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Phase 3D 業餘人造衛星簡介

No.30   1995 July   p19~23,   by 林茂榮 / BV5OC, P.O. Box 575 Changhua



Fig 00

    我們總希望在自家內,能夠享受到遠距離衛星通訊的樂趣,不過至今,這依然是難以捉模的目標。雖然目前我們可以透過 RS 系列的業餘無線電衛星,來追逐遠距離衛星通訊,但是這類繞極低軌衛星,總是來去匆匆,訊號強度又是變化無常,訊號頻率也因都卜勒效應而飄移不定,所以做這類的衛星通訊,就好像是與時間賽跑一樣,既緊張又累人。

    我總是想著,衛星通訊是不是也可以很從容地對話。因為如果是要訓練自己的耳力及耐力的話,不只是低軌繞極衛星,你大可在炎炎夏日裡,選個多雷雨的時段,把自己投身到 160 公尺波段的 DX pileup 抽絲剝繭通訊中。


AO-13 衛星通訊不夠好

    與其他的業餘衛星通訊愛好者一樣,我渴望有機會能享受到,可靠而又可以通達半個地球的衛星通訊,目前在業餘無線電衛星通訊中,只有一枚業餘人造衛星可以符合這個要求,那就是 AO-13。

    既然有業餘人造衛星可以辦到,那又為什麼不趕緊設立起電台,透過 AO-13 來實現衛星通訊的夢想呢?

    當然沒問題,利用 AO-13,要做比較普遍的衛星通訊模式,所需要的是 2 公尺波段的定向天線、70 公分波段的定向天線、有仰角控制的旋轉器、高增益接收用前置放大器、70 公分波段的功率放大器……等等,如果你不是很有錢,最後可能還要準備一張破產聲明或離婚協議書交給你的律師。


還好,有 Phase 3D 計畫

    關於業餘無線電衛星通訊,我把希望放在 Phase 3D,相信這也是大多數衛星通訊愛好者的希望所在。但什麼是 Phase 3D 呢?她與 AO-13 又有什麼樣的差別呢?或者是與其他業餘人造衛星比較,有什麼差別?要全面地回答這些問題,要花掉很多篇幅,多到可能會讓你不想看完,所以這裡就採用文摘的方式,扼要地來說明上述問題。

    毫無疑問地,Phase 3D 是目前最具有雄心壯志的業餘人造衛星,同時也是最昂貴的一枚業餘人造衛星,這要不是有國際性的合作,根本無法完成。裝組的材料及零組件,是來自世界各地的團體或個人的支援。

    目前 Phase 3D 還在裝組中,地點是在奧爾都 (Orlando) 國際機場內,一間特別的隔離室。目前有部份裝組工作已經完成,例如燃料推進系統已完工,緊接著就要安裝電子系統。衛星裝組完成後,會直接運往圭亞那的火箭發射基地,預計搭乘 1996 年 4 月發射的雅力安五號火箭升空。


工程浩大功能強

    參看圖 1 所示,一眼就可看出 Phase 3D 衛星與其他業餘人造衛星的體積大小差別,由許多節組成的翼狀結構,實際上都是太陽能電池板,這些太陽能電池板在衛星進入軌道運轉之後,會馬上張開,以提供足夠的電能給衛星使用。

Fig 01
圖 1:業餘無線電衛星與人體大小的比較,中間是人體,底下就是 Phase 3D,左上方是 AO-13,右上方是有名的微衛星系列。



千瓦尖峰功率輸出的發射系統

    這些由太陽電池板蒐集的電力,由 Phase 3D 充份運用後,在通訊方面的表現,能力相當驚人。 Phase 3D 在發射和接收的頻譜,涵蓋範圍低到 21MHz,高達 24GHz。光是 2 公尺波段的發射機輸出功率,就達 200 瓦,而在 AO-13 上, 2 公尺波段的發射機輸出功率是 50 瓦。但是這還沒說清楚,由於 AO-13 使用了定向天線,所以實際上 2 公只波段的輸出尖峰功率是 180 瓦。但是因為 Phase 3D 裝有更棒的 2 公尺波段定向天線,所以實際的輸出尖峰功率,可以達到 2500 瓦。

    這麼大的功率,有什麼樣的意義?這表示你若利用模式 B (70 公分上聯、2 公尺下聯) 通訊,再也不需要像是做 AO-13 通訊時一樣,需要高指向性、高增益的定向天線;如果接收機的靈敏度夠的話,甚至連桿上型的前置放大器,都可以不用裝設。

    Phase 3D 上選用的發射機性能,都是可圈可點,結合整體的規劃,提供了非常理想的下聯訊號,接收系統也是一樣,都有絕佳的靈敏度。因此,以往給人的印象,衛星通訊總是需要很大的基地電台、很昂貴的設備,這都會成為過去,尤其是使用到微波衛星通訊,這方面的體會就會更深刻。


啊 !微波啊 !

    是的,絕對不要懷疑,就是微波,Phase 3D 將會往微波衛星通訊上大放異彩。老實的面對吧!以後的衛星通訊,將會是微波的天下。

    在微波衛星通訊上,使用小巧的天線,就可以得到頗有效率的增益,同時微波範圍內的背景干擾也小,因此 Phase 3D 的微波衛星通訊,可以使用你家閣樓上的小房間,裝設好整個電台,還會有多餘的空間。甚至是公寓的陽台上,就可以裝設一衛星通訊電台,這些電台可以很小,連你的緊鄰,雖然平日穿梭其間,都不知道有那麼一個衛星通訊電台存在。

    但是一般人的觀念,微波通訊設備很難操作,價格也很貴,對不對?拜託!已經是 1995 年代了,還有這個觀念,許許多多的微波通訊設備,早已成為套件販賣了。有現成的變頻器,可以把微波轉到 10 公尺波段,或是 2 公尺波段上;也可以把這兩個波段,轉頻到 1.2GHz、2.4GHz、或者是 10GHz 波段上發射。

    況且微波通訊天線,比你想像的還簡單。在 AO-13 的模式 S 衛星通訊中,使用雨傘骨架和小錫罐製成的天線 (參看圖 2),就可以當做 2.4GHz 的接收天線。雖然在 AO-13 上頭,2.4GHz 的下聯訊號,尖峰功率只有 8 瓦,這天線用來做衛星遠距離通訊,已經足足有餘。

Fig 02
圖 2:使用雨傘骨架和小錫罐製成的迷你微波天線。

    想想看,Phase 3D 在 2.4GHz 的下聯訊號,尖峰功率將達 10000 瓦。光是這一點,就是以讓許多人擦亮眼睛,拭目以待。60 公分長的螺旋天線,可以讓你到處都可以做微波衛星通訊,參看圖 3。

Fig 03
圖 3:長 60 公分的螺旋天線,可以讓你到處都可以利用 Phase 3D 做微波衛星通訊。



業餘並沒有放棄微波頻譜

    使用微波的另一個理由是,有許許多多的商業團體,在各種國際會議場合,無不虎視耽耽的注視著任何微波波段,由於頻譜有限,微波已經被商業用途吃掉很大部份,幾乎是要逼退業餘在微波範圍的生存空間了。Phase 3D 使用微波波段,就是以向世人證明,業餘無線電並沒有棄守這一疆域,相反地,我們非常珍惜這一頻譜。


向衛星追蹤程式說再見

    AO-13 是在橢圓的地球高軌道運轉,Phase 3D 也是,參看圖 4,由於 AO-13 軌道的自然特性,使得她無法在固定的時間內,在同樣的範圍出現,因此你需要追蹤程式,來確定什麼時候,AO-13 將會出現在你的通訊範圍,並且可以讓你知道指向天線要調到哪個方位。

Fig 04
圖 4:AO-13 及 Phase 3D 都是被安排在橢圓的地球高軌道運轉。

    為了要保證追蹤程式的結果是正確的,除了固定的基本資料,例如電台所在的經緯度、高度、及正確的時間外,必須要花一定的期間內,更新追蹤衛星的參數,這參數我們叫它是「軌道參數」 (Orbital Elements) 或是「刻卜勒參數」 (Keplerian Elements)。

    一般衛星的軌道,有各種自然力與自然律的作用,因此需要修正軌道參數,追蹤程式才可以得到正確的結果,而 AO-13 除了自然因素外,還有更重要的特性左右著,那就是為了要能夠有效的蒐集太陽能,AO-13 必須變換有利的姿態與高度,因此你若是太久沒有更新軌道參數,就會有很大的誤差。這時候,你的電腦追蹤程式告訴你,衛星現在就在正上方,當你把天線指向這方向時,卻什麼訊號也沒有,或者僅僅是相當微弱的訊號,為什麼呢?原因在於,事實上的衛星運轉軌道,與你程式所追蹤的,有相當大的差距所致。


Phase 3D:有更穩定的運轉軌道

    Phase 3D 幾乎可以去除這些叫人相當頭痛的問題,因為 Phase 3D 早已有了因應之道,透過相當複雜的磁場、感應器、及由磁場掌控的迴轉輪 (Reaction Wheels) 等系統, Phase 3D 在軌道上,會永遠保持最佳的姿態,讓通訊天線都朝向地面。而特殊的設計,也可以讓 Phase 3D 不用變更軌道高度,就能使太陽電池板蒐集到夠用的電能。


    因為有了如此周密的設計,所以 Phase 3D 的軌道將會很穩定,使 Phase 3D 衛星,可以每隔 48 小時出現一次。

    怎麼說是穩定呢?舉例說,如果 Phase 3D 在星期天中午,出現在西南方仰角 45 度上,那麼星期二的中午,Phase 3D 將會在同一位置出現。Phase 3D 的這一特性,對於口袋很吃緊的衛星通訊愛好者而言,真是一大福音,因為只要你不很在意,是不是能全時間去運用 Phase 3D,那麼你可以把天線對準固定的方向,就可以利用 Phase 3D 做衛星通訊,衛星追蹤程式、天線仰角器旋轉器全免了。

    當然,有衛星追蹤程式還是最好,因為光靠 Phase 3D 穩定的軌道特性,如果沒有精確的追蹤,還是會使運用衛星做通訊的時間,大量縮水。


多樣功能的 Phase 3D

    如果你覺得這還不夠方便,Phase 3D 本身還可以提供你這枚衛星的軌道參數,因為 Phase 3D 準備攜帶 GPS 接收裝置,所以可以自己測得本身精確的位置,這些位置被轉換成軌道參數之後,可以傳給你當作遙測資料。所以,到時候,你可以直接從這枚衛星取得軌道參數,來更新衛星追蹤程式參數。


也能提供包封通訊服務

    Phase 3D 的首要通訊調制方式,當然是單邊帶 (SSB) 及等幅波 (CW),可惜的是,因為 FM 會耗去太大功率,而無法使用。不過, Phase 3D 可以替你做數據通訊轉接服務,也就是說,包封通訊愛好者可以透過 Phase 3D 上的 RUDAK 系統,做遠距離的數據資料傳輸。

    基本上,Phase 3D 上的數據傳輸速率,正常是 9600 爻 / 秒 (bits/sec),不過,RUDAK 的設計,傳輸速率可以遠高於這個數字,也許來日你可以看到 Phase 3D 加入包封通訊 GATEWAY 時,你會看到傳輸速率高達 56 千爻 / 秒 (kbits/sec)。

10 公尺波段上有快報

    就算你沒有架設衛星通訊電台,沒關係,Phase 3D 還是有辦法提供最新的訊息給你,因為 Phase 3D 預定包含有功率達到 200 瓦的 l0 公尺波段 AM 發射機,當 Phase 3D 抵達近距點 (PERIGEE) 附近時,你也可以利用一般的短波收音機,來接收 Phase 3D 的訊號,屆時,你將會收到利用聲音合成的廣播,內容包括有:衛星目前狀態、其他衛星的快報、或者是一般的業餘無線電相關新聞。想想看,當你悠游自在地在後院或是陽台上,拿著手提的短波接收機,當鄰居問說,你在聽哪一電台的廣播時,你卻回答說:電台?什麼電台?我是在收聽 業餘無線電衛星所發射的訊息快報!


Phase 3D 需要你的援手

    Phase 3D 聽來怪神奇的,不是嗎!至少,她可以讓一般的業餘無線電台,以一般的設備,就可以透過衛星做遠距離通訊,這時候,你再也不必看「電離層」的嘴臉,來吃「遠距離通訊」這一頓飯了;也可以不必擔心左鄰右舍會抗議,或者是受到天線無法安裝的限制,這些都將會成為過去。

    不過,還有一個問題,那就是「錢」,不用講,相信你也猜得到,這麼一枚業餘通訊衛星,一定要花不少錢的,我們說「不少」錢,是指要花上「百萬美元」,雖然早有來自世界各地的業餘無線電愛好者,慷慨解囊,捐贈各種材料設備,但是整個計畫經費,還是很吃緊,需要更多的基金,Phase 3D 才能順利製作完成,也要不斷地支援,才能夠籌措足夠的發射費用。

    還好,因為有你在,Phase 3D 計畫需要你的支助,不論多、寡,不嫌多、少,你的幫忙都會是很大的助力,所謂的涓滴成河,積沙成塔。你要知道的是,你的慷慨解囊,在業餘無線電衛星的發展歷史上,是有很重要的意義在。你的捐助可以直接寄到:

    ARRL Phase 3D Fund, 225 Main St., Newington, CT O611l, U.S.A.

    或者是郵政劃撥到 20000637 帳號,戶名:林茂榮。請特別注意,劃撥單上一定要註明是捐給 Phase 3D 基金用,你的通訊地址及姓名也務必要書寫清楚,我們會在匯集捐款後,捐款轉寄給 Phase 3D 基金會之前,在本專欄內刊載徵信錄,並且另外以郵寄方式個別通知捐款人。 END



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