介绍:OreSat,SatNOGS和UniClOGS

注:本文只是一份摘要,更详细的内容在这里

OreSat是美国俄勒冈州的首枚卫星, 属于美国宇航局(NASA)2017年立方体卫星发射计划的一部分,OreSat号将用于帮助俄勒冈州航空航天工程多学科之间的学习和交流,而且也将用于完成大气科学方面的研究,并且将作为试验台搭载远程无线网路,太阳能薄膜,和卫星平台技术。上述所提及的所有创新技术将以STEM为基础覆盖整个俄勒冈州甚至美国。

OreSat号是一个完全开源的立方星,有两个主要任务:通过业余无线电让全俄勒冈州的高中参与制作一个“来自太空的视频”,并开发一个多摄像机系统来调查全球高空卷云的分布情况。(更多信息请访问https://oresat.org/)

俄勒冈州第一颗人造卫星OreSat的CAD模型

OreSat采用UHF(436MHz)发射机(下行链路)和L波段(1.2GHz)接收机(上行链路)无线电系统。UHF下行链路是一个使用广泛的业余无线电频段,和大多数业余无线电卫星一样,它每隔几分钟就会使用莫尔斯电码(CW)和数传(G3RUH,即超过9600bps GFSK的AX.25)发送信标。全世界各地的业余无线电操作员都可以接收和解码这些CW传输,并通过卫星开放网络地面站项目(SatNOGS)接收他们的数字传输。

SatNOGS是一个为业余爱好者设计成的、开源的、非常便宜的、自主的地面站,用于跟踪和接收业余无线电卫星传输。目前,已经建立了数以百计的卫星地面站,连同一个用于协调接收的基于云的数据库,事实上,它已经成为了业余无线电卫星网络地面站。

SATNOGS网络最大的缺点:由于成本和全球监管问题,SatNOGS只接收。随着Oresat的出现,Oresat团队决定创建一个更大、更坚固和更有能力的SatNOGS地面站,该地面站将由一组持照的业余无线电操作员操作。因此,就有了University Class Open Ground Station(UniClOGS)项目。

波特兰州立大学工程大楼屋顶上的UniClOGS原型

UniClOGS旨在通过添加传输功能来扩展SatNOGS项目。由于每个立方星和立方星程序不同的,通过使用高端的Myriad RF LimeSDR软件定义无线电(SDR)构建得UniClOGS灵敏性也很高。当前的UniClOGS版本支持:

  • 下行链路(卫星到地面)
    • VHF(2m/145MHz)
    • UHF(70cm/436MHz)
  • 上行链路(地面到卫星)
    • VHF(2m/145MHz)
    • UHF (70cm /436MHz)
    • L波段(23cm/1265MHz)
  • 目前支持的业余无线电模式
    • L/u,L/v,U/v,V/u,U/u和V/v

与SatNOGS一样,UniClOGS硬件和软件也是完全开源的。可以在http://github.com/oresat 找到包含完整硬件和软件信息的Git库。

UniClOGS顶层设计

UniClogs被分为4个逻辑块:

  • RF前端:包括LNAs、PAs、滤波器和射频
  • SDR:Myriad RF LimeSDR提供3个Tx和2和Rx路径
  • 服务器:Linux服务器运行mod/demod流程图、控件跟踪、主机电源控制服务、主机仪表板服务器和存储IQ数据示例的Linux服务器
  • 用户界面:任何运行COSMOS控制面板和客户端Gnuraido流程图的PC(需要身份验证)。

UniClOGS的方框图

在物理上,系统被分成三个独立的部分:

  • 地面站的外壳
  • 服务器
  • 用户工作站

UniClOGS的详细设计

UHF组件集中在435到438MHz的卫星业余业务频段,并使用带有RHCP/LHCP开关的圆极化定向八木天线。VHF组件以144.30-144.50和145.80-146.00MHz卫星业余业务为中心,采用带有RHCP/LHCP开关的圆形极化定向八木天线。L波段组件集中在1260至1270MHz业余航空服务频段,仅用于上行链路,并采用RHCP圆极化2x2螺旋天线阵。

所有这些组件都安装在Yaesu G5500方位/仰角天线定位器上。RF同轴开关将UHF天线连接到用于接收的低噪声放大器(LNA)或用于传输的功率放大器(PA)上。然后将LNA和PA连接到提供UHF和RF输入和输出信号的LimeSDR上。将L波段天线直接连接到PA上,仅用于发射,然后再连接到相同的LimeSDR上,提供L波段射频信号。图4说明了该系统。

然后,LNA和PA连接到一个LimeSDR,该LimeSDR同时提供UHF和RF输入和输出信号。将L波段天线直接连接到PA上,只进行发射,然后再连接到相同的LimeSDR上,提供L波段RF信号。上图就说明了这个系统。

用于VHF、UHF和L波段的LimeSDR来自LimeMicro,使用GNURadio进行调制和解调。OreSat使用的发射类型为50kb/s的GFSK,选择该发射类型是为了在OreSat航天器上嵌入式收发器的功能,这是一个可接受的性能水平,由链路预算决定,在业余卫星社区中比较常见。然而,使用GNURadio可以很容易地实现其他发射类别。

地面站的外壳

UniClOGS地面站的所有组件都包含在NEMA-4设备箱中。这个箱安装在天线主杆的正下方,为天线系统提供最短的路径。天线使用1/2"50Ω的H馈管(Andrew FSJ4-50B)连接。所有组件都列在GitHub的物料清单中。

测试流程图

为了测试无线电子系统的软件方面,笔者使用了几个简单的GNURadio Companion流程图:使用MyriadRF的gr-limesdr LimeSuite Source和Sink块以及ZeroMQ PUB和SUB块。流程图的LimeSDR部分是无显示的,只是将原始的IQ样本发布到网络上。在笔者的工作站上,做了一个简单的测试,直接获取了无线电IQ样本,并尝试在指定的频率上进行FM解调。

无显示的LimeSuite Source测试

FM解调测试

补充信息

对于那些希望查看UniClOGS或希望自己做出类似系统的人,可以在GitHub Repos上获得更多信息: