TRACKING SATELLITES: THE NITTY GRITTY DETAILS
如果你想收听卫星，你必须能够在它们飞过天空时跟踪它们。当我第一次开始跟踪业余卫星时，计算卫星在天空中的位置是挑战的一部分。如今，这是微不足道的。剩下需要做的是所有极其重要的真实的细节。让我们看看一个典型的火腿卫星跟踪设置，看看它们是如何联系在一起的。
天线转台（旋转器）
机器人、3D打印和CNC机器的普及导致了廉价的电动机和驱动器的泛滥。很难想象用于旋转天线的电动机会有什么特殊之处，但事实上，天线旋转器是非平凡的工程设计。大多数挑战都是机械的，而不是电气的——它们所驱动的天线可以是巨大的，具有显著的风荷载和旋转惯性，而且非常重。转子设计必须考虑轴承、天气暴露、各种负载，而不仅仅是旋转。通常，在有风的情况下，需要刹车来保持天线指向。
早在20世纪50年代，康乃尔杜比利尔电子公司（Cornell Dubilier Electronics）就已经有70多年的历史了，你知道它是一家电容器制造商，它在50年代开始为电视天线制造这些旋转器。我有点惊讶地发现，除了改进的电子控制之外，你今天可以买到的旋转器系统与我们在20世纪80年代使用的旋转器没有太大不同。
这些旋转器系统往往非常强大，因为高频天线可能很大。幸运的是，在业余卫星通信的情况下，只需要小型八木天线。这简化了设计，只要天线的等效表面积和重量小得多。商业制造商已经开发了双轴旋转器组合，例如下面的Yaesu型号，它更紧凑，更易于安装。但有些人可能会认为，这会让安装过程失去乐趣。
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对于这些人来说，较小的尺寸和较不严格的要求意味着自制旋转器触手可及，适合这种环境。此外，现在的一些卫星跟踪站是便携式的，可以在一小时内安装在摄像机三脚架上，几乎不需要防风雨。如果整个三脚架在损坏之前倾倒，可能会损坏轴承的强风就不太令人担忧了。
自己做的最后一个好处是，将一个正常的旋转器压在仰角轴上可能很棘手。传统的旋转器设计为垂直操作。将一个转向侧面可能不起作用。在这里，旋转自己的设计可能比调整现有旋转器更容易。在互联网上浏览卫星跟踪设计，或者自己设计。使用三脚架，不用担心天气和风，享受看到固件在天空中移动天线的乐趣。
可以忽略一个循环
将天线旋转到命令位置表示一个控制回路。但还有一个传统上被忽略的控制回路：你的射频波束是否真正指向卫星？获取反馈以关闭这一环路是一个更困难的问题，幸运的是，在火腿卫星通信中，这是一个不必要的问题。但对于好奇的人来说，过去有两种方法可以解决这一问题，都需要卫星发出稳定的信号作为信标。
一种技术是围绕预期的指向角度不断“摆动”天线。让摆动圆的直径为天线的3dB波束宽度。现在，用一个单独的接收机来监听信标信号（别忘了它还必须跟踪多普勒），观察信号强度与抖动的关系，你可以得到跟踪误差。如果你完全在轨道上，信号强度不会随摇摆而变化。但是，如果你偏离了轨道，那么信号将发生变化，并且可以从这种变化中推算出指向误差。这在机械和电气方面增加了设计的复杂性。考虑到用于火腿卫星操作的天线的大波束宽度，这种晃动将是一种疯狂的景象。这种跟踪方式更适合于质量更轻、更容易摆动的较小波束宽度天线。
或者更好的是，虚拟地摇摆。不必赘述细节，您可以通过在相控阵接收机中使用多个天线来计算离轴角。但如果你想应用这种技术，你至少需要四个天线而不是一个。
为什么计算的位置会出错？事实是，这很少出错。卫星轨道建立良好，其参数经常更新。事实上，它们通常是校准程序本身的组成部分。如果您的台站时钟准确且其位置准确，那么唯一真正的误差将是天线系统：反馈误差、天线杆方向误差以及RF波束与天线机械轴的对准错误。幸运的是，典型的火腿卫星天线的宽波束宽度意味着可以在不需要采取特别措施的情况下获得成功。
天线：交叉的YAGIS和极化
你经常看到用于卫星通信的八木天线以“X”字形排列，称为“交叉八木”。其原因是为了适应不同的信号极化，无论是在条件变化的过程中，还是在卫星到卫星的变化中。最好的情况是当发射信号到达时具有与接收天线完全相同的极化。更糟糕的情况是，如果两个极化是正交的——比如说，你有一个水平极化的天线接收来自垂直极化天线的信号。理论上，你不会听到任何声音——完全不匹配。这与我们都熟悉的偏振光滤光器是相同的概念。
我使用了到达极化这一术语，因为信号在穿过大气层时可以被修改。当卫星天线从头顶经过时，它本身也可能在移动。有几个技巧可以解决这个问题。一种是使用45度角的单个天线。然后我们将始终接收H和V极化信号，但两者都会有3dB的损耗。另一种方法是根据需要物理旋转八木偏振以匹配输入信号。这可以手动完成，也可以通过电机完成：概念上还要考虑另一个旋转“轴”。
但更常见的方法是使用安装在同一吊杆上的两个雅吉斯。您可以使用RF继电器在H和V之间切换以获得最佳信号。或者，您可以通过添加相位延迟线和组合器获得圆极化，继电器将允许您在顺时针或逆时针旋转之间切换。这里的数学非常疯狂，但底线是任何线性极化都会耦合到损耗为3dB的圆极化天线，无论其角度如何。
辅助设备
由于VHF和UHF频率下的电缆损耗，您通常需要在天线处而不是在棚屋中定位附加设备，如功率放大器、接收器前置放大器、RF继电器和电源。这些东西需要电力、控制和状态反馈，这将不可避免地增加卫星站控制器的复杂性。除了可能将主电源安全地送至屋顶之外，这些问题今天比1980年代更容易解决。
运行35年后，一切都在正常工作
控制传统旋转器并没有太大变化。你基本上通过将继电器与开关并联来模拟人类按下按钮。如果你有一个现代化的控制器，可能会更容易。上述Yaesu旋转器具有RS-232接口，可控制方位角和仰角。它甚至有一个位置与时间的内部表，你可以用卫星通行证预先加载，让智能旋转器驱动天线。但这剥夺了自己构建追踪器的所有乐趣。
至少从成本角度来看，我认为没有理由再制造开环系统了。现在有很多方法可以关闭指向循环。一种技术是使用MEMS芯片，例如TDK的MotionTracking或ST Microelectronics iNEMO系列芯片，Ted Yapo去年曾写过这些芯片。另一个想法是使用监控摄像头和计算机视觉算法来计算指向角度（尽管您可能需要在天线上放置一些战略性的LED以进行夜间操作）。或者你可以用通常的方法，在每个轴上安装一个位置传感器。通常，反馈信号将通过电线发送，电线必须跨越旋转接头。虽然这种反馈可以通过无线方式发送，但增加几根电线并不是一个真正的问题——你已经需要电缆来为旋转器供电和控制，当然也需要RF同轴电缆来连接天线。
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当我在网上和一些C64的人谈论我的追踪器恢复项目时，我意识到我的旧追踪器程序UI是多么愚蠢。但今天，使用各种库和数据集，您的程序可以轻松地实时可视化绘制卫星数据。我甚至能够在OpenSCAD中快速绘制卫星轨道。
一个巨大的进步是从NASA获得卫星跟踪数据的便捷性。在邮件或BBS系统的调制解调器链接中不再有纸质表格，只需点击几下鼠标并连接互联网即可获得卫星参数。
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