自己动手制作气象卫星碟形天线

在无线电天文学领域一试身手。

美国政府建议每个人都准备一个灾难应急包，其中就包括一个天气无线电。这类无线电可调频到美国国家海洋和大气管理局及联邦通信委员会运营的全国性网络，从而接收有关危险天气和其他重大紧急情况的警报。其他通信系统失灵时，这种广播就可能会带来生机。但如果能更进一步，不仅可接收音频信息，还能收到图像、图表和书面报告，哪怕在完全断电的情况下也能做到这一点呢？

事实证明，在现代地球同步气象卫星的加持下，我们确实可以做到这一点。借助KrakenRF新研发的“探索碟”（Discovery Dish）系统，实现这一目标更是前所未有地简单。使用该系统需要花115美元购买一个直径为70厘米的碟形天线，然后花109美元购买一款可覆盖不同频段的可交换馈源。为了测试这个系统，我买了一款适合接收L波段卫星传输信号的馈源，又买了一款馈源专门用于探测银河氢云辐射的无线电。

碟形天线由3块花瓣状金属片和一些辅助零部件组成，这些零部件用于固定馈源和将碟形天线安装在支架上。所有组件都是用螺母和螺栓固定在一起的，所以都可以拆卸和重新组装。花瓣状金属片很轻，而且可以紧密地叠在一起。因此，如需外出在其他地方使用这套系统，完全可以把它们装在手提箱里。

除了KrakenRF的碟形天线和馈源，还需要一个软件定义无线电（SDR）接收器和一台装有解码软件的电脑，以便解码来自馈源的信号。可以使用的软件定义无线电有很多，但我需要的是内置了偏置器的软件定义无线电，否则就需要自行添加一个偏置器。偏置器用于为KrakenRF馈源中使用的低噪声放大器供电。我使用了推荐的价值34美元的RTL-SDR Blog V3（USB接收器形式）来搭配MacBook，你也可以将个人电脑或树莓派作为主机。

将L波段馈源插入碟形天线后，就该寻找卫星了。按照KrakenRF的指南，我使用了卡尔·莱曼（Carl Reinemann）的Web应用程序，根据我的位置打印出了地球同步气象卫星的方位角和仰角清单。然后，我带着便携式业余无线电天线的支架爬上了我在纽约的公寓屋顶，打算将它用作支架。但我发现这个临时支架可能禁不住屋顶的大风，所以又从屋顶下来了。为了减少空气阻力，天线上设计了很多孔，但风还是有可能会吹倒便携式支架，把它卷到大楼的另一侧。

几天后，天气条件更平静了，我将iPhone作为指南针和倾角仪，把天线指向了GOES-East气象卫星的坐标。这颗卫星运行在西经75度的赤道上空，与纽约市的经度很接近；另一颗卫星GOES-West则位于西经135度的太平洋上空。

美国国家海洋和大气管理局与美国国家气象局50年来运营过一代代堪称无价的气象卫星，这两颗GOES卫星都属于第四代航天器。最新一代的首个卫星名为GOES-R，于2016年发射，相比前一代在很多方面都有升级。对于无线电爱好者来说，最重要的升级就是它的下行广播功能。

前几代卫星的最大传输速度只有128千兆比特/秒，而GOES-R卫星则能以400千兆比特/秒的速度传输数据，因此可以包含更多信息，例如来自全球其他气象卫星的图像。这些卫星还能将卫星图像数据、紧急情况和天气信息合并到一个链路中，由一个接收器同时接收，而不是像以前那样需要两个接收器。

为了精确调整碟形天线的指向，我通过SatDump内置的频谱分析仪观察了信号。SatDump是一个开放软件包，专门用于解码软件定义无线电接收器接收到的卫星传输信号。无论我怎么调整天线，都几乎无法接收到强度高于噪声的信号，我不由得发起了牢骚。但让令人惊讶的是，我竟然看到显示器上慢慢形成了一幅地球的图像。

最初的GOES-R设计规定，接收信号的地面碟形天线的直径必须至少达到1米，但KrakenRF团队的成员围绕一个新型的超低噪声放大器构建了馈源，让更小的碟形天线收集到的较弱信号也能使用。很快，我就收到了多种不同波长的地球照片，有的是未经处理的原始照片，有的是伪色图像，有的叠加了州和国家/地区的轮廓线，有的则没有叠加。此外，我还获得了显示不同地区降雨情况和风速的各种其他图表。

接下来我要做一些无线电天文学测试，把L波段的馈源换成银河氢发射馈源。获得结果所需的过程要漫长得多：首先，我必须将碟形天线对准银河系之外的一小片天空以获得基准数据（我在Stellarium天文学网站的帮助下完成了这项工作）。然后，我把碟形天线对准正上方，等待地球自转使银河系进入视野。从噪声中提取信号的过程很慢，因为必须整合通过接收器获得的5分钟数据。但最终它形成了一条漂亮的曲线，表明我仍然安全地处于银河系旋臂的怀抱中。我还可以完成远比这更复杂的无线电天文学测试，特别是在将碟形天线安装在扫描平台上来生成二维地图的时候。不过，我还是换回了L波段的馈源，就是为了从3.6万公里之外领略我们星球的惊艳景象！

文章来源于悦智网，作者Stephen Cass

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