因於零件隨著時間而偏移,由於線路的 Q 值高,所 以零件稍有偏移。便起了影響。另外就是 PSK 發射機的功率永遠小於 1 瓦,這會使 多餘的過多電流使充電池過量充電。

    不過,零件隨著時間繼續偏移,PSK 發射機的載波抑制也會不斷惡化。目前載波抑制 惡化的程度。尚可利用功率來彌補,當載波抑制惡化到某種程度 (例如低於 5dB), 再多的功率地無法挽救了。到時候非把 PSK 發射機,切換到 RC 發射機不可了。

    但是 RC 發射機的功率電晶體,在微衛星發射前,因為故障而換新,新的電晶體是為 此計劃而特別選擇的高效率配對電晶體。唯時間緊迫,更換電晶體之後,並沒有充裕 的時間,做調整及校正 RC 發射機的輸出功率。因此,就變成有高效率的電晶體、沒 有調整、沒有校正功率的發射機。所以若切換此發射機全程使用,恐怕是不小的冒險 。

    雖說如此,PSK 發射機已經快到不能用的階段,未來只有一條路可走,那就是切換到 RC 發射機。

    AO-16 上的 RC 發射機載波抑制大約有 18 到 20dB 左右,而不管發射功率如何,都 保持在這個程度,看來這情況相當好。圖 2 是 AO-16 微衛星發射前所做的記錄。

    除了檢查頻譜外,也一併深入探討相位雜訊及跳動問題,相位跳動約有 20 度左右, 同時,不對稱情形約 5 度。這也許值得探討如何調整發射機的調制器,好讓跳動現 象及不對稱情況消失。但是若保持目前情況,也不算太壞 (目前所有微衛星中,最好 的是 15 度的相位跳動及完全對稱)。

    雖然 RC 訊號比 PSK 佳,已經獲得明證,但是 RC 另一邊帶的強度幾乎相同,使得 PSK 解碼機。很容易誤鎖邊帶。

    至於 WO-18 的 PSK 發射機在該微衛星上軌道後的測試中,便發覺甚不理想,因此利 用這次機會再測試一次,發現輸出功率 1.4 瓦特時,相位跳動超過 45 度。

    一只完美的 PSK 發射機,在垂直線的頂端及底端的軌跡應該更圓滑。這 PSK 發射機 有太大的相位雜訊。使得一般解碼機無法正確解碼,但是這次因為時間關係,沒有安 排測量 WO-18 的頻譜 (須要載入一特定的檔案讓發射機發射才能測量)。不過對於 跳動現象仔細觀察,就可以比較發射機是否正常運作。

    WO-18 的 RC 發射機對載波抑制在輸出功率 1.4 瓦特時大約 7.5dB,參看圖 3,而 相位跳動現象約 15 度,而且極為對稱,圖 4 是該發射機發射前的輸出頻譜。 在當時此部發射機是所有微衛星 中表現最好的。

    圖 5 是 LO-19 上在衛星未發射前的 RC 發射機頻譜,在這次的測試中,LO-19 發射 機的載波抑制有 12dB,參看圖 6。


遙測資料通道

    搜集了 WOD 遙測資料,研究幾小時後作了如下的結論:

  • 熱偶感應器到底接在那一 AART 非同步定址接收發射多工器,這問題在文件上,一 直爭執不休。尤其是第 34 到 37 通道,現在都已經釐清了。下面是正常的遙測資 料通道定義。

    舊有定義
    14 Rx temp: +101.05 -0.6051 0.000 Deg.C
    15 +X (RX) temp: +101.05 -0.6051 0.000 Deg.C
    34 PSK TX HPA Temp +101.05 -0.6051 0.000 Deg.C
    35 +Y Array Temp: +101.05 -0.6051 0.000 Deg.C
    36 RC PSK HPA Temp +101.05 -0.6051 0.000 Deg.C
    37 RC PSK BP Temp: +101.05 -0.6051 0.000 Deg.C
    新的定義
    14 +X(Rx) temp +101.05 -0.6051 0.000 Deg.C
    15 RX temp: +101.05 -0.6051 0.000 Deg.C
    34 RC PSK BP Temp: +101.05 -0.6051 0.000 Deg.C
    35 RC PSK HPA Temp +101.05 -0.6051 0.000 Deg.C
    36 +Y Array Temp: +101.05 -0.6051 0.000 Deg.C
    37 PSK TX HPA Temp +101.05 -0.6051 0.000 Deg.C

  • 這四枚微衛星的接線應該都一樣。因為熱偶感應器都安排在相同的接點。果真如此 ,都應有相同的錯誤。但目前除了 AO-16 外,DO-17、WO-18、及 LO-19 都未證實 。
  • 找出了 14 通道 (+X(Rx) Temp) 與 15 通道 (RX temp) 被弄反了。
  • 微衛星兩旁及頂端的面板是三明治式的夾層構造,有關這些面板的熱傳導研究。必 須拿出來比對,以便能夠更精確地測量 +Y 及 +Z 面板的溫度測量與計算。因為初 步估算,面板的溫度測量若能更精確掌握,每改善 5 攝氏度,電池充電穩壓線路 (BCR) 的輸出,可以多出 0.15 瓦,也就是若能改善 15 度,就能多出 0.45 瓦。 所以一旦軟體的一切調整手續完成,約可多出 1 瓦。不過這並不可忽略,因為微衛 星在軌道上,每運行一圈所能得到的總電源只有 6 瓦。


總結

    這次的測試與觀察,不論對運轉中的微衛星的未來,或日後發展的微衛星,可以提供 相當的幫助。

    目前切換過的 AO-16 上 PSK 發射機,所傳送下來的訊號,相信一般地面電台都很容 易接收才對。而其他另三枚微衛星的發射機也都確認過。控制電源程式將可以更精確 地算出微衛星面板的溫度,這可以使充電器提供最大的電流給充電池充電。電源若充 裕,就可以提昇 PSK 發射機的功率。地面電台也就更容易接收微衛星訊號。

    有一些項目依然沒有喊停,比如不斷地蒐集資料,以判斷出使用 RC 發射機時,訊號 錯誤率的情況。不過在尚未載入 WOD 遙測資料收集軟體以前,我們還是可以先觀察 太陽電池板的變質情況,而光從軌道部份的驚鴻一撇,就可知道如預期所料,從發射 升空入軌道後,至今電能已經有衰減。我們更希望能夠測量 LO-19 的 PSK 發射機頻 譜,以及 DO-17 上兩部發射機的頻譜。 END



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