【火腿专题】80年代初条件简陋，他们是这样追踪卫星信号的，技术难度太高！
使用COMPETORE PET追踪卫星
文：克里斯·洛特（Chris Lott）
汤姆·纳尔迪（Tom Nardi）最近写的一篇有关使用基于6502的NES跟踪卫星的文章，使我回想起我80年代初在佐治亚理工学院从事高级项目的回忆。在我们的W4AQL俱乐部台站，我对业余无线电卫星产生了兴趣。听到信号从太空返回时感到非常激动，在多普勒加速时调整其速度，保持天线指向，同时与其他地球站进行简短对话或抄收航天器遥测信号，信号通常采用莫尔斯电码传输。
手动方式
T.S. Dr.提供的NASA预测公告
在互联网之前的时代，实现这一目标相当繁杂。首先，您需要有关每个卫星轨道的数据。这是通过签署NASA戈达德太空飞行中心的真实邮件列表获得的。每周大约两次邮寄一个信封，里面装有一叠NASA预报公告，上面装有您所要求的卫星。其中包含所谓的两线单元（TLE）设置格式的轨道参数，然后必须将其输入计算机进行处理。当我们与航天飞机通信时，我们将通过电话或传真从NASA内某人那里获得初步的和后来的实际TLE数据。
与对地静止通信卫星不同，业余无线电卫星通常在极地轨道上发射，这需要90至120分钟才能完成地球的一圈旋转。要通过这些卫星之一进行通信，首先我们需要知道特定的卫星何时会经过亚特兰大。
为了解决这个问题，我在校园大型计算机CDC Cyber 74上编写了一个Fortran程序，这是一天中真正的计算野兽。该程序传播了TLE数据给出的状态向量，并生成了经过亚特兰大的轨道清单。这些通过的特征是最大高度，通过的持续时间，AOS和LOS（获取/信号丢失）时间以及最接近距离的距离。我们将进一步过滤此列表，而忽略很短的通行证或在我们入睡或上课时发生的通行证–毕竟，我们在GA Tech的原因是要努力学习，不断接受海量知识直到毕业。
当今的卫星有两种流行的模式。模式A最容易用于大多数火腿们，上行链路位于2 m频段，下行链路位于10 m。模式J还使用了2 m的上行链路，但下行链路处于70 cm频段。典型的Ham卫星站将使用固定的水平环形天线接收10 m。 2 m和70 cm的天线通常是八木天线，安装在常见的可旋转仰角吊杆上，该杆本身安装在可以旋转方位角的垂直桅杆上。十米的接收非常简单，无需移动天线。但是，操纵八木天线是一项艰巨的任务。
典型的可操纵八木天线阵列，由格洛斯特县ARC提供，W2MMD
选择了合适的轨道后，接下来我们让那些八木天线沿着卫星的路径移动。在业余卫星站，这是一个完全开环的过程。您可以计算卫星在特定时间的位置，然后将天线驱动到太空中的那个点。如果您还记得以前的家用可操纵电视天线，那么在有线电视和流媒体播放之前，火腿电台小屋的布置非常相似。每个转子都有一个转子控制箱，带有一个指示方向的模拟仪表，当然，现代仪表是数字的。这些控制箱通常具有三个转向按钮：向左，向右和释放制动。
为了跟踪卫星，我们有几种可用的技术。一种方法是在地球的极地投影图上使用卫星地面轨迹和足迹的图形叠加。通过旋转地面轨道叠加层，使轨道参数与最酷的名称“上升节点的右上升”所匹配的轨道位置相匹配，我们可以直观地看到卫星在我们站上的路径。地面路径叠加层具有时间刻度线，足迹叠加层具有方位线和高程环。这种粗略的图形技术可在我们天线的宽波束宽度内提供跟踪卫星所需的基本信息。我们还必须使时钟与WWV或WWVH同步，那时没有网络时间协议。
第二种技术更为精确，但需要在学校计算机上操作。使用另一个Fortran程序，我可以打印所需轨道的时间，方位角和仰角表。操作员无需从图形叠加层中插入角度：数字清楚地显示在计算机的打印纸上。但是，从校园计算机获取这些数据并非易事。通常，我会访问校园内的计算机中心大楼，在终端上登录我的帐户，然后手动输入数据。执行后，程序将生成打印输出。
然后，我不得不在输出计数器处等待操作员将打印输出分离并分发给我们所有不耐烦的用户。当俱乐部获得带有内置声波调制解调器的便携式打印终端时，我们感到非常幸运。这意味着我们可以进入大型机并远程运行程序，并且无需使用校园计算机即可立即获得我们的轨道时间表和跟踪表，速度高达300波特！
虽然所有这些功能当然都在我们的掌握范围内，但它花费了大量的精力和预先的计划。虽然一个孤独的操作员可以与卫星通信，但两个人更好，一个人操作电台，另一个人操纵天线。我回想起这段时期的两个事件，这些事件促使我考虑了一个计算机控制的项目。首先，我们从一位EE教授那里接手了两台Commodore PET计算机。其次，我们在位于地下一层的棚屋中，在5楼的屋顶上控制设备时出现了问题。即使是正常的HF操作，也没有足够的电线来完成我们想要的所有事情，更不用说卫星跟踪了。
将PET应用于寻星轨道计算
我们将Commodore PET计算机从其标准出厂状态进行了修改。他们有完整尺寸的外接键盘，因此您不必使用Chiclet键。内部存储器已升级到32K RAM。我从1983年的报告中说，该扩展存储卡还具有两个通用的8位TTL输出寄存器，用于与外界通信。
如该图所示，PET计算机与两个设备进行对话，转子控制接口选择并操作转子箱，数字串行发送器（本质上只是一个UART）将串行数据发送到屋顶以远程控制各种设备。转子控制很有趣，因为我们在棚顶之间只有一根转子控制电缆。我必须用继电器实现8P3T开关，并在转子之间多路复用电缆。这意味着一次只能旋转一个转子，但这对我们的目的而言并不是严格的限制。
除了旋转器控制信号多路复用外，顶上还有很多辅助设备，这些辅助设备必须进行远程控制。如图所示，我们有RF同轴继电器来切换VHF / UHF天线极化，并在10 m和70 cm的下行链路信号路径之间切换。另外，必须打开和关闭前置放大器，下变频器和功率放大器。除了转子多路复用以外，尽管PET可以完全控制此接口上的所有内容，但大多数都是在卫星通过期间进行的静态设置。我们制作了一个UART接口，该接口连接到PET的TTL输出寄存器之一，以将该控制数据串行发送到屋顶进行控制。我手工绘制了所有原理图并手工粘贴了PCB图稿–那时还没有KiCad。
我很快就确定了对所有这些顶部装置进行PET控制的问题，这完全与卫星操作无关。PET并非24/7全天候运行，因此从盒式磁带启动和加载速度很慢。那些只需要控制屋顶继电器以进行HF操作的操作员并不想等待10分钟以上来启动PET。实际上，他们对此很在意。因此，我添加了一个手动控制面板来绕过PET。多年来，这种理念一直为我提供了很好的服务，计算机控制很棒，但是有时您需要手动控制，即使只是为了测试。
我们不需要封闭的循环
此设置仍然存在一个问题，您可能已经注意到没有反馈信号。PET有一种读取信号的方法，但是尽管尝试了多种方法，我们仍无法在有限的预算和有限的机械技能内获得足够稳定的反馈。具有积分反馈信号的方位转子将最容易监控。但是我们使用的仰角转子没有任何反馈。
我们尝试了一个长杆，底部带有铅块，并连接到电位计。当动臂在高度上上下旋转时，杆始终指向下方。纸上写的好主意，在实践中效果不佳。我们短暂地玩过同步电机，这真的很棒。将一台电动机的轴和另一台电动机的轴旋转穿过房间也旋转了相同的量，仅通过几根电线连接。但是即使对于我们特有的安装，即使是很少的电线也太多了。
最后，我得出结论，对于感兴趣的卫星和涉及的天线波束宽度，运行天线旋转控制开环是可行的。可以肯定的是，在通行证之前，程序检查高度引起了很多头痛，但是一旦通行证开始，它就会按需工作。我一直在不断调整天线旋转的计算机模型，包括数学模型和常数，如停滞时间，旋转速度，加速度等。这是一个粗略的解决方案，但在我们有限的预算范围内完成了工作。
Zenith交叉和三轴安装座
您可能会认为直接从头顶上方经过的卫星将是完美的，它离您的电台越近越好。好吧，这不一定好。问题在于，当卫星越过头顶并且仰角接近90度时，方位转子将突然不得不以极快的速度旋转以保持指向。有多种方法可以缓解这种情况-一种方法是接受一些指向误差，然后将天线围绕天顶旋转成一个小圆圈-该圆圈的直径取决于卫星的速度和转子的最大速度。
更为优雅的解决方案（但机械复杂）是添加第三个旋转轴。其中两个转子位于卫星通过之前，因此连接到第三个转子的天线臂垂直于轨道平面。这样，在卫星通过过程中仅使用第三个转子，而其他两个转子保持固定。
OSCAR卫星在哪里？
为PET提供与现实世界的接口仅是成功的一半。我仍然需要一种方法来计算卫星的位置。尽管电台屋子里拥有一台计算机非常棒，但PET计算机的功能却比校园大型机低数千倍。没有GUI，没有地球追踪图，仅在基于文本的状态屏幕上更新数据字段。
卫星跟踪屏幕，由Sherman Banks提供。
我记得软件开发中的一个主要问题。那时，我们无线电社群中有几个跟踪卫星的程序，我手工将其中一个受欢迎的程序输入到PET中。我联系了该程序的作者，以让他了解我的学校项目并获得他的许可。
但是令我惊讶的是，他回答“不，您不能使用我的软件”。对于不知道自己的局限性的年轻大学生来说，这只是一个小小的挫折。我去了GA Tech图书馆，查阅了几本有关轨道力学的书，并编写了自己的算法。令人惊讶的是，基本的开普勒定律和轨道方程式并不难理解和计算。当您求解与卫星的天线指向角时，它会导致超越方程。在大型机上解决该问题耗时数毫秒，但在PET上却很慢。在接下来的一个多月左右的时间里，我整个周末只能在家编程，对终生沉迷于咖啡因的饮食可乐产生了沉迷，并制定了一项工作计划。
升级版
屋顶设备的手动控制不直观。您实际上是在将地址和数据位切换到UART中。当然，可以对此进行改进，但是我们中的一些人开始质疑原始的“不能再将更多的电线布线到屋顶”约束。事实证明，确实需要付出一些努力。将较大的信号电缆拖到屋顶，并制作了改进的接口面板。此外，PET也在显示其年代久远，因此我们升级到了Commodore C64-带有软盘存储。我制作了一个新的，较小的转子控制接口，该接口连接到C64的用户端口，并通过继电器控制转子。
成功的通联
该系统虽然有点挑剔，但确实为我们服务了好几年。我们不仅能够通过业余无线电卫星进行通信，而且很自豪地我们通过一项名为SAREX的新计划联系了被允许从航天飞机运行的前两名宇航员。1983年11月，欧文·加里奥特（Owen Garriott）博士（W5LFL）在我们的哥伦比亚理工学院校友约翰·杨（John Young）博士的带领下，听了我们执行哥伦比亚STS-9任务的消息。我们也为自己最近的俱乐部校友Jim Worsham（W4KXY）感到自豪，他是摩托罗拉团队的成员，他设计并制造了加里奥特博士使用的定制电台。
由谢尔曼（Sherman Banks）提供的Owen Garriott W5LFL提供的QSL卡。
未来？