在回溯我國第一顆業(yè)余衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，本文分別對我國目前在軌的業(yè)余衛(wèi)星、已退役的業(yè)余衛(wèi)星及未來將部署的業(yè)余衛(wèi)星進(jìn)行梳理，總結(jié)我國發(fā)展衛(wèi)星業(yè)余業(yè)務(wù)開展的特點。
1. 我國在軌的業(yè)余衛(wèi)星
從AMSAT網(wǎng)站提供的愛好者通聯(lián)記錄來看，我國目前在軌的業(yè)余衛(wèi)星共計10顆，分別是XW-2系列、CAS-4系列、LilacSat-2、FMN-1，詳見表1。
上述衛(wèi)星中的操作者既有業(yè)余衛(wèi)星組織，也有商業(yè)公司，還有大學(xué)，豐富的參與單位為業(yè)余衛(wèi)星的相關(guān)活動開展提供了大量的機會和平臺。
1.1 XW-2（CAS-3）系列衛(wèi)星
2015年9月20日上午7點01分，希望二號系列衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心升空。該系列共有6顆衛(wèi)星，其中XW-2A為20公斤級的皮衛(wèi)星，XW-2B/2C/2D為3顆10公斤級的皮衛(wèi)星，XW-2E/2F為2顆1公斤級的立方星。
（1）XW-2A衛(wèi)星
XW-2A（CAS-3A）衛(wèi)星攜帶有U/V模式20kHz帶寬線性轉(zhuǎn)發(fā)器，運行在400km高度的太陽同步軌道。
圖1 XW-2A衛(wèi)星示意圖
（2）XW-2 B/2C/2D衛(wèi)星
XW-2B/2C/2D（CAS-3B/3C/3D）是一組相同的衛(wèi)星隊列，都攜帶U/V模式20kHz線性轉(zhuǎn)發(fā)器，運行在500km高度的太陽同步軌道。
圖2 XW-2B/2C/2D衛(wèi)星示意圖
（3）XW-2E/2F衛(wèi)星
XW-2E/2F（CAS-3E/3F）是兩顆小衛(wèi)星，同樣攜帶U/V模式20kHz線性轉(zhuǎn)發(fā)器，運行在500km高度的太陽同步軌道。
圖3 XW-2E/2F衛(wèi)星示意圖
下圖為希望二號系列衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器頻率配置情況。
圖4 XW-2E系列衛(wèi)星頻率配置示意圖
XW-2系列衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器頻率為業(yè)余愛好者廣泛使用的VHF/UHF頻段（145/430MHz頻段），該系列衛(wèi)星各配置了相同的線性轉(zhuǎn)發(fā)器，并配以相同的四分之一波長的單極鞭狀天線。每顆衛(wèi)星各配置一副UHF天線、一副VHF天線，如圖所示，詳細(xì)的頻率方案如下。
表2 希望二號系列衛(wèi)星的上行頻率
表3 希望二號衛(wèi)星的下行頻率配置表
希望二號系列衛(wèi)星采用一體化設(shè)計，將星上的電子設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、星載設(shè)備通用化、星內(nèi)設(shè)備無纜化。我國的相關(guān)機構(gòu)通過希望二號系列衛(wèi)星的研制，探索和實踐了皮納衛(wèi)星的初步應(yīng)用，實現(xiàn)了皮納衛(wèi)星在軌自主管理、多模式異構(gòu)備份等技術(shù)，初步建立了通用化、標(biāo)準(zhǔn)化皮納衛(wèi)星產(chǎn)品體系和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，為應(yīng)用型皮納衛(wèi)星的后續(xù)發(fā)展和使用奠定了基礎(chǔ)。
1.2 LilacSat-2（CAS-3H）衛(wèi)星
LilacSat-2（CAS-3H）衛(wèi)星，即紫丁香2號衛(wèi)星，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制，攜帶 V/U頻段的FM轉(zhuǎn)發(fā)器，目前運行在500km高度的太陽同步軌道上。LilacSat-2與XW-2系列衛(wèi)星使用同一顆長征6火箭以一箭 20 星的形式成功發(fā)射，下圖為紫丁香一號衛(wèi)星的星上結(jié)構(gòu)和功能模塊示意圖。
圖5 紫丁香一號衛(wèi)星的星載
測控收發(fā)信機A是采用IQ零中頻/低中頻架構(gòu)的V/U軟件無線電收發(fā)信機，可實現(xiàn)多通道收發(fā)及對多種射頻參數(shù)的靈活配置與切換，多模式業(yè)余無線電轉(zhuǎn)發(fā)器也在其基礎(chǔ)上實現(xiàn)。其下行模式包括：1.2/9.6 kbps BPSK、1.2 kbps MSK、1.2 kbps AFSK以及FM等，最大輸出功率27 dBm；上行模式包括AFSK、FM等。測控收發(fā)信機B是L/U頻段的FSK收發(fā)信機，可全雙工工作，其下行碼速率為1.2/4.8 kbps，最大輸出功率27 dBm。
紫金山一號衛(wèi)星主要目的在于構(gòu)建飛行軟件在軌試驗平臺，用于分析空間單粒子效應(yīng)對FPGA軟件功能和性能的影響。同時衛(wèi)星也基于星上電子設(shè)備，進(jìn)行全球航班ADS-B等狀態(tài)信息監(jiān)測和大型野生動物蹤跡跟蹤等任務(wù)。另外衛(wèi)星還攜帶了一個工業(yè)紅外相機，探索采用納衛(wèi)星進(jìn)行對地環(huán)境監(jiān)測的可行性和有效性。
圖6 紫丁香一號衛(wèi)星結(jié)構(gòu)圖
紫丁香2號衛(wèi)星的射頻系統(tǒng)包括測控收發(fā)信機A、測控收發(fā)信機B、GPS/BD2接收機、寬頻接收模塊和配屬的天線，組成框圖如圖所示。
圖7 紫丁香一號衛(wèi)星射頻系統(tǒng)組成框圖
紫丁香一號衛(wèi)星的UHF頻段天線由4根傾斜的1/4波長振子組成雙圓極化全向陣列；VHF天線和AIS天線為使用鈦鎳記憶合金材料的1/4波長展開天線；L頻段天線和BG2/GPS天線為微帶天線。
紫丁香一號的特別之處在于，該衛(wèi)星由哈爾濱工業(yè)大學(xué)的15名大學(xué)生設(shè)計建造，是大中小學(xué)生參與航天探索的有益嘗試。
1.3 CAS-4系列衛(wèi)星
CAS-4（ZhuHai-1/2）系列為搭載在遙感衛(wèi)星上的衛(wèi)星業(yè)余載荷，目前有CAS-4A/4B兩顆在軌衛(wèi)星。CAS-4A和CAS-4B 搭載在珠海 1 號星座中的兩顆遙感衛(wèi)星OVS 1A和OVS 1B上，于 2017 年 6 月 15 日發(fā)射，運行在500km高度的傾斜軌道上，衛(wèi)星配備U/V段線性轉(zhuǎn)發(fā)器（下行145MHz頻段/上行435MHz頻段），這兩顆微小衛(wèi)星還承擔(dān)著光學(xué)遙感的任務(wù)。
CAS-4A線性轉(zhuǎn)發(fā)器的下行頻率為145.87MHz，上行頻率為435.22MHz，遙測頻率為145.835MHz；CAS-4B線性轉(zhuǎn)發(fā)器的下行頻率為145.925MHz，上行頻率為435.280MHz，遙測頻率為145.890MHz。
圖8 珠海一號衛(wèi)星效果圖
CAS-4系列的兩顆衛(wèi)星是由民營航天機構(gòu)發(fā)射的衛(wèi)星，特別之處在于這兩顆衛(wèi)星搭載在遙感衛(wèi)星上，是另一種有益的嘗試。
1.4 FMN-1（FENGMANIU-1）衛(wèi)星
2018年2月2日15時51分，我國國內(nèi)首顆私人衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。衛(wèi)星發(fā)起者、御風(fēng)資本董事長馮侖表示，希望通過“風(fēng)馬牛一號”來實現(xiàn)衛(wèi)星和手機互動娛樂的結(jié)合，探索媒體的新玩法。“風(fēng)馬牛一號”外形外形尺寸為300mm*100mm*100mm，與鞋盒大小相仿，重量4公斤，功耗8W。它配備了4K高清全景攝像頭，可以呈現(xiàn)360度太空高清照片。“風(fēng)馬牛一號”衛(wèi)星是探索空間業(yè)務(wù)新應(yīng)用的一種嘗試，該衛(wèi)星搭載了業(yè)余無線電的載荷，能夠為全球的愛好者提供通聯(lián)的平臺，上下行頻率分別為145.945MHz和435.35MHz。
圖9 風(fēng)馬牛一號衛(wèi)星效果圖
“風(fēng)馬牛一號”是首次將衛(wèi)星作為媒介，以承載內(nèi)容為核心的一顆衛(wèi)星，衛(wèi)星還將攜帶童聲合唱版《千字文》進(jìn)入太空。衛(wèi)星進(jìn)入軌道后，配合地面的接收設(shè)備，能收到實時圖圖像。除了媒體的應(yīng)用和探索，還將推廣公益和航天教育。
圖10 風(fēng)馬牛一號衛(wèi)星效果圖
“風(fēng)馬牛一號”是世界首顆全景衛(wèi)星，作為首個媒介形式的衛(wèi)星，風(fēng)馬牛一號離大眾“既遠(yuǎn)又近”。通過科學(xué)技術(shù)，它跨越了時間和空間的障礙，為大眾傳來渺遠(yuǎn)太空的圖像和聲音。但它并沒有拉開距離感、降低普通民眾的參與度，而是作為新興媒介、以新型內(nèi)容激發(fā)起大眾的互動興趣。在衛(wèi)星發(fā)射前，風(fēng)馬牛團(tuán)隊發(fā)起了關(guān)于夢想語音的征集，收集到的祝福將隨衛(wèi)星上天，繞地球旅行后回傳到地面，僅這次活動就有上千人參與。
風(fēng)馬牛一號衛(wèi)星的成功離不開中國迅猛發(fā)展的民用航天技術(shù)，它也致力于公益活動和航天教育，形成良性循環(huán)。風(fēng)馬牛團(tuán)隊將獨家開發(fā)一套用于衛(wèi)星信號接收的硬件設(shè)備，并與國內(nèi)頂尖的青少年航天教育機構(gòu)合作，打造一系列基于衛(wèi)星信號接收的課程與興趣活動，激活大眾、特別是少年兒童對航空航天事業(yè)的興趣，讓衛(wèi)星所產(chǎn)生的社會意義和價值最大化。
2. 我國退役的業(yè)余衛(wèi)星
我國的衛(wèi)星業(yè)余業(yè)務(wù)發(fā)展迅速，至今有多顆衛(wèi)星退役，分別為、CAS-2、CAS-6、CAS-7系列，詳細(xì)如下。
2.1 CAS-2 系列衛(wèi)星
原計劃在2015年發(fā)射的CSA-2A1和CSA-2A2兩顆衛(wèi)星，由CAS-3系列衛(wèi)星取代。這個系列中的CAS-2T衛(wèi)星即豐臺少年一號衛(wèi)星，是一顆搭載了衛(wèi)星業(yè)余無線電載荷技術(shù)驗證衛(wèi)星。
圖11 豐臺少年一號衛(wèi)星示意圖
2.2 CAS-6 系列衛(wèi)星
CAS-6（Tianqi-1/TQ-OSCAR-108/TO-108）衛(wèi)星是一顆搭載有業(yè)余無線電載荷的引力波探測實驗衛(wèi)星，在2019年12月20日發(fā)射升空。該衛(wèi)星由東方號衛(wèi)星公司為中山大學(xué)和華中科技大學(xué)建造，衛(wèi)星尺寸為490mm×499mm×430mm，重量約35kg，搭載VHF頻段CW遙測信標(biāo)和U/V模式帶寬為20kHz的線性轉(zhuǎn)發(fā)器和大氣風(fēng)（Atmospheric Wind）探測器。
圖12 CAS-6衛(wèi)星測試圖
CAS-6衛(wèi)星搭載的長征11號運載火箭是我國首次嘗試在海上發(fā)射，具有里程碑意義。
2.3 CAS-7系列衛(wèi)星
CAS-7B(BP-1B)衛(wèi)星是一顆與教育相結(jié)合的業(yè)余無線電衛(wèi)星。中國業(yè)余衛(wèi)星組（CAMSAT）正在與北京理工大學(xué)（BIT）合作大學(xué)為衛(wèi)星的發(fā)射提供支持，北京理工大學(xué)的許多教師和學(xué)生正在參與衛(wèi)星的開發(fā)和測試，CAS-7B在2019年7月底發(fā)射進(jìn)入預(yù)定軌道。
在CAMSAT的幫助下，北京理工大學(xué)成立了業(yè)余無線電俱樂部（呼號：BI1LG），大學(xué)生通過學(xué)習(xí)業(yè)余無線電衛(wèi)星通信相關(guān)的知識，在體驗著無盡的樂趣的同時激發(fā)了對太空的向往，也為以后的學(xué)習(xí)提供了實踐基礎(chǔ)。
圖13 CAS-7衛(wèi)星實驗圖
CAS-7B為1.5U立方體衛(wèi)星，衛(wèi)星一面由直徑為500 mm，質(zhì)量約3kg的軟性薄膜球覆蓋，衛(wèi)星由氣動阻力帆被動控制軌道來保持穩(wěn)定，衛(wèi)星運行在300km高度圓軌道，軌道傾角42.7度。衛(wèi)星配備VHF天線：1/4波長的單極子天線，最大增益0dBi，位于+Y側(cè)；兩幅UHF頻段的1/4波長單極子天線的最大增益0dBi，位于衛(wèi)星-Z和+Z側(cè)。CW遙測信標(biāo)頻率：435.715MHz/20dBm，V/U調(diào)頻轉(zhuǎn)發(fā)器下行鏈路：435.690MHz/20dBm，帶寬16kHz，V/U調(diào)頻轉(zhuǎn)發(fā)器上行鏈路：145.900MHz，帶寬16kHz。
圖14 CAS-7衛(wèi)星飛行效果圖
作為一顆科學(xué)技術(shù)驗證微型衛(wèi)星， “北理工1號”衛(wèi)星完成兩項具有創(chuàng)新性的科研驗證任務(wù)，“帆球”技術(shù)和新型空間電臺技術(shù)。值得一提的是，這是我國第一次在太空發(fā)射任務(wù)中使用和驗證空間“帆球”技術(shù)。
“帆球”技術(shù)及基于“帆球”的柔性輕型航天器技術(shù)，是將柔性材質(zhì)的航天材料以折疊方式存放于衛(wèi)星艙內(nèi)，當(dāng)衛(wèi)星正常入軌之后，釋放柔性材料并展開膨脹成為球狀，球狀結(jié)構(gòu)的體積大于衛(wèi)星數(shù)倍，如同為衛(wèi)星展開一面風(fēng)帆。未來，“帆球”技術(shù)將直接服務(wù)于小天體探測等深空探測任務(wù)。BP-1B衛(wèi)星的備份星BP-1A預(yù)計將在2021年發(fā)射。
3. 我國后續(xù)的業(yè)余衛(wèi)星
3.1 CAS-5 衛(wèi)星系統(tǒng)
CAS-5系列共有兩顆衛(wèi)星，分別是CAS-5A和CAS-5B，原計劃在2018年發(fā)射。CSA-5A是一顆尺寸為6U的立方星，計劃搭載如下的業(yè)余無線電載荷。
上述轉(zhuǎn)發(fā)器中，除H/U模式的轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬為15kHz外，其余轉(zhuǎn)發(fā)器均為30kHz，計劃部署在軌道高度為530km、軌道傾角為97.5度的太陽同步軌道。
圖15 CAS-5A衛(wèi)星效果圖
CAS-5B衛(wèi)星是一顆質(zhì)量僅為0.5kg的飛衛(wèi)星（Femto-Satellite）計劃搭載UHF頻段的CW信標(biāo)，并與CAS-5A衛(wèi)星一同部署。
3.2 CAS-8系列衛(wèi)星
規(guī)劃中CAS-8衛(wèi)星系統(tǒng)是由亞太空間合作組織（APSCO）發(fā)起的學(xué)生小衛(wèi)星項目。APSCO于2008年成立，是一家總部設(shè)在北京的政府間組織，成員國包括孟加拉國、中國、蒙古、巴基斯坦、秘魯、泰國、土耳其和印度尼西亞。CAS-8衛(wèi)星項目由四顆衛(wèi)星組成，包括兩顆30公斤級的微衛(wèi)星一顆用于技術(shù)驗證的實驗微衛(wèi)星 CAS-8A 和一顆初級微衛(wèi)星CAS-8B，兩顆3U立方星CAS-8C和CAS-8D 。
CAS-8衛(wèi)星項目由北京航空航天大學(xué)牽頭，與中國業(yè)余衛(wèi)星組織（CAMSAT）合作，將業(yè)余無線電帶入該項目，并將共同帶領(lǐng)亞太空間合作組織其余7個成員國完成該項目。
CAS-8A 攜V/U線性轉(zhuǎn)發(fā)器、UHF頻段的CW信標(biāo)和 AX.25 4k8/9k6 GMSK遙測信標(biāo)以及S頻段192kbps GMSK圖像和4k8/9k6 GMSK遙測下行鏈路。
四顆衛(wèi)星預(yù)計的頻率分別是：
CAS-8衛(wèi)星將是我國首次設(shè)置星間鏈路的業(yè)余衛(wèi)星，是一種新的嘗試，為今后的業(yè)余星座的探索積累經(jīng)驗。CAS-8 項目旨在為亞太空間合作組織成員國的學(xué)生和教師提供空間技術(shù)學(xué)習(xí)和衛(wèi)星工程實踐的平臺，通過小衛(wèi)星的設(shè)計、研制、在軌飛行測試和應(yīng)用，提升成員國航天教育水平，與成員國共建“一帶一路”空間信息走廊，為亞太空間合作組織成員國航天教育體系發(fā)展貢獻(xiàn)力量。同時，CAS-8 衛(wèi)星將實現(xiàn) APSCO 八國通過太空共建業(yè)余無線電聯(lián)盟的協(xié)同效應(yīng)，為 APSCO 成員國青年學(xué)生增加新的科普工具，進(jìn)行自我培訓(xùn)、相互交流和技術(shù)考察，也為全球業(yè)余無線電愛好者提供了新的衛(wèi)星平臺。
4. 總結(jié)
從我國業(yè)余衛(wèi)星的發(fā)展歷程來看，我國的業(yè)余衛(wèi)星仍處于技術(shù)探索和積累階段，且多為搭載的方式，即在商業(yè)衛(wèi)星上搭載業(yè)余衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器，為愛好者提供通聯(lián)的平臺。
從業(yè)余衛(wèi)星的參與單位來看，既有衛(wèi)星業(yè)余組織，又有大學(xué)等科研機構(gòu)，可以說技術(shù)的先進(jìn)性和探索性具有重大的意義。
當(dāng)前我國的業(yè)余衛(wèi)星發(fā)展?fàn)顩r較好，不少商業(yè)衛(wèi)星搭載了衛(wèi)星業(yè)余的載荷，但商業(yè)氛圍濃厚可能會成為愛好者探索空間通信技術(shù)的障礙。