80年代初條件簡陋，他們是這樣追蹤衛星信號的，技術難度太高

使用COMPETORE PET追蹤衛星

文：克裡斯·洛特（Chris Lott）

湯姆·納爾迪（Tom Nardi）最近寫的一篇有關使用基於6502的NES跟蹤衛星的文章，使我回想起我80年代初在喬治亞理工學院從事高級項目的回憶。在我們的W4AQL俱樂部臺站，我對業餘無線電衛星產生了興趣。聽到信號從太空返回時感到非常激動，在都卜勒加速時調整其速度，保持天線指向，同時與其他地球站進行簡短對話或抄收太空飛行器遙測信號，信號通常採用莫爾斯電碼傳輸。

手動方式

T.S. Dr.提供的NASA預測公告

在Internet之前的時代，實現這一目標相當繁雜。首先，您需要有關每個衛星軌道的數據。這是通過籤署NASA戈達德太空飛行中心的真實郵件列表獲得的。每周大約兩次郵寄一個信封，裡面裝有一疊NASA預報公告，上面裝有您所要求的衛星。其中包含所謂的兩線單元（TLE）設置格式的軌道參數，然後必須將其輸入計算機進行處理。當我們與太空梭通信時，我們將通過電話或傳真從NASA內某人那裡獲得初步的和後來的實際TLE數據。

與對地靜止通信衛星不同，業餘無線電衛星通常在極地軌道上發射，這需要90至120分鐘才能完成地球的一圈旋轉。要通過這些衛星之一進行通信，首先我們需要知道特定的衛星何時會經過亞特蘭大。

為了解決這個問題，我在校園大型計算機CDC Cyber 74上編寫了一個Fortran程序，這是一天中真正的計算野獸。該程序傳播了TLE數據給出的狀態向量，並生成了經過亞特蘭大的軌道清單。這些通過的特徵是最大高度，通過的持續時間，AOS和LOS（獲取/信號丟失）時間以及最接近距離的距離。我們將進一步過濾此列表，而忽略很短的通行證或在我們入睡或上課時發生的通行證–畢竟，我們在GA Tech的原因是要努力學習，不斷接受海量知識直到畢業。

當今的衛星有兩種流行的模式。模式A最容易用於大多數火腿們，上行鏈路位於2 m頻段，下行鏈路位於10 m。模式J還使用了2 m的上行鏈路，但下行鏈路處於70 cm頻段。典型的Ham衛星站將使用固定的水平環形天線接收10 m。 2 m和70 cm的天線通常是八木天線，安裝在常見的可旋轉仰角吊杆上，該杆本身安裝在可以旋轉方位角的垂直桅杆上。十米的接收非常簡單，無需移動天線。但是，操縱八木天線是一項艱巨的任務。

典型的可操縱八木天線陣列，由格洛斯特縣ARC提供，W2MMD

選擇了合適的軌道後，接下來我們讓那些八木天線沿著衛星的路徑移動。在業餘衛星站，這是一個完全開環的過程。您可以計算衛星在特定時間的位置，然後將天線驅動到太空中的那個點。如果您還記得以前的家用可操縱電視天線，那麼在有線電視和流媒體播放之前，火腿電臺小屋的布置非常相似。每個轉子都有一個轉子控制箱，帶有一個指示方向的模擬儀表，當然，現代儀表是數字的。這些控制箱通常具有三個轉向按鈕：向左，向右和釋放制動。

為了跟蹤衛星，我們有幾種可用的技術。一種方法是在地球的極地投影圖上使用衛星地面軌跡和足跡的圖形疊加。通過旋轉地面軌道疊加層，使軌道參數與最酷的名稱「上升節點的右上升」所匹配的軌道位置相匹配，我們可以直觀地看到衛星在我們站上的路徑。地面路徑疊加層具有時間刻度線，足跡疊加層具有方位線和高程環。這種粗略的圖形技術可在我們天線的寬波束寬度內提供跟蹤衛星所需的基本信息。我們還必須使時鐘與WWV或WWVH同步，那時沒有網絡時間協議。

第二種技術更為精確，但需要在學校計算機上操作。使用另一個Fortran程序，我可以列印所需軌道的時間，方位角和仰角表。操作員無需從圖形疊加層中插入角度：數字清楚地顯示在計算機的列印紙上。但是，從校園計算機獲取這些數據並非易事。通常，我會訪問校園內的計算機中心大樓，在終端上登錄我的帳戶，然後手動輸入數據。執行後，程序將生成列印輸出。

然後，我不得不在輸出計數器處等待操作員將列印輸出分離並分發給我們所有不耐煩的用戶。當俱樂部獲得帶有內置聲波數據機的可攜式列印終端時，我們感到非常幸運。這意味著我們可以進入大型機並遠程運行程序，並且無需使用校園計算機即可立即獲得我們的軌道時間表和跟蹤表，速度高達300波特！

雖然所有這些功能當然都在我們的掌握範圍內，但它花費了大量的精力和預先的計劃。雖然一個孤獨的操作員可以與衛星通信，但兩個人更好，一個人操作電臺，另一個人操縱天線。我回想起這段時期的兩個事件，這些事件促使我考慮了一個計算機控制的項目。首先，我們從一位EE教授那裡繼承了兩臺Commodore PET計算機。其次，我們在位於地下一層的棚屋中，在5樓的屋頂上控制設備時出現了問題。即使是正常的HF操作，也沒有足夠的電線來完成我們想要的所有事情，更不用說衛星跟蹤了。

將PET應用於尋星軌道計算

我們將Commodore PET計算機從其標準出廠狀態進行了修改。他們有完整尺寸的外接鍵盤，因此您不必使用Chiclet鍵。內部存儲器已升級到32K RAM。我從1983年的報告中說，該擴展存儲卡還具有兩個通用的8位TTL輸出寄存器，用於與外界通信。

如該圖所示，PET計算機與兩個設備進行對話，轉子控制接口選擇並操作轉子箱，數字串行發送器（本質上只是一個UART）將串行數據發送到屋頂以遠程控制各種設備。轉子控制很有趣，因為我們在棚頂之間只有一根轉子控制電纜。我必須用繼電器實現8P3T開關，並在轉子之間多路復用電纜。這意味著一次只能旋轉一個轉子，但這對我們的目的而言並不是嚴格的限制。

除了旋轉器控制信號多路復用外，頂上還有很多輔助設備，這些輔助設備必須進行遠程控制。如圖所示，我們有RF同軸繼電器來切換VHF / UHF天線極化，並在10 m和70 cm的下行鏈路信號路徑之間切換。另外，必須打開和關閉前置放大器，下變頻器和功率放大器。除了轉子多路復用以外，儘管PET可以完全控制此接口上的所有內容，但大多數都是在衛星通過期間進行的靜態設置。我們製作了一個UART接口，該接口連接到PET的TTL輸出寄存器之一，以將該控制數據串行發送到屋頂進行控制。我手工繪製了所有原理圖並手工粘貼了PCB圖稿–那時還沒有KiCad。

我很快就確定了對所有這些頂部裝置進行PET控制的問題，這完全與衛星操作無關。 PET並非24/7全天候運行，因此從盒式磁帶啟動和加載速度很慢。那些只需要控制屋頂繼電器以進行HF操作的操作員並不想等待10分鐘以上來啟動PET。實際上，他們對此很在意。因此，我添加了一個手動控制面板來繞過PET。多年來，這種理念一直為我提供了很好的服務-計算機控制很棒，但是有時您需要手動控制，即使只是為了測試。

我們不需要封閉的循環

此設置仍然存在一個問題，您可能已經注意到沒有反饋信號。 PET有一種讀取信號的方法，但是儘管嘗試了多種方法，我們仍無法在有限的預算和有限的機械技能內獲得足夠穩定的反饋。具有積分反饋信號的方位轉子將最容易監控。但是我們使用的仰角轉子沒有任何反饋。

我們嘗試了一個長杆，底部帶有鉛塊，並連接到電位計。當動臂在高度上上下旋轉時，杆始終指向下方。紙上寫的好主意，在實踐中效果不佳。我們短暫地玩過同步電機，這真的很棒。將一臺電動機的軸和另一臺電動機的軸旋轉穿過房間也旋轉了相同的量，僅通過幾根電線連接。但是即使對於我們特有的安裝，即使是很少的電線也太多了。

最後，我得出結論，對於感興趣的衛星和涉及的天線波束寬度，運行天線旋轉控制開環是可行的。可以肯定的是，在通行證之前，程序檢查高度引起了很多頭痛，但是一旦通行證開始，它就會按需工作。我一直在不斷調整天線旋轉的計算機模型，包括數學模型和常數，如停滯時間，旋轉速度，加速度等。這是一個粗略的解決方案，但在我們有限的預算範圍內完成了工作。

Zenith交叉和三軸安裝座

您可能會認為直接從頭頂上方經過的衛星將是完美的，它離您的電臺越近越好。好吧，這不一定好。問題在於，當衛星越過頭頂並且仰角接近90度時，方位轉子將突然不得不以極快的速度旋轉以保持指向。有多種方法可以緩解這種情況-一種方法是接受一些指向誤差，然後將天線圍繞天頂旋轉成一個小圓圈-該圓圈的直逕取決於衛星的速度和轉子的最大速度。

更為優雅的解決方案（但機械複雜）是添加第三個旋轉軸。其中兩個轉子位於衛星通過之前，因此連接到第三個轉子的天線臂垂直於軌道平面。這樣，在衛星通過過程中僅使用第三個轉子，而其他兩個轉子保持固定。

OSCAR衛星在哪裡？

為PET提供與現實世界的接口僅是成功的一半。我仍然需要一種方法來計算衛星的位置。儘管電臺屋子裡擁有一臺計算機非常棒，但PET計算機的功能卻比校園大型機低數千倍。沒有GUI，沒有地球追蹤圖，僅在基於文本的狀態屏幕上更新數據欄位。

衛星跟蹤屏幕，由Sherman Banks提供。

我記得軟體開發中的一個主要問題。那時，社區中有幾個跟蹤衛星的程序，我手工將其中一個受歡迎的程序輸入到PET中。我聯繫了該程序的作者，以讓他了解我的學校項目並獲得他的許可。

但是令我驚訝的是，他回答「不，您不能使用我的軟體」。對於不知道自己的局限性的年輕大學生來說，這只是一個小小的挫折-我去了GA Tech圖書館，查閱了幾本有關軌道力學的書，並編寫了自己的算法。令人驚訝的是，基本的克卜勒定律和軌道方程式並不難理解和計算。當您求解與衛星的天線指向角時，它會導致超越方程。在大型機上解決該問題耗時數毫秒，但在PET上卻很慢。在接下來的一個多月左右的時間裡，我整個周末只能在家編程，對終生沉迷於咖啡因的飲食可樂產生了沉迷，並制定了一項工作計劃。

升級版

屋頂設備的手動控制不直觀。您實際上是在將地址和數據位切換到UART中。當然，可以對此進行改進，但是我們中的一些人開始質疑原始的「不能再將更多的電線布線到屋頂」約束。事實證明，確實需要付出一些努力。將較大的信號電纜拖到屋頂，並製作了改進的接口面板。此外，PET也在顯示其年代久遠，因此我們升級到了Commodore C64-帶有軟盤存儲。我製作了一個新的，較小的轉子控制接口，該接口連接到C64的用戶埠，並通過繼電器控制轉子。

成功的通聯

該系統雖然有點挑剔，但確實為我們服務了好幾年。我們不僅能夠通過業餘無線電衛星進行通信，而且很自豪地我們通過一項名為SAREX的新計劃聯繫了被允許從太空梭運行的前兩名太空人。 1983年11月，歐文·加裡奧特（Owen Garriott）博士（W5LFL）在我們的哥倫比亞理工學院校友約翰·楊（John Young）博士的帶領下，聽了我們執行哥倫比亞STS-9任務的消息。我們也為自己最近的俱樂部校友Jim Worsham（W4KXY）感到自豪，他是摩託羅拉團隊的成員，他設計並製造了加裡奧特博士使用的定製電臺。

由謝爾曼（Sherman Banks）提供的Owen Garriott W5LFL提供的QSL卡。

未來？

去年，我挑戰自我，以構建適合於Altoids的此項目的微型版本。現在，它一直處於備份狀態，直到我可以找到原始軟體的副本為止。敬請關注…

總結：

畢業幾年後，我與之共事的公司慷慨地讓我製造和銷售這個基於C64的跟蹤系統，其名稱不具有想像力，名為Satellite AutoTracker。

我不能過分強調這個項目對我的影響。通過衛星與另一個電臺進行對話的行為匯集了許多工程和科學學科，從軌道物理學和都卜勒轉換到學習建造PCB的微小細節，再到整個系統工程工作以使它們一起發揮作用。它們中的每一個本身都很有趣，但是當它們全部成功地結合在一起並工作時，它真是太棒了。

我在建立這個專案上學到了很多東西，但是似乎很有趣，因為它很有趣。夥計們，那是最好的學習方法。

source: hackaday.com