在介紹我國第一顆業(yè)余衛(wèi)星的基礎上，本篇重點分析我國開展的業(yè)余衛(wèi)星活動并對業(yè)余衛(wèi)星管理方式進行梳理，最后對業(yè)余衛(wèi)星的發(fā)展進行探討。
1.我國第一顆業(yè)余衛(wèi)星
研制我國自己的業(yè)余衛(wèi)星最初想法始于1998年，但進展緩慢。直到2005年，在航天科技集團第五研究院（中國空間技術(shù)研究院）退休專家提議下，將研制業(yè)余衛(wèi)星與研究院倡導的公益小衛(wèi)星計劃相結(jié)合，才重啟了我國的業(yè)余衛(wèi)星計劃，定名為CAS-1，2006年完成了衛(wèi)星的設計、研制。
2007年，業(yè)余衛(wèi)星計劃與公益小衛(wèi)星計劃結(jié)合的想法獲得了航天科技集團、中國科協(xié)、中國宇航學會和北京奧組委認可，各方正式啟動了希望一號衛(wèi)星項目，這是我國第一顆業(yè)余無線電衛(wèi)星，也是我國第一顆科普衛(wèi)星。希望一號衛(wèi)星于2009年12月15日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心搭載“長征二號丙”運載火箭，“一箭雙星”成功發(fā)射入軌。
圖1 希望一號衛(wèi)星結(jié)構(gòu)圖
2009年12月19日，AMSAT把“希望一號”編為業(yè)余無線電衛(wèi)星第68號，HO-68。H為“希望”的英文“HOPE”的第一個字母，O是國際上對業(yè)余無線電衛(wèi)星的統(tǒng)稱“OSCAR” 的第一個字母，這是我國的衛(wèi)星第一次獲得國際業(yè)余無線電界的編號。
表1 我國的第一顆業(yè)余衛(wèi)星的技術(shù)參數(shù)
|
衛(wèi)星名稱
|
希望一號（XW-1/CAS-1）
|
國際編號
|
HO-68
|
|
衛(wèi)星形狀
|
八面體柱形。質(zhì)量約60千克，星體高480mm、包絡直徑680mm
|
業(yè)余衛(wèi)星載荷
|
一臺業(yè)余無線電遙測信標機和三臺業(yè)余無線電通信轉(zhuǎn)發(fā)器。
|
|
電源系統(tǒng)
|
衛(wèi)星采用被動熱控方式。砷化鎵太陽能電池陣和鋰離子蓄電池聯(lián)合供電。
|
其他載荷
|
衛(wèi)星還攜帶有一臺微型彩色寬視場CMOS攝像機和一個青少年科學實驗裝置。
|
|
工作頻率
|
遙測信標機工作在UHF頻段，發(fā)射頻率為435.790MHz，射頻輸出功率約200mW。
|
工作模式
|
三臺轉(zhuǎn)發(fā)器分別工作在調(diào)頻中繼模式、線性轉(zhuǎn)發(fā)模式和數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式。
|
|
軌道參數(shù)
|
高度為1200km，傾角為105°，運行周期為109分鐘的太陽同步軌道。
|
調(diào)制方式
|
無調(diào)制載波、等幅報和AFSK等方式；國際標準莫爾斯電碼發(fā)送。
|
希望一號衛(wèi)星的遙測信標信號每一次發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀，發(fā)送時間約40秒，然后停止發(fā)送10秒鐘，再發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀，周而復始。每個數(shù)據(jù)幀的遙測數(shù)據(jù)由星上微處理器實時更新，雖然希望一號衛(wèi)星現(xiàn)在僅有一臺信標發(fā)射機工作，但其優(yōu)異的設計及穩(wěn)定的性能使其成為業(yè)余衛(wèi)星中的長壽星，至今仍然在軌運行。
“希望一號”衛(wèi)星遙測信標發(fā)送時序如下：
圖2 希望一號衛(wèi)星的信標時序圖
圖3 希望一號衛(wèi)星的星下點軌跡
可以說，我國的業(yè)余衛(wèi)星計劃開始較晚，但一開始就得到了國家的大力支持，這也成為我國業(yè)余衛(wèi)星部署的特點：由國家相關(guān)部門牽頭，各公益組織或科研機構(gòu)和高等院校大力支持，后續(xù)的相關(guān)衛(wèi)星將在下一篇文章中詳細介紹。
2.我國開展的業(yè)余衛(wèi)星活動
我國的業(yè)余衛(wèi)星愛好者在與國外愛好者通聯(lián)的同時，也開展了各種各樣的具有中國特色的活動：一是開展中小學科普教育，二是鼓勵青少年參與航天器研制，三是由國家相關(guān)部門建設科普實驗基地。
（1）開展通聯(lián)競賽
國家體育總局聯(lián)合教育部、中國科協(xié)、共青團中央等部委已連續(xù)多年持續(xù)開展了“全國青少年業(yè)余無線電衛(wèi)星通信錦標賽”及相關(guān)的業(yè)余無線電活動。
圖4 青少年參與業(yè)余衛(wèi)星通信錦標賽
青少年業(yè)余衛(wèi)星通信相關(guān)的活動主要包括衛(wèi)星通信天線制作和衛(wèi)星信標抄收兩個部分，天線制作競賽由參賽選手在規(guī)定的時間內(nèi)，按規(guī)定的方案獨立完成VHF/UHF雙波段手持式業(yè)余衛(wèi)星通信八木天線的制作和調(diào)試，并當場提交書面制作報告。衛(wèi)星信標抄收競賽由參賽選手使用自制的天線，自備接收機和相關(guān)設備，在規(guī)定的時間和地點架設設備，本人手持天線跟蹤指定的業(yè)余無線電衛(wèi)星，完成信標信號的接收。業(yè)余衛(wèi)星通信的相關(guān)的競賽活動讓我國的青少年感受到了航天探索的魅力，近年舉辦的衛(wèi)星業(yè)余的相關(guān)賽事遍布華北、華東、華南等地區(qū)，詳見下表。
表2 全國青少年業(yè)余無線電衛(wèi)星通信錦標賽的舉辦地點
|
舉辦時間
|
舉辦地點
|
|
2010年
|
廣東省珠海市
|
|
2011年
|
安徽合肥
中國人民解放軍陸軍軍官學院
|
|
2012年
|
廣東省廣州市
|
|
…
|
…
|
|
2017年
|
北京市朝陽區(qū)
|
|
2018年
|
江蘇鎮(zhèn)江
|
|
2020年
|
河北保定
|
從歷年的參賽情況來看，選手既有小學生也有高中生，孩子們通過賽前的訓練和比賽過程，不僅學習了業(yè)余無線電、天文學、物理學和航天科技等方面的知識，同時又通過動手，學到了課本之外的知識。小朋友們在制作和通信中體會到了學習的樂趣，并且在活動的過程中培養(yǎng)了他們的探索精神，用競技比賽與科技體驗活動相結(jié)合的方式，彰顯出了我國衛(wèi)星業(yè)余無線電通信的獨特魅力。
衛(wèi)星業(yè)余無線電的信標首先被用于地面業(yè)余無線電愛好者跟蹤衛(wèi)星的運行。其次，衛(wèi)星信標信號通常包含有反映衛(wèi)星工作狀態(tài)的遙測數(shù)據(jù)，業(yè)余無線電愛好者通過解碼遙測數(shù)據(jù)可了解衛(wèi)星的工作情況。2010年和2011年舉辦的前兩屆全國青少年業(yè)余無線電衛(wèi)星通信錦標均使用了我國的第一顆業(yè)余衛(wèi)星HO-68（XW-1）。
（2）青少年科普活動
2016年，11月10日早上7點42分，我國第一顆由中學生參與研制的科普衛(wèi)星—“豐臺少年一號”暨“少年夢想一號”衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地搭載長征11號運載火箭成功發(fā)射升空。我國成為繼美國、俄羅斯、法國、日本、印度之后第6個發(fā)射由青少年參與研制衛(wèi)星并順利升空的國家。這是北京市豐臺區(qū)大力推進中小學生科技教育，提升青少年科學素養(yǎng)整合各方資源成立錢學森青少年航天科學院以來取得的階段性重大成果。
2011年，北京市豐臺區(qū)在中國運載火箭技術(shù)研究院等院士和知名專家的幫助下成立了錢學森青少年航天科學院，啟動了青少年“小衛(wèi)星計劃”項目。小衛(wèi)星發(fā)射升空工作是錢學森青少年航天科學院的一項重點工作，首顆小衛(wèi)星的樣星于2012年由北京十二中錢學森航天實驗班的同學研制成功。
圖5 北京市豐臺區(qū)中小學科技課程啟動儀式
“豐臺少年一號”暨“少年夢想一號”長10厘米、寬10厘米、高20厘米，重1.87千克，主體是黑色。該衛(wèi)星也是錢學森青少年航天科學院研制的第三顆青少年衛(wèi)星，主要用于錢學森青少年航天科學院開展中學生天地通聯(lián)實驗。小衛(wèi)星升空后，全世界的無線電愛好者都可以接收衛(wèi)星信號并接收語音信息。
圖6 青少年參加“豐臺少年一號”衛(wèi)星研制
來自北京十二中、北京十八中、北京市航天中學3所學校6名學生在專家龔萬驄（BAIDU）老師的指導下，參與這顆小衛(wèi)星的課題研究。他們利用周末和節(jié)假日時間，系統(tǒng)地完成了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、星箭分離、衛(wèi)星電源技術(shù)、星地無線電通訊、衛(wèi)星發(fā)射場的雷電探究與防治、衛(wèi)星軌道的分析和計算、太空環(huán)境對食用菌的影響等七個專題的學習，并參與衛(wèi)星研制、星箭匹配、衛(wèi)星測試，最終于11月10日成功發(fā)射升空。
“小衛(wèi)星計劃”項目旨在讓青少年參與研發(fā)衛(wèi)星發(fā)射升空，中學生參與衛(wèi)星設計、研制過程，將極大地提升學生的科學素質(zhì)，有效地培養(yǎng)學生的科技探究能力。隨著研究的推進，中國運載火箭技術(shù)研究院已經(jīng)同意將此小衛(wèi)星計劃打造成系列，“豐臺少年2號”小衛(wèi)星的功能將更加強大，在軌工作時間可以達到2年。
（3）建設科普基地
業(yè)余無線電的愛好者有自己的圈子，有自己開展活動的方式和方法，青年少朋友們也有相應的活動組織方式，但上述活動的開展沒有固定的時間、場所，也沒有相應的關(guān)聯(lián)性。國家無線電監(jiān)測中心作為無線電管理技術(shù)機構(gòu)，指導下屬單位北京東方波泰無線電頻譜技術(shù)研究所專門建設了業(yè)余無線電科普研學基地。
圖7 研究所建設的業(yè)余無線電科普基地
有了國家無線電監(jiān)測中心的技術(shù)支持，于2020年11月投入試運行的業(yè)余無線電科普研學基地，今后將在無線電通信技術(shù)、天文知識等多領(lǐng)域科學普及中發(fā)揮更大作用，通過科普帶動大家的科研探索興趣，努力讓公眾理解科學、熱愛科學、探究科學，培養(yǎng)科研人才，助力科技強國建設。
3.我國業(yè)余衛(wèi)星的管理
（1）我國的業(yè)余衛(wèi)星組織
1969年，美國的業(yè)余無線電衛(wèi)星組織（AMSAT-NA）在華盛頓特區(qū)成立。國際上很多國家都有自己的業(yè)余衛(wèi)星組織，如英國的AMSAT-UK、德國的AMSAT-DL、巴西的BRAMSAT和阿根廷的AMSAT-LU。我國也成立了相應的業(yè)余衛(wèi)星組織—CAMSAT，各國的業(yè)余衛(wèi)星組織都獨立運營，但也在很多大型項目上展開廣泛的合作。如早期美國的愛好者和澳大利亞、日本及歐洲的愛好者共同推進了業(yè)余衛(wèi)星通信活動成為一種無線電業(yè)務。
業(yè)余衛(wèi)星的發(fā)射和運營由我國的航天主管部門（國家航天局）審批，無線電頻率和軌道資源的審批由頻率主管部門（工業(yè)和信息化部）審批。為擴展衛(wèi)星業(yè)余無線電活動的影響力，在中國無線電協(xié)會的支持下成立了業(yè)余分會，業(yè)余衛(wèi)星的通聯(lián)和活動在中國無線電協(xié)會業(yè)余分會的指導下開展。
（2）我國的業(yè)余衛(wèi)星管理
在《無線電規(guī)則》和《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》中，對業(yè)余無線電相關(guān)活動有明確的定義：業(yè)余業(yè)務是指供無線電愛好者進行自我訓練、相互通信和技術(shù)研究的無線電通信業(yè)務。業(yè)余無線電愛好者系指定正式批準的、對無線電技術(shù)有興趣的人，其興趣純系個人愛好而不涉及謀求利潤。衛(wèi)星業(yè)余業(yè)務是指利用地球衛(wèi)星上的空間電臺開展與業(yè)余業(yè)務相同目的的無線電通信業(yè)務。
關(guān)于業(yè)余無線電臺的管理，我國在2012年出臺《業(yè)余無線電臺管理辦法》，該辦法涉及業(yè)余無線電臺的設置審批、業(yè)余無線電臺的使用、業(yè)余無線電臺呼號等內(nèi)容，并附有申請表格和電臺呼號說明。管理辦法第二十八條的第（二）款明確規(guī)定禁止利用業(yè)余無線電臺從事商業(yè)或者其他與營利有關(guān)的活動。
對于衛(wèi)星業(yè)余業(yè)務的開展，必須要保證其公益的屬性，讓愛好者和青少年朋友們從中受益，讓航天探索走近尋常百姓，讓科技創(chuàng)新和技術(shù)實踐成為我們走向星辰大海的力量源泉。
4.業(yè)余衛(wèi)星的未來展望
自從1961年第一顆業(yè)余無線電衛(wèi)星OSCAR-1升空以來，業(yè)余衛(wèi)星就受到來自全球大量業(yè)余愛好者的關(guān)注。無線電愛好者利用業(yè)余衛(wèi)星進行通聯(lián)、試驗，甚至在搶險救災的重要關(guān)頭發(fā)出珍貴的呼救信號。業(yè)余無線電衛(wèi)星通信是當今簡單、廉價而且能夠清晰的體驗衛(wèi)星通信全過程的有效手段。
OSCAR-1的成功充分證明了：業(yè)余無線電愛好者有能力設計和制造能可靠工作的人造地球衛(wèi)星，業(yè)余無線電愛好者有能力與航天發(fā)射部門進行技術(shù)協(xié)調(diào)，業(yè)余無線電愛好者有能力跟蹤人造地球衛(wèi)星，業(yè)余無線電愛好者有能力處理相關(guān)的科學和工程數(shù)據(jù)。
近年來隨著衛(wèi)星商業(yè)模式和微小衛(wèi)星制造產(chǎn)業(yè)的成熟，微小衛(wèi)星有了井噴式的發(fā)展，其廣泛應用于新技術(shù)驗證、科學實驗、科普教育、對地遙感和通信等領(lǐng)域。但與此同時，部分衛(wèi)星操作者違規(guī)使用業(yè)余衛(wèi)星進行商業(yè)運作，在業(yè)內(nèi)造成負面影響，甚至在國際上引發(fā)投訴事件。未來的業(yè)余衛(wèi)星將有如下的發(fā)展趨勢：
（1）衛(wèi)星平臺多樣：業(yè)余衛(wèi)星在向小型化發(fā)展的同時，也將出現(xiàn)更多的形態(tài)，既有單獨的專用業(yè)余衛(wèi)星平臺，也有與通信衛(wèi)星、導航衛(wèi)星、對地觀測衛(wèi)星等衛(wèi)星平臺結(jié)合的方式。
（2）組網(wǎng)方式豐富：以往的業(yè)余衛(wèi)星，多數(shù)情況下均為單顆衛(wèi)星獨立工作，未來將出現(xiàn)業(yè)余衛(wèi)星的隊列，甚至專業(yè)的業(yè)余衛(wèi)星星座。
（3）新技術(shù)含量高：未來的微小衛(wèi)星和業(yè)余衛(wèi)星，將廣泛應用于科學實驗、新技術(shù)、平臺設計驗證等方面。其中的典型代表為：2019年7月我國最新發(fā)射“北理工1號”，即是一顆微小業(yè)余衛(wèi)星，該星主要用于驗證“帆球”航天器技術(shù)和新型空間電臺技術(shù)。
圖8 北理工一號衛(wèi)星的運行效果圖
（4）研制周期短：未來的業(yè)余衛(wèi)星研制會大大壓縮，平臺化和專業(yè)化生產(chǎn)會讓業(yè)余衛(wèi)星項目立項、實施和運行的周期縮短。
（5）研制經(jīng)費低：現(xiàn)在通常百萬到千萬人民幣的數(shù)量級就可以研制一顆微小衛(wèi)星，未來批量化、模塊化生產(chǎn)讓成本更低。
（6）發(fā)射成本低：利用小型火箭批量發(fā)射，或搭載大衛(wèi)星作為次載荷發(fā)射，方式多樣，火箭技術(shù)的進步讓小衛(wèi)星的發(fā)射成本降低。
（7）合作方式豐富：國內(nèi)外各方的技術(shù)人員將加大合作力度的同時，國內(nèi)的科研機構(gòu)和商業(yè)航天公司也將會積極探索新的合作模式。
5.總結(jié)
從目前的情況來看，我國業(yè)余衛(wèi)星的操作者主要是科研院所、教育機構(gòu)（特別是高校）和新興衛(wèi)星運營商，主要用于科學實驗、試驗星驗證、科普教育等用途，從頻率上可以看出我國業(yè)余衛(wèi)星主要使用的仍是UV頻段。高頻段的厘米波甚至毫米波具有豐富的無線電頻率資源，將是未來開展業(yè)余衛(wèi)星的有利條件。
相信我國的業(yè)余衛(wèi)星活動會越來越豐富，隨著我國空間站的部署和火星探測活動的推進，我們將從太空走向深空。