中国的业余卫星

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一、业余无线电通信卫星和业余卫星通信

为了协调无线电频率资源，联合国的专业机构国际电信联盟（ITU）根据不同的用途把全世界无线电通信划分为43种业务，业余无线电通信被称为业余业务。业余业务是指经过正式批准的、对无线电技术有兴趣的人进行自我的训练、相互通信和技术研究的无线电通信业务，其通信活动纯系个人爱好而不涉及谋取商业利益。

国际电信联盟在1971年的世界无线电行政大会上将业余卫星通信作为正式的无线电通信业务之一列入《无线电规则》，称为业余卫星业务。

二、相关基础知识卫星

1、什么是卫星？

卫星是环绕一颗行星按闭合轨道做周期性运行的物体。

2、外层空间

外层空间又称为宇宙空间或太空，指地球稠密大气层之外的空间区域，通常把距地表约120公里以上的空间称为外层空间。

3、轨道要素

半长轴、偏心率、倾角、升交点赤经、近地点幅角、过近地点时刻。

4、轨道类型

LEO、HEO、SSO、GTO、GEO

    5、通信转发器的用途

接收来自地面的业余无线电信号，处理后发送回地面，是业余无线电的空间中继电台。

6、通信转发器的类型和模式

调频、线性、数字，A，B，J，U/V，L/S

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三、国际业余卫星发展概况

第一颗业余卫星OSCAR-I，作为阿金纳B型火箭末级配重在1961年12月12日发射专业卫星时一起进入太空。卫星质量4.5kg，有一部工作在145MHz业余无线电频段的信标机，输出功率140mW，采用化学电池供电，卫星轨道372×211km，倾角81.2度，运行周期91.8分钟，正常工作22天，总共有28个国家超过570名的业余无线电爱好者提交了卫星无线电信号接收报告。

OSCAR-I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卫星，业余无线电爱好者有能力采集和处理相关的科学和工程数据。

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四、业余卫星发展历程

第一阶段从1961年到1972年：这一时期的业余卫星寿命很短，只有20开左右，主要用来进行卫星技术实验，参与通信的业余无线电爱好者人数在几百人至几千人。

第二阶段从1972年到1980年：这一时期的业余卫星有几年的工作寿命，有比较强的通信能力，卫星运行在近地轨道，更多的业余无线电爱好者加入了卫星通信的行列。

第三阶段从1980年至今：业余卫星向更高、更强发展，业余卫星通信使无线电爱好者在远距离通信方面达到了前所未有的可靠性和可预见性，业余卫星通信也更加普及。

    上世纪八十年代是业余卫星通信和业余卫星技术鼎胜时期，这至少是由下面几个方面的原因促成的：

1、微电子技术和微电子机械技术的发展使以前难以实现的技术变得简单；

2、许多政府部门和商业机构逐渐了解到微小型卫星潜在的社会价值和商业价值，业余无线电爱好者的探索得到更多的支持；

    3、专业应用卫星技术已经成熟，国际商业发射如日中天，空间技术的飞速发展使业余卫星有更多的搭载机会；

4、AMSAT努力说服ESA研制了专门用于搭载微小卫星的星箭对接环和多星分配器，并形成了标准接口；

5、英国Surrey大学的Martin Sweeting( G3YJO)所领导的研究小组通过反复摸索找到了大量使用廉价的商业级元器件来制造卫星的途径并设计成功多种廉价的微小型卫星公用平台。这些成果使业余卫星界得益匪浅，业余卫星的设计和制造变得更为容易；

6、这个时期前苏联在业余卫星领域的崛起极大地繁荣了这个领域；

7、日本开始独立实施他的”富士”系列业余卫星计划，并于1986年发射成功功能强大的JAS-la业余卫星

第四阶段业余卫星的开发已经提到日程之上，主要目标将是地球同步卫星。

第五阶段的业余卫星也已在设想之中，主要目标是飞向月球和火星。

从1961年至今，全世界研制和发射的业余卫星超过一百颗，参与策划、设计和制造业余卫星的国家除了美国、澳大利亚、德国、英国、法国、俄国、日本、意大利、芬兰、挪威、韩国等发达国家外，也有墨西哥、以色列、泰国、智利、巴西、阿根廷、葡萄牙、南非、沙特、马来西亚、印度这样的发展中国家，参加业余卫星通信活动的业余无线电爱好者更是几乎遍及全世界的每个角落。台湾省的业余无线电爱好者也已研制了业余卫星，并在积极筹备与其他国家合作发射。

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五、当代业余卫星的技术特点

1、卫星任务对轨道适应性很强；

2、卫星质量和体积小，属于微型、小型卫星；

3、卫星任务对姿态稳定方式的适应性强；

4、在卫星的总体上打破传统大卫星的分系统界线，以任务为中心强调功能集成和硬件系统集成，采用多功能结构并充分发挥软件功能；

5、在卫星的设计思想上主张任务专一，简化设计，采用成熟技术和模块化、标准化硬件，形成公用卫星平台。在可靠性设计方面尽量减少冗余，或采用无冗余备用设计；

6、大量采用大规模集成电路和微机械技术。

六、业余卫星项目实施的特点

1、业余无线电卫星爱好者是狂热的探索者，卫星项目管理层次简单，效率极高，有些小的卫星计划只有几个人运作，项目周期通常两年到三年，最短的只有半年；

2、业余卫星计划所需经费都是由业余无线电卫星爱好者个人、各种业余无线电组织和有关社会团体资助；

3、卫星制造在满足任务需求的情况下大量使用廉价的商业级元器件以降低成本；

4、卫星发射由政府的航天部门免费搭载或只像征性地收取少量费用。

七、业余卫星发展趋势

致力于解决三个方面的问题

1、研制更容易使用的业余卫星，使更多的业余无线电爱好者能够加入到业余卫星通信实验中来；

2、当前业余卫星主要使用的VHF和UHF频段的资源非常有限。业余无线电爱好者自豪地合法拥有大量的微波波段频率资源，如果用商业标准来衡量这些资源价值连城，业余卫星是能够利用这些资源来进行广阔范围内通信的惟一有效手段；

3、卫星能够与某个地球站进行连续通信的时间很有限，有时候为了能够通信还需要进行复杂的天线跟踪

八、建立我国自己的业余卫星系统

1、科教兴国是我国的一项基本国策，业余卫星通信横跨航天技术和通信技术两大领域，是对青少年进行科普教育的有力手段，是简单廉价而且清晰地让青少年体验卫星通信全过程的惟一有效的手段。

2、业余卫星业务是联合国国际电信联盟确定的无线电通信业务之一，业余卫星作为通信系统的空间平台在业余卫星业务中起着支配性的作用。

3、业余卫星业务是开放性的业务，业务卫星是全世界业余无线电爱好者的共同财富，目前我国成千上万的业余无线电爱好者每天都在使用太空中不同国家的业余卫星。我国不仅是一个大国而且是一个航天大国，我们应该而且能够在这个领域对世界有较大的贡献。

4、我国业余卫星通信爱好者群体已初具规模，他们除了使用国外的业余卫星进行各种探索外，对能够早日建立我国自己的业余卫星通信系统的愿望也越来越强烈，我国业余卫星通信爱好者中的积极分子们不只满足于现有的卫星通信活动，他们更希望能亲手设计和制造出自己的卫星，带领我国业余卫星通信活动达到一个新的高度，使我国在这个领域全面与国际接轨。

5、台湾省业余无线电爱好者策划的业余卫星计划已经在进行中，台湾第一颗业余卫星的正样星已经制造并测试完毕，他们正在寻求外国帮助发射，我们应该能够比台湾省业余无线电爱好者对世界有更大的贡献。

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九、我国业余无线电通信卫星简史

研制我国业余卫星的具体设想开始于1998年；

2005年与中国空间技术研究院公益小卫星计划结合重新启动了业余卫星计划；

2005年11月完成“CAS-I业余无线电通信卫星系统任务分析及总体方案设想”；

2006年完成CAS-I总体设计；

2007年完成CAS-I全部部件设计并开始卫星初样研制；

2007年5月，业余卫星与公益小卫星结合的设想得到了中国航天科技集团、中国科协、中国宇航学会和北京奥运会组织委员会的认可，正式启动XW-I“希望号”奥运星项目。

十、XW-1“希望号”奥运星进展情况

2007年6月5日，XW-1总体方案通过了中国空间技术研究院的审查；

2007年6月5日，召开XW-1项目的专题汇报会，向中国空间技术研究院、中国科协和中国宇航学会做了汇报；

2007年8月，业余无线电有效载荷方案通过中国空间技术研究院的评审；

2008年7月，完成与运载火箭接口的技术协调工作；

2008年8月，青少年搭载方案确定；

2008年11月，XW-1电性星整星联调；

2009年6月，XW-1飞行星出厂；

计划2009年8月发射。

十一、CAS-I卫星总体方案

指导思想与设计原则：

满足业余无线电及其通信活动的要求；

充分继承航天五院CAST-Micro卫星平台技术；

充分采用成熟技术，技术上力求稳妥可靠，确定满足需求的基本配置；

符合业余无线电通信卫星发展的趋势，展现我国在业余卫星领域应有的实力；

按照基本配置（包括卫星结构+卫星热控+星上能源+业余无线电通信载荷）+可选配置（星上电子+实验搭载）+技术试验配置（CMOS空间相机）的方式进行卫星系统设计。

十二、XW-1卫星技术约束条件

1、作为业余无线电通信卫星，星上的所有无线电收发频率必须工作在国际电信联盟规定的业余卫星业务频段内；

3、卫星必须至少有一个遥控信道使地面控制人员可以在需要时候关闭卫星上的无线电发射机；

4、卫星必须至少有一个下行发射信道，使地面接收站能接收来自卫星的无线电信号；

5、卫星上发射的任何无线电信号的格式都是公开的，非加密的；

6、卫星的通信功能要向全世界业余无线电爱好者免费开放使用。

十三、XW-1卫星轨道

太阳同步轨道

轨道高度：499km

倾角：98°

轨道周期：94min

降交点地方时：6：00AM

十四、XW-1卫星平台方案

1、卫星结构采用整星框架+承力板结构设计，非等边的八边形立柱构形，由卫星框架、承力板以及整星蒙皮构成，通过整星框架与承力板将整星分为三个主要部分，分别为能源舱、电子舱以及载荷舱，热控方案采用隔热和传导等被动热控方式，实现整星的等温化设计；

2、星上能源采用体装太阳电池阵与锂电子蓄电池联合供电方式；

3、星上电子组件负责卫星的综合信息处理和卫星的工程遥测与遥控。

十五、XW-1总体技术指标

卫星质量：35kg

包络尺寸：¢550mm×350mm

卫星仓内温度：-20～+45°C

能源：1、锂离子蓄电池：16Ah；2、三结砷化镓电池片：26.0％（转换效率）；3、一次电源电压：12-16.4V

长期最大功率：8W

    短期最大功率：18W

有效载荷：1、业余无线电通信载荷（5.2kg）；2、青少年科学实验搭载（1.6kg）；3、CMOS空间照相机（0.2kg）

十六、XW-1有效载荷

业余无线电通信载荷：

遥测信标发射机：435MHz，CW，20dBm；

线性转发器：RX-145 MHz，TX-435 MHz，40KHz，30dBm；

调频转发器：RX-145 MHz，TX-435 MHz，16KHz，30dBm；

数据存储转发器：RX-145 MHz，TX-435 MHz，16KHz，30dBm；

145 MHz接收天线：2dBi，135°，LHCP发射状态折叠，入轨后遥控展开；

435 MHz发射天线：2dBi，135°，RHCP发射状态折叠，入轨后遥控展开。

十七、青少年科学实验搭载

2个彼此独立的空间：每个长220mm，宽60mm,高100mm；

每个空间载荷质量：0.8kg，总质量：1.6kg；

电源功率：1、最大稳态功耗：＜2.0W  2、最大瞬态功耗：＜3.0W；

工作时间：单次试验可持续时间为1小时

十八、XW-1发射程序

1、星箭分离，卫星加电；

2、星上微处理器启动，卫星自检；

3、遥测信标机工作；

4、业余无线电转发器工作；

5、青少年科学实验搭载及CMOS空间照相机工作。

十九、XW-1卫星工程大系统

1、运载：长征2号C运载火箭；

2、发射场：太原卫星发射中心。位于山西省太原市西北岢岚县，海拔1500米左右，主要承担太阳同步轨道和极地轨道航天器发射任务。发射中心始建于1967年，那里冬长无夏，春秋相连，全年平均气温5摄氏度；

3、测控：西安卫星测控中心；

4、应用：卫星业余业务和青少年科普。

二十、XW-1卫星通信

1、业余无线电通信卫星的使用对象：全世界的业余无线电爱好者、在业余无线电爱好者的指导下对青少年的科普教育、应急通信。

2、XW-1业余无线电有效载荷星的通信路分析

自由空间传播损耗（路径损耗）：Df=32.4+20㏒R++20㏒F

R：地球站和卫星之间的距离（km）

F：工作频率（MHz）

卫星与地球站之间最近距离：500km

卫星与地球站之间最远距离：2500km

3、XW-1上行链路

工作频率：145 MHz；

卫星与地球站之间最近距离：500km，路径损耗：129．6dB；

卫星与地球站之间最远距离：2500km，路径损耗：143dB；

卫星转发器接收机灵敏度：-118dBm；

卫星接收天线最小增益：-5dBi；

大气吸收损耗：-1.5dB；

极化误差损耗：-3dB；

地球站天线增益：2dBi；

卫星在最远处且卫星接收天线处于最小增益时，地球站所需发射功率：33.1dBm；

  卫星在最近处且卫星接收天线处于最小增益时，地球站所需发射功率：19.1dBm。

4、XW-1转发器下行链路

工作频段：435MHz；

卫星与地球站之间最远距离：2500km，路径损耗：153.1dB；

卫星与地球站之间最近距离：500km，路径损耗：139.2dB；

卫星发射机输出功率：30dBm；

卫星发射天线最小增益：-5dBi；

大气吸收损耗：-1.0dB；

极化误差损耗：-3dB；

地球站天线增益：8dBi；

卫星在最远处且卫星发射天线处于最小增益时，地球站所需接收灵敏度：-124.1Bm；

卫星在最近处且卫星发射天线处于最小增益时，地球站所需接收灵敏度：-110.2Bm。

5、XW-I信标机下链路

工作频段：435 MHz；

卫星与地球站之间最远距离：2500km，路径损耗：153.1dB；

卫星与地球站之间最近距离：500km，路径损耗：139.2dB；

卫星发射机输出功率：TX=20dBm；

卫星发射天线最小增益：Ant2=-5dBi；

大气吸收损耗：Da=-1.0dB；

极化误差损耗：Dj=-3dB；

地球站天线增益：Ant=15dBi；

卫星在最远处且卫星发射天线处于最小增益时，地球站所需接收灵敏度：-127.1Bm；

卫星在最近处且卫星发射天线处于最小增益时，地球站所需接收灵敏度：-113.2Bm。

6、XW-1业余无线电能信设备及软件

最小需求：V/U双频对讲机、简易的V/U双频段八木、天线或鞭状天线；

理想的地球站配置：V/U双频段全模式台式发信机、V/U双频段高增益圆极化八木天线、低噪音前置放大器、前置带通滤波器、计算机自动跟综系统（转向器，接口，软件）、卫星跟踪器、TNC；

天线、及跟综设备：Hygain、 Cushcraft、Diamond、Yeasu等等；

收发信机：Icom、Yaesu、Kenwood等等；

TNC：Timewave、Kantronics、MFJ等等；

卫星跟综软件：MOVA、SatPC32、SCRAP Oribitron、Satscape PocketSat for palm …

7、业余无线电卫星通信规则和方法

发射前先接收卫星信标或转发器的通信；

监听卫星转发的你发射的信号，以便随时了解信号质量；

使用FM转发器通信时要关闭接收机的静噪，以便得到最大接收灵敏度；

使用尽可能小的发射功率，特别是通过线性转发器通信时，以免转发器AGC起控使其增益降低甚至饱和，影响发射信号较弱的爱好者的通信；

通联中礼貌和体谅、Pile up时尽快完成每个通联。