答：當年鎖定和跟蹤東方紅一號衛星用到了衛星上的什麼設備？
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空少問答
小課堂
第115期
5
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13
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一
答：當年鎖定和跟蹤東方紅一號衛星用到了衛星上的什麼設備？
上周六，空少為大家留了1個問題，來看看空少的解答以及從留言中選出的最佳答案吧！
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空少正解
1970年4月24日發射東方紅一號時，我們國家的航天技術還處在稚嫩、不斷攻關和探索的階段。中央當年對東方紅一號衛星的研製和發射工作的指示是「上的去、抓得住、看得見、聽得見」，其中「抓得住」指的就是地面能準確的對衛星進行鎖定、實時跟蹤、測定和預測其運行軌道。那麼，當年地面靠什麼鎖定和跟蹤東方紅一號衛星？應用到衛星上的什麼設備？對設備有什麼要求？
其實多年來衛星鎖定和跟蹤的原理並沒有改變，只是儀器在不斷升級，我們只是藉此機會就東方紅一號上對應的儀器進行簡單介紹，既是對該衛星的紀念，也是對基本原理的講解。我們會講的比較淺顯，不會涉及比較敏感或者不便公開的信息。本期要講的內容參考於汪志榮2014年公開發表於《中國科技史雜誌》的論文《「東方紅」一號衛星微波信標機的研製過程考析》。我們不討論那些回憶錄和檔案的內容，僅對其中涉及到的一些知識進行額外的講解。
東方紅一號衛星照片（來源：wiki，https://zh.wikipedia.org/wiki/File:DongFanghong_man_make_star.jpg）
要實現對衛星位置的跟蹤，就需要與其建立無線電的聯繫，故而衛星要搭載合適的無線電設備——信標機、應答機。也就是說，衛星需要能持續不斷發射穩定、特殊而又易於辨認、追蹤的無線電信號（信標），或者在收到地面信號時能用這樣的信號返回給地面（應答）。簡而言之，就是搭載在飛行器中提供自身位置信息的無線電電子設備。
說起來容易，做起來遠沒有那麼簡單。檔案中講到，科學家們研究了半導體技術，製成「能夠使102MHz的石英晶體起振基頻信號倍頻至2.448GHz，輸出功率達到25mW，效率高達15%，且頻率穩定度在10-4以上」的小型攜帶型固態微波源，在此基礎上開發出最後用於東方紅一號衛星的微波信標機。所謂微波，是指頻率為300MHz~300GHz的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，即波長在1毫米~1米之間的電磁波。
東方紅一號衛星及星內的信標機（來源：汪志榮，《「東方紅」一號衛星微波信標機的研製過程考析》，2014年）
讓我們來簡單聊一聊這裡面的技術難題：
（1）上一期空少課堂我們講的是多普勒雷達的原理，而地面測控系統對衛星進行測軌、定軌，其基本數據依賴的正是衛星搭載的信標機發射的信號所產生的多普勒頻移，所以，信標機自身發射的信號必須有很高的頻率精度和穩定度，不然多普勒頻移的計算就不那麼准了，而航天可是「差之厘毫、謬以千里」的。
（2）信標機發射的信號也要考慮地面接收和解析的能力。例如東方紅一號在當時選擇了信號傳播損耗小的10cm（S波段）信號作為優選頻率，同時信號的發射功率要大於100mW。
（3）衛星上搭載的儀器設備要受到衛星的限制，包括重量、體積、電壓、功率等。例如東方紅一號衛星當時要求信標機的電源功率不能超過8W。在受限制的重量和體積下既要保證滿足其他條件，又要保證結構的可靠性，還得能應付嚴酷的空間環境。
既然設備對頻率有要求，在有了能產生特定頻率的振源之後（也就是上文說的半導體微波源），就要對頻率進行「倍頻」。所謂倍頻，是利用電路，讓產生的輸出信號頻率是輸入信號頻率的整數倍。例如在東方紅一號上的信標機，當時利用到階躍恢復二極體、晶體三極體、變頻二極體等電路元件組成的倍頻鏈。感興趣的朋友可以搜索了解一下與倍頻有關的知識。
一種倍頻電路的例子（來源：https://electronicsproject.org/wp-content/uploads/2012/08/frequency-multiplier-using-the-565.jpg）
可是上文也說，東方紅一號衛星的信標機要求100mW的發射功率，結合衛星對儀器的限制，以當時的技術而言，需要儘可能減少信號的倍頻次數。最後製成的微波信標機，首先在恆溫槽內的石英晶振源產生4.77MHz的信號，然後經過晶體三極體被頻率對低頻信號進行的36次倍頻、功率放大、變容二極體倍頻鏈增加的2次倍頻、階躍管倍頻鏈對高頻信號的8次倍頻，這樣一系列的過程才能獲得滿足要求的、穩定而精確的信號。至於對儀器可靠性的一系列設計、模擬和修正，也是眾多科研人員努力付出的結果。
留言區·精選
@趙趙孟晨
東方紅衛星發射成功標誌著中國成為繼蘇聯、美國、法國、日本之後世界上第五個用自製火箭發射國產衛星的國家。
@Pluto初心
衛星上的儀器艙裝有電源、測軌用的雷達應答機、雷達信標機、遙測裝置等。對於「鎖定和跟蹤東方紅一號衛星的設備」這個問題，期待解答。
感謝大家的支持，我們下期再見！
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