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如何與太空梭做包封通訊

No.23   1994 Nov.   p40~48,   by 莊焜亮 / BV1AF



Pic 1

前言

    前幾天收到我與太空梭 "Endeavour" (奮進號) STS-59 通信的 QSL 卡 (這是筆者的 第三張太空梭 QSL 卡) ,發現卡上太空人之中的酬載指揮官 (Payload Commander) Linda Godwin, N5RAX 似乎在哪本 Ham 雜誌上見過。

    經過一陣翻查之後,終於找到,就在本刊創刊號的 124 頁上,由劉昌賢 / BV4VB ( 此刻正在美國紐約深造,專攻癌症醫學) 所譯的「 STS-37:饒富教育特質的 SAREX 任務」一文中,就有 Linda 在 Atlantis (亞特蘭提斯號) ST5-37 任務時的照片, 當時就把創刊號上兩篇關於 SAREX 的文章,又仔細詳讀了一遍。

    SAREX 全名:Shuttle Amateur Radio Experiment,中譯「太空梭業餘無線電實驗」 ,可說是業餘太空通信中,最具教育意義的活動。

    因此,在中華業餘人造衛星協會 TAMSAT 甫成立之初,想藉此機會,以「太空梭包封 通信」為開端,將 SAREX 介紹給各位同好,也許能引起更多人的興趣,共同來參與 、學習。


SAREX簡介

    SAREX 是在太空梭的飛行任務期間,所進行的各種科學實驗 (統稱為酬載 -- Payload) 之一種,由 AMSAT (Radio AMateur SATellite corporation,業餘無線電 衛星公司) 、ARRL (American Radio & Relay League,美國業餘無線電聯盟) 、以及 NASA (National Aeronautics and Space Administration,國家航空及太空總署) 等 三個單位共同負責。首次實現在 1983 年 11 月的 STS-9 任務中 (STS 代表 Shuttle Transponation System,是太空梭飛行任務的編號) ,當時的 Ham 太空人是 Owen Garriott / W5LFL。

    經過數年的試驗,SAREX 漸受全世界 Ham 的重視,尤其是教育單位的學校,也在 Ham 的協助下,以在教室中即時與太空人通話的方式,激發學生對太空相關科技的興 趣。

    到了 1992 年 3 月,從 ST5-45 起,幾乎每兩次的太空梭任務中,就會有一次 SAREX 試驗,此後 SAREX 酬載從原來的純實驗性質,躍升為實用的酬載,它的主要任務就 是「教育」。


SAREX的硬體架構

    SAREX 酬載具有五種不同架構的硬體設備,視其當時任務的乘員人數、乘員中的 Ham 人數、太空梭電源供應能力、太空梭的總重與平衡,以及儀器架上是否有足夠空位等 等因素,而決定選用那一種架構。

    茲將這五種架構之概要介紹如下:

  1. Configuration B:這是最輕最省電的架構,以電池供電的 2m FM 收發機 (Motorola MX-360HT 手機) ,連接嵌鑲在太空梭邊窗上的天線來組成。只做 Voice QSO 之用。1992 年的 ST5-45 即用此架構,1983 年第一次的 SAREX 實驗於 STS-9 上也是使用這種架構,不過當時天線是裝在太空梭機頂窗戶上。

  2. Configuration C:當太空梭總重與平衡以及空間都允許,而乘員中的 Ham 又有空 餘時間可操作機器時,就會採用此架構,它包含了 Configuration B 的所有設備 ,再加上 Robot packet radio (自動包封通信) 用的 Heathkit HK-21 TNC。

    包封通信的操作可經由機上的 Grid 膝上電腦用手動控制,或用自動控制的 Robot 模式。 TNC 模組中帶有 12V 直流電源,以減輕太空梭的電源負擔。1992 年的 STS-35、STS-47 及 1993 年的 STS-55、STS-57、STS-58,及今年的 STS-60、STS-59 、STS-65 等,都使用此架構。

    又今年 9 月初的 ST6-64,原計劃中只作 Voice QSO,但卻攜帶著 C 架構的所有裝 備,終於在任務的最後一天,開啟了 Packet 通信,只操作 15 小時,即已通聯了全 球數百台,可見 SAREX 的包封通信漸受喜愛。

  3. 若條件允許 SAREX 使用更多設備時,則可能會再進一步使用 Configuration A、D 或 E 中之一種。

    Configuration A 是將 C 架構的 TNC 和 12V 電源,再加上一具 Robot 1200C 的 SSTV (慢速掃描電視) 掃描轉換器,裝在同一機箱中,另加一部 Panasonic 帶有顯 示器的 VCR 及攝影機。

    然而,這種架構至今並沒有真正的使用過,只有 1985 年的 STS-51F 任務,是從 A 架構中抽出 TNC,以及天線改裝在機頂窗戶上,使用過一次,做 SSTV 的通聯,算是 A 架構的變化應用。

  4. Configuration D:此架構是 A 架構的全部設備再加上一部 432MHz 的 FSTV (快 速掃描電視) 接收機,以操作 ATV (業餘電視) 的功能,這一模組是由 N9AB 所發 展的。

    D 架構首次使用在 1991 年 4 月的 ST5-37 任務中,太空梭上的太空人,因此能「 即時」收到地球上業餘無線電人員傳來的影像。

  5. Configuration E:此架構是將 VCR/MONITOR,替換成太空梭本身的影像界面單元 (VID) ,使得 SSTV 和 FSTV 影像,都從太空梭艙內的影像顯示器中顯示出來,如 此一來,可以使 SAREX 酬載的總重量,降到原來的 50% 左右。此架構曾使用在 1992 年的 ST5-50 任務中。


追蹤太空梭的飛行

    太空梭的飛行任務本身就當是全世界新聞媒體的焦點,近兩三年來,CNN (美國有線 電視新聞網) 都對每一次任務的升空實況,做現場即時轉播,而每當任務中有 SAREX 酬載時,更是全世界 Ham 注目的焦點。

    大約在預定升空日期的前一個月,就有大量信件在全球的無線電 BBS 站間,傳遞當 次任務有關的種種資料,如任務時間日期、乘員背景資料介紹、任務中各項實驗計劃 的細節、 SAREX 的通信模式和頻率、乘員中的 Ham 及其呼號等等。

    還有最重要的一項是預定的飛行軌道資料表,以便全世界的 Ham 能據以追蹤太空稄 的飛行,此為能否與太空梭 QSO 的基本要件。

    太空梭是屬於低軌道的飛行物,軌道高度只有約 250~300 KM 左右,以大約 90 分鐘 為週期,繞行地球,因此,電波涵蓋地面電台的時間經過,大約只有 5~6 分鐘左右。

    而其軌道傾角 (軌道平面與地球赤道平面的夾角) 常低於 60°,故緯度太高的地區 (如靠近南北極附近) 無法涵蓋於「足印」 (footprint,指其電波能達的地面範圍) 當中,或即使在其足印範圍中,仰角也不會太大。

    有時候,太空梭會採用低於 30°的軌道傾角 (如今年七月的 ST5-65) ,則其足印能 涵蓋的地區就更少了,這亦是住在高緯度地區 Ham 的一大憾事。

    在一個只有 5、6 分鐘的 pass 內,要能緊密的追蹤太空梭,並與其通信,若使用 Turnstile (衛星用十字形偶極天線) 或 Eggbeater (攪蛋器形天線) 等無指向性天 線,可免除轉動天線的麻煩。但在目前台灣 VHF 頻帶雜波充斥的天空,很難保證無 指向性天線能與太空梭順利通聯,那就只好改用指向性天線,這除了要多花銀子添購 設備外,追蹤太空梭的技巧,又是一個具有挑戰性的題材。

    使用一般追蹤人造衛星的電腦程式也可以追蹤太空梭,這種程式有很多是 Shareware (共享軟體) ,例如 Track Sat、Quick Track 以及 STSPLUS 等,在許 多 phone BBS 站或 Ham 的 CD-ROM 碟片上都可以找到,這對於會使用電腦軟體的人 來講,並非難事。

    追蹤太空梭需要用到的「軌道元素資料」 (Keplerian Elements data) 才是決定能 否適時地在天空中找到太空梭的重要關鍵,這項資料通常在太空梭升空前數日,就會 有預定軌道資料發佈,它是根據預定發射時間來推算的,只要太空梭能按原訂時間分 秒不差的升空,這組資料就可以讀入追蹤軟體中使用。

    但從過去數十次任務來看,準時升空的機會少之又少,因此,這些預測的軌道資料多 半不能用,等太空梭真正升空之後,軌道資料會重新計算,隨時更新。並透過 BBS 傳送世界各地,只是一般 Packet 信件從美國傳到台灣本地,大約要一星期左右,有 時候太空梭任務時間短,這些軌道資料尚未傳到本地之前,太空梭己完成任務返航了。

    因此,如何在最短時間內得到最新的軌道資料,往往成了能否追蹤太空梭的重要因素 。獲得最新軌道資料的最快方法,就是取自太空梭任務的負責單位和執行單位,如 NASA、AMSAT、ARRL 等,他們都設有 BBS 站或 Internet 的 FTP 檔案傳輸站,能 提供有關太空梭的最新消息和軌道資料。

    未來每逢有 SAREX 實驗時, TAMSAT 也將以最快速度提供此資料,來服務國內的同好。


與太空梭 QSO

    前曾提及 SAREX 實驗最常配置的是 C 架構的設備,也就是以 2m FM 頻帶作 Voice 和 Packet 通信。Voice 部份大多是由有興趣作通信實驗的中小學事先提出申請,經 挑選後,按照排定的日期時間,由太空人與學生直接通聯;而由 Ham 與太空人自由 通聯的情形,只有在太空人不做其他科學實驗;也不在睡覺時間內,才有機會,算是 可遇而不可求。

    至於太空梭的 Packet 通信,通常使用 Robot 模式,只要機器開著,讓軟體程式執 行自動 QSO 的功能,則一天 24 小時都可以運作,不需佔用太空人的額外時間,使 全球的 Ham 都有機會與太空梭作 Packet QSO。

VOICE
下聯 (Down-link) :145.55MHz
上聯 (Up-link) :144.91~144.99MHz (間隔 20KHz)
PACKET
下聯 (Down-link) :145.55 MHz
上聯 (Up-link) :144.49 MHz

    SAREX 使用的頻率都是收發分頻的,以便降低干擾,而使更多人有通聯的機會,其頻 率如右表所列:

    其中,Voice 的上聯頻率有 5 個,若使用 Voice 作自由 QSO 時,太空人會視所經 地區的電波干擾情形,擇一最佳頻率來守聽,因此,只能靠運氣,才會碰上太空人守 聽的頻率。但是,無論如何,在預測太空梭飛經的時間內,應先守聽 145.55MHz 的 下聯頻率。以便確定其目前的操作模式是 Voice 或 Packet,再開始通聯。

    國內 BV-NET 無線電 BBS 的使用者愈來愈多,以此設備再加上通訊軟體 (如 Telix 、 Procomm、Ham Com、Multi Com 等),即可與太空梭作 Packet QSO。

圖 1

W5RRR-1, QRZ:#655-WP4KVF KD4HUR AA4RU DX6 KC6ZZJ AE6Y WA2DXQ WA2N K8RSP N4XEZ N8UEJ K0JGH WB4FIN KD4UPF KB5UMH KC7MJ WA5ZIB N5SVW W0BPP KA9CFD KG5OA N0LHW N0AN K0QBA K0RZ AA7A KJ6HO KG7LM KB7WAU VE6AXL AA6NP WD6EFM WB6LRV KJ6MD N7QLG

圖 2

W5RRR-1>QSL:N0AN/846 K0RZ/844 N6MUG/834 WB2YLR/806 KB2MVN/805 KC9B/795 WA4JAV/790 WB4FIN/789 N5WOE/788 KW7E/786 KD6PPM/784 N7DRB/782 N4ZQ/764 NM0B/762 KI5UA/758

圖 3

W5RRR-1>QST <I S3 R0>:Hi from low Earth orbit!! We had a great launch, and the radar lab in our payload bay is working well. We have set up our living and working quarters, and have even had time to get on 2m voice twice.
Being in space is GREAT!
73, N5QWL

圖 4
W5RRR-1>SAREX:This is STS-58 SAREX Robot station W5RRR-1 onboard the Space Shuttle Columbia.

圖 5

cmd:c w5rrr-1
cmd:*** CONNECTED to W5RRR-1
#601-is your STS-59 SAREX QSO number.
***DISCONNECTED

圖 6

W5RRR-1>SAREX [07-18-94 06:08:00]:#1721-is your STS-65 SAREX QSO number.

圖 7

c w5rrr-1
cmd:*** CONNECTED to W5RRR-1
#616-is your STS-60 SAREX QSO number

*** DISCONNECTED
W5RRR-1>BVlAF <DM>

W5RRR-1>QRZ <UI>:
#298-BV1AF RW3AH OH1CO OH7AZL OZ1EBQ OH1NHW DA1AF OH8UV PE1OKJ PA3ESS F1IRJ F6DBL DJ0WQ F1IXH EA8URT F1OKN EA8AHC EB8BNK ZL1AAN ZL1CMR ZL2WBA ZL1UTT ZL1HAU JJ2RYW JA2NCF JH1DWU JA7SMA JH7CKF JA2BGX 7N1JVW OH6LSA YI1BGD IV3WLQ SV3BEF ZS6BMN

W5RRR-1>QSL <UI>:
BVlAF/616 OH1NHW-611 OH7AZL/609 OH8UV/601 F1IRJ/594 F1IXH/586 EA8URT/582 F1OKN/581 EA8AHC/580 EB8BNK/577 ZL1AAN/574 ZL1CMR/571 ZL1HAY/568 7N1JVW/561 JA7SMA/559

W5RRR-1>SAREX <UI>:
This is STS-60 SAREX Robot station W5RRR-1
onboard the Space Shuttle Discovery.

    以下便來談談其正確程序和要領,以供有興趣者參考:

  1. 確定機器設備連接無誤,並且設定在正確的頻率上,執行通信軟體,確定 MYCALL 設定無誤 (SAREX Robot 只辨認和記錄 CALL SIGN) ,另外,最好也能使 DAYSTAMP 和通訊軟體的 Capture 功能都設定在 ON 狀態,以便詳細記錄下每一過程的細節 。

    開始守聽下聯頻率,收到太空梭發出的 Packet 訊號之後,才開始下達 Connection 指令,此時可能收到的下傳資料包括:

    (1) QRZ list:這是被太空梭收到或未與太空梭完成通聯的電台呼號表 (如圖 1) 。

    (2) QSL list:這是與太空梭完成通聯的電台呼號表,每一呼號後並附帶有 QSO number (如圖 2) 。

    (3) QST:這是太空人要達給地面 Ham 的訊息,通常是與此次太空梭任務有關的事情 (如圖 3) 。

    (4) SAREX:這是 General Packet 的 beacon 訊息,包括此次的任務編號 (STS-XX) 和太空梭的名字在內 (如圖 4) 。

  2. 在送出連線指令 C 之後, SAREX Robot 在接收到地面電台請求連線 (connect request) 的信號時,則會回應一個帶有流水號連線訊息,然後接下來可能發生的 情形是:

    (1) SAREX Robot 等待由地面電台回應一個「確認接收」的信號,若能收到地面電台 的正確回應,則 SAREX Robot 就送出一個「切線」 (disconnect) 信號 (如圖 5) 。

    (2) 若 SAREX Robot 等不到地面電台的回應,而在經過一定次數的 retry 之後,即 自動做一個強制的切線,並且送出類似圖 6 的訊息,這表示 QSO 並沒有適切地 結束 (有始無終) 。從請求連線到切線,整個過程不會超過一分鐘。

  3. 地面電台在收到連線訊息及 QSO number 之後,若自行送出切線令 D,SAREX Robot 也接收到這個訊息的話,將會取消剛剛發給的 QSO number 的有效性。

    有些 Ham 在連線後會送上其他訊息,這些其實沒有任何作用,因為 SAREX Robot 除 了呼號、時間以及 QSO number 三者之外,不會記錄其他任何資料,亦即當您收到: *** CONNECTED to W5RM-1 的訊息之後,您的鍵盤操作是完全無作用的。

    記住,當連線建立起來之後,讓 Robot 自己做切線的動作,並且要確定這個切線動 作不是個 retry-out 的切線。

  4. 很多 Ham 在太空梭飛經的同一個 pass 內,做了多次的連線與切線動作,或在同 一任務的其他 pass,再度與 Robot 連線,這些都是沒有用的,因為 Robot 只會 記錄第一次完整的 QSO,其後的連線請求,都會被忽略,不予記錄。雖然表面上看 起來,第二次以後的連線仍像正確的連線結果,但是,當 Robot 發現您的呼號早 已經在 log 之內,就會把它當成重複的 QSO,而忽略了!

    所以,專家的建議是:留點機會給您的朋友,但別忘了繼續守聽,這可以多練習追蹤 的技巧,並且可以更密切地關心太空梭的活動。

    最後再提示一點,在確定已經得到一次完整的 QSO 之後,繼續注意看看 Robot 所發 出的 beacon 中的 QSL (完成) 和 QRZ (收聽到) 名單;出現在 QSL 名單中帶有 QSO number 和呼號的,才是有效的 QSO (如圖 7) 。

    其他如收聽到的、未完成的,或重複的 QSO,其呼號會出現在 QRZ 名單中;技術性 的說法就是:若您的呼號出現在 QRZ 中,而不是在 QSL 中,這表示並沒有完成 QSO 動作。

    由於 SAREX 所用的膝上型電腦並沒有太多主記憶體可用。因此,不管您的呼號是在 QSL 或 QRZ 中,下一個 pass 來時,您的呼號可能已被擠出 beacon 中的 List 之 外了 (但已記錄在硬碟中) !



交換QSL卡

    當您與 SAREX Robot 完成一次 QSO 之後,當然會想要求互換 QSL 卡。因為每次太 空梭 SAREX 的 QSL 處理小組,都是由志願單位義務人員來幫忙,因此,通常在 BBS 上會看到如何寄送該次 SAREX 的 QSL 卡的訊息。

    每次 SAREX 任務所做的 QSO 次數,都是在千次以上,使得 QSL 卡的處理成為一件 相當艱鉅的工作。因此,這些處理小組幾次下來累積的經驗,做了一個能加速 QSL 卡處理速度的建議如下:

  1. 記得將自己的呼號寫上,特別是那些自製明信片 QSL 卡,及以一般信函當成 QSL 確認卡的人,別忘了加上自己的呼號。

  2. 記得將 QSO 的日期寫上,而且要使用正確的日期,即以 UTC 時間為準的日期。

  3. 使用 UTC 時間表示法,因為有很多人對不同地區的時差,並不是有很清楚的概念。

  4. 姓名要清楚的寫在卡上;曾經有太空梭的 QSL 卡回給「 OM 」,因為在卡上找不 到寄信者的姓名,或姓名潦草得無法辨認。

  5. 當您訂製新的 QSL 卡時,特別要提醒那些每年處理大量 QSL 卡的 Manager,請記 得將呼號、姓名與其他項目的資訊都印在同一面;若是使用雙面 QSL 卡的人,至 少請您在 QSO 資訊欄這一面,也加上呼號和姓名,這樣可以減少工作人員的許多 麻煩。

  6. 日期的寫法,請依照標準格式來為 (既然是寄給美國,當然是按美國的標準格式) ,即「月 / 日 / 年」的順序,這也是目前電腦系統所使用的日期格式,但這並不 是最好的。

    事實上,「年 / 月 / 日」的格式,才是最合理的安排,尤其是在電腦中,排序資料 時才會正確。

    到目前為止,工作人員只接到少數這種寫法的卡;期待有一天,電腦系統的日期格式 ,也會改成「年 / 月 / 日」的順序。

  7. QSL manager 最傷腦筋的一件事情,是要閱讀 (其實是辨讀) 各式各樣五花八門的 手寫文字。您在卡上寫的資料愈清楚,這張卡片處理的速度就愈快。因此,如果您 的書法 (英文) 不是很高竿,不如用電腦或打字機來印比較好!

  8. 如果您正好要重新設計 QSL 卡上的資訊欄格式,請做下列順序:對方呼號、日期 、時間、頻率、通信模式、信號報告,這才是符合邏輯的資料欄格式,而且,每一 格應有足夠的空間。請記住,這些 QSO 資訊才是卡上的主角,每一項都應留有適 當的書寫空間,最好能先試寫看看,畢竟,印刷和手寫是有差別的。

  9. 不論何時,當您與對方相互寄換 QSL 卡時,請隨附一個已寫好收信人姓名和地址 ,且貼足郵資的大型信封;若不貼郵票,則以等值的 IRC 或美金現鈔 (Ham 稱 green stamp,綠色郵票) 代替亦可;信封的大小也應注意,一般所謂的商用大型 信封大約是 4"x9.5"。

  10. 切勿在同一信中要求 QSL 卡以外的物品或贈品,若真的很想要與這次任務有關的 照片、資料、別針等 (他們的確有) ,最好另封說明、另封索取與寄送,以使處 理 QSL 卡能更單純化。要是當次任務有額外資料可贈送,他們通常會自動附寄過 來。


結語

    本文目的是想提供一個較有效率的途徑,使更多有興趣的初學者參與 SAREX 活動, 這不僅可作為個人晉升業餘衛星活動的進階石,對 SAREX 實驗本身來講,也具有一 定份量的貢獻。

    SAREX 實驗藉著與全球 Ham 的通聯情形,不斷改進硬體設備,提升通信的量與品質 ,其遠程目標定在提供另一種教育方式,使學生不僅是在教室中向太空人請教問題, 更在太空梭返航後,能延續那些問題的探討與解答。若將來的科學教育果真能互動到 這種地步,誰能說曾與 SAREX 通聯的 Ham,不具有一份小小的功勞呢!

    據最近的媒體報導顯示,下一次的 SAREX 實驗是預定在 1995 年元月的 STS-67 任 務中,在 16 天的飛行時間中,將攜帶 B 架構的設備,與全球 Ham 作 QSO,我們不 妨拭目以待! END



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