各路“星神”

各路“星神”_跟我上太空

各路“星神”

在茫茫宇宙中，人们把环绕恒星运行的天体称作行星，把环绕行星运行的天体称作卫星。地球是太阳系的八大行星之一，因此，我们就把由人类将其送上环绕地球运行轨道的航行器，称作人造地球卫星。自前苏联于1957年，美国于1958年，法国于1965年，日本、中国于1970年相继发射了各自的第一颗人造地球卫星以来，迄今有以千计的五花八门的人造卫星在“宇宙公海”里“漫游”。它们是人类开发太空的“绝对主力”，不仅种类繁多，千姿百态，而且是发射数量最多的一类航天器，约占人类已发射航天器总数的90%以上，并已形成了科学卫星、应用卫星和技术试验卫星“三足鼎立”之势的三大家族和通信、导航、气象、资源、科学、军事应用和深空探测等卫星系列。它们根据各自的功能，在太空大显神通，直接造福于人类，已在社会、经济、军事、科研等领域创造了巨大的效益。

一、太空的中转站——通信卫星

1958年12月，美国精心研制的第一颗有源实验型通信卫星——“斯科尔”发射成功，1962年6月美国又开始部署实用型通信卫星的研制，当1964年美国发射“辛康－3”地球静止轨道卫星获得成功后，充分显示了卫星通信具有覆盖范围大、通信容量大、传输质量高、机动性好、生存力强和经济、成本低等优点，从而引起世界各国广泛重视，纷纷投入了大量人力、物力来进行开发活动，导致了新的卫星通信时代的到来。迄今，国际通信卫星系统已成为世界上最大的通信卫星网络，国际通信卫星组织已拥有140多个成员国，使用该组织卫星的国家或地区已达170多个，遍布全球的地球站达600多个，开通全天时国际通信线路1500余条。另一国际性通信卫星组织是国际海事卫星组织，已拥有60多个成员国。欧洲通信卫星组织于1983年开始发射欧洲通信卫星，作为欧洲各国间的主要卫星通信系统。其他如中国、印度、加拿大等国都有各自的国内通信卫星。由于同步卫星通信特别适合于军队平时、战时的通信联络和自动化指挥系统的建立，美国、俄罗斯、英国和北大西洋公约组织等，都已建立各自的军用卫星通信系统。

国际通信卫星V

通信卫星的容量和传输质量因为集成电路、卫星能源和大功率电子器件等技术的不断进步而有了飞速进步。如最初的国际“通信卫星1号”，卫星上只有2台转发器，通信容量为240条双向话路或1路电视。20世纪90年代使用的第6代国际通信卫星，转发器已增加到58台，通信容量达到12万条话路和3条彩色电视信道，寿命达13年。与此同时，地面接收站的小型化也给卫星通信展示了更大发展的前景，并产生了难以估量的社会效益和商业利益。

通信卫星

地平线通信卫星

目前的卫星通信已能为社会提供上百种以上的服务，除电报、电话、传真、数据传输、电视广播、远距离教育、无线电广播和海事移动通信外，还能提供电视电话会议、数据广播、应急救灾、遥远医疗、银行汇兑、电子文件分发、报刊印刷、电子邮政、资料检索与传送以及计算机联网等业务。同时，卫星通信也运用到军队系统当中，并延伸到作战指挥、武器控制、情报处理、后勤指挥及军务管理等各个领域，大大提高了现代高技术战争的水平。由于地球只有一条位于赤道上空3．6万公里高的静止轨道，随着卫星通信业务的蓬勃发展，迄今安排各国的通信卫星位置即将挤满，故而科学家又提出了通过分布在地球低轨道上的多颗小通信卫星实现全球通信的设想，现已设计出5种可行的空间网络。其中，于1991年正式提出的由66颗卫星组成的低轨道铱星全球通信系统工程已开始启动。1997年5月5日，美国麦道公司研制的“德尔塔Ⅰ型”运载火箭从加利福尼亚空军基地首次将5颗铱星送入太空，已于1998年年底基本完成系统组网，并投入运行。这样，由美国摩托罗拉公司研制的“铱星”群和个人便携式电话组成的全球移动通信系统，已实现对地球表面任何一处“天衣无缝”的覆盖。无论你走到地球的任何地方，是陆地、海洋还是天空，只要你利用入网的便携式移动电话，拨出对方号码，“铱星”系统便可自动在全球为你搜索接通。“铱星”体积小，重量轻，又是低轨道运行，不仅发射费用低，工作可靠，又不依赖其他地面通信设备，其发展前景，已引起世界各国的高度重视。

二、丈量地球的能手——测地卫星

俗话说“站得高，看得远”。卫星高居于上百公里以上的高空，一眨眼就可看到数万平方公里以上的范围，测地卫星所能看到的范围远非地面和航空观测所能比拟的。再加上现代高技术设备的飞速进步，对地观测时，除采用一般的光学摄影外，还广泛采用各种波长的遥感仪器和合成孔径雷达等作为遥感手段，这好比如虎添翼，不仅能“眼观六路”，而且配有能洞察秋毫的一副“火眼金睛”。对地观测卫星主要有气象卫星、资源探测卫星和侦察卫星三大类。

测地卫星

诺阿卫星拍摄的台风云图

气象卫星主要用来观测气象。据美国权威人士透露，气象卫星的经济效益不可估量。该国每年用于气象卫星工程的投资约3亿美元，而通过气象卫星的服务所产生的效益，可折算成每年增产或减少灾害损失达20亿美元，投资效益比为1∶7。而前苏联也声称，气象卫星的投资效益比高达1∶10。被称之为“巡天千里眼”的气象卫星按运行轨道可分为两类：一类是太阳同步轨道气象卫星。由于卫星是逆地球自转方向与太阳同步，沿着太阳早升晚落的方向运行，每圈都要经过地球两极上空，故又称极地轨道气象卫星。卫星运行高度通常为数百公里，可观测全球的气象数据，供中长期数值天气预报用；另一类是与地球保持同步运行，相对地球是静止的地球静止轨道气象卫星。这类卫星轨道比较高，观测范围更广阔，通常用于对同一地区进行长期、持续观测，及时提供有关天气预报数据。卫星对云图的拍摄也有两种形式，一种是借助于地球上物体对太阳光的反射程度而拍摄的可见光云图，只限于白天工作；另一种是借助于地球表面物体温度和大气层温度辐射的程度不同，形成红外云图，可以全天候工作。显然，两类卫星和两种云图的合作可谓天衣无缝，即可起到取长补短、相得益彰的作用，又可以提高气象预报的准确效果。

美“泰罗斯号”气象卫星

当美国于1960年4月1日发射了世界上第一颗气象卫星“泰罗斯号”，揭开了航天气象观测第一页以来，紧随其后，美国、前苏联、法国、中国和日本等国也相继发射了100多颗气象卫星。这些卫星与遍布全球数以千计的气象卫星地面接收站，构成了一个全天候气象观测网，随时给天气预报工作提供精确可靠的图片和资料。迄今，气象卫星有的已发展为以气象为主的多用途对地观测卫星，不仅用于提高天气预报精度和准确度，还可用于海洋观测、冰雪和水文监测、庄稼生长以及病虫害和土壤情况的监测等，为国民经济的发展起着举足轻重的作用。

欧洲第一颗实用气象卫星

“风云一号”气象卫星

欧洲第一颗地球资源卫星

资源探测卫星常用于对地球资源和海洋环境的勘测，以及对某些自然灾害的监测，资源探测卫星又分为地球资源卫星和海洋监视卫星等。如果说气象卫星为了及时对变迁的大气层进行大面积和多次数的观测，它注重的光观测仪器必须有较大的视场角，而对其分辨率没有过高要求的话，那么地球资源卫星对观测仪器的性能选择则恰恰相反，它希望卫星上的光谱扫描仪对地面的分辨率要高，而相对地可以缩窄观测幅宽。最有代表性的地球资源卫星有美国于1972年发射的“地球资源卫星－1号”，后改为“陆地”卫星系列，和法国的“斯波特”卫星。这两种卫星都具有较高的分辨率。其中，美国的“陆地资源”卫星分辨率为30米，地面测绘带宽为172公里，重访一次的时间间隔只需16天。“陆地”卫星系列的地面接收处理台站现几乎已遍布全球各地，对世界各国的资源勘探、掌握和利用起到很好的作用。

法国地球资源卫星

法国的“斯波特”卫星分辨率高达10米，但其沿轨道的地面测绘带比“陆地资源”卫星要窄，使重访某地的周期增至26天，补救的办法是使卫星上的多光谱相机在必要时可以侧摆，通过调整视角来观测相邻轨道的目标，这样可做到对某些特定地区每两天半便可重复观测一次。据了解，我国和巴西合作研制的中巴地球资源卫星也属此类。地球资源卫星对发展国民经济的作用重大，如前苏联曾利用卫星获取的资料发现若干个金刚石矿，在第聂伯—顿涅茨的沼泽地区发现大油田。美国通过卫星勘察，在南非发现一个世界上最大的镍矿，在撒哈拉大沙漠找到巨大的沙下古河道和多个淡水源。

地球资源卫星为人类管理好地球

被称作“耳目双全”的海洋监视卫星，也是一种重要的对地观测卫星，它既能获取图像信息，又能截听电子信号，主要用于掌握海洋水文资料等环境状况和可能的变化，这对及时掌握他国海军在海洋中的活动情况，提高本国海军的远洋作战能力，避免或减少海洋环境对海上作业的不利影响以及对测算海洋浮游生物分布、探测鱼群走向、预报渔讯等有重要意义。

“宇宙－1500”地球资源卫星

海洋监测卫星

侦察卫星

号称“太空间谍”的侦察卫星，是对地观测卫星中最为兴旺的一个“家族”，在全球已上天的数千颗卫星中约占1/3的数量。侦察卫星的种类繁多，大体分为照相侦察卫星和电子侦察卫星两大类。

第三代预警卫星

第四代“大鸟”侦察卫星

世界上第一颗照相侦察卫星是“发现者1号”，该颗卫星是美国研制并于1959年2月28日发射的。自1962年春进入实际应用以来，已先后发展了五代。第一代、第二代为“发现者”系列，第三代为“萨莫斯”系列，1966年投入使用。第四代是取名为“大鸟”的“普详结合型”侦察卫星，1971年开始使用。它既能大范围监视，也能“低近观察”；既能以无线电方式发送侦察结果，也能以回收方式对信息进行收集，因而誉满全球。第五代是1976年开始使用的“锁眼－11”和“锁眼－12”，其特点是采用无线电实时传送数字图像信息，利用率高，工作寿命长达3年。前苏联于1962年发射第一颗照相侦察卫星“宇宙4号”后，也先后发展了五代。第一代由“东方号”载人飞船改装，工作寿命8～10天；第二代由“上升号”载人飞船改装，工作寿命12天；第三代由“联盟号”载人飞船改装取名“宇宙251号”，工作寿命13天，突出特点是具有机动变轨能力；第四代是由第三代改进而成，工作寿命达28～44天；第五代于1984年投入使用，是一种长寿命，实时传输型的照相侦察卫星，性能和美国的“大鸟”相近，工作寿命长达200天以上。

美国在研制发射卫星的科研领域中，贡献是卓越的。世界上第一颗电子侦察卫星也是由它们送入太空的。从1963年8月至1984年底，美国共发射36颗“普查型”电子侦察卫星，这种体重只有60公斤的“小间谍”通常作为照相侦察卫星和子卫星一起发射。从1964年5月至1971年7月，美国还发射过17颗“详查型”电子侦察卫星，重量接近两吨，故通常用运载火箭单独发射。美国曾用这种卫星于1968年截获前苏联出兵捷克的有关情报信息。从1973年3月起，美国开始发射由美、英、加、澳四国共同开发的“流纹岩”号电子侦察卫星，能截获微波通信、长途电话和无线电信号等，曾用于监测和截获前苏联和中国的导弹遥测信号。从1979年起，美国还发展了第三种电子侦察卫星“P－11”，主要针对中国、前苏联的防空雷达进行窃听，同时也用于核查限制战略武器的执行情况，成绩真是斐然。对此前苏联也不甘示弱，从1967年10月至1984年底，共发展了三代“宇宙号”电子侦察卫星，主要用于电子和雷达信号侦察。1987年，前苏联开始使用新一代的“宇宙号”海洋学/电子侦察卫星，该星为“一星多用”，既进行海洋研究和冰情观察，又肩负电子侦察任务。

侦察卫星是军事领域中不可缺少的重要武器。迄今为止，美、俄两国70%以上的重要军事情报，都靠侦察卫星获得，这对在战争中了解敌情、出奇致胜尤其重要。如在海湾战争中，美国使用的“KH－12”型侦察卫星，可在数百公里高空侦察到地面10厘米大小的目标。一种名叫“长曲棍球”的侦察卫星可在不良天气下，侦察到1600公里以外的目标和探测到地下几米深的物体。而取名“漩涡”和“大酒瓶”的两种通信侦察卫星，可在近4万公里的高空监视敌方的无线电通信，它们同地面侦听站配合，甚至可以了解到伊拉克军事小分队的交谈情况。侦察卫星还可用于导弹预警。海湾战争中，美国“爱国者”导弹能频频击中伊军的“飞毛腿”导弹，同侦察卫星及时提供“飞毛腿”的弹道数据和分布情况也是分不开的。美国有如此先进的卫星“武器”不领先世界第一也难。

三、太空的导航台——定位、导航卫星

导航卫星

卫星导航定位系统

卫星定位导航是如何运作的呢？下面我们将作详细的阐述，首先是由地面物体、海上舰船或天上飞机等，通过无线电信号沟通自己与卫星之间的距离，用距离变化率计算出自己在地球上或空间的位置。当得知自己的位置坐标及其变化后，即可进一步知道自己的航向，从而引导自己向预定的目标前进。在古代，人类只能利用在天空中闪烁的北极星和北斗星的星光，为自己指引方向。后来我国发明的指南针曾为军队的行军作战和船只在海上的航行作出过历史性的贡献。在人造卫星出现之前，还出现了多种建立在近代科学技术基础上的无线电导航系统，虽然它远远超出自然星象和古老指南针的作用效果，但应用范围小，定位精度低。只有定位、导航卫星的出现，才解决了大范围、全球性以及高精度、快速定位的问题。当今卫星定位、导航已远远凌驾于其他导航系统之上，成为保证航行安全、提高运输效率，以及进行大地测量、资源勘探等不可缺少的一种重要手段。二次世界大战以来，各种新式武器和装备的出现，对精确定位导航提出了新的要求，从客观上大大刺激了卫星定位、导航技术的飞速发展。20世纪60年代初，美国为了解决“北极星”导弹核潜艇的精确定位问题，于1960年4月和1963年12月成功地发射了“子午仪”导航卫星的试验型和实用型。该卫星系列采用双频测速多普勒导航体制和近地极地圆形轨道，由4～5颗星组成，轨道高度为700～900公里，定位精度50～100米，定位程序时间为10～12分钟，地面控制设备由四个跟踪站、一个座标计算中心、一个时基中心和两个数据注入站组成，具有全天候、全球覆盖的导航能力，该站于1964年正式为“北极星”潜艇导航。

“子午仪”导航系统虽功能齐全、神通广大，但由于定位时间间隔长，不能提供连续定位信息，用户设备又过于复杂，使用起来又不方便，于是美国于1978年开始发射了一种以卫星为基础的无线电导航系统，称为导航星/全球定位系统，简称GPS。GPS是由美国海、陆、空三军强强联手，耗资100亿美元共同研制的，历时20年，被誉为与“阿波罗”登月飞船、航天飞机齐名的美国三大航天工程。GPS由18颗导航卫星组网于20世纪90年代初完成部署。这18颗卫星分别配置在6个2万公里高的圆形轨道上，倾角为63°，运行周期为12小时，可以保证全球任何地方的用户始终都能至少看到4颗导航卫星，以确保其导航精度。

GPS系统由三大块组成，分别是空间部分、控制部分和用户部分。空间部分即24颗卫星，它们以周期0．5恒星日绕地球运行，持续不断地向地球发出卫星的轨道数据和时间数据等为定位计算所需要的导航信息。控制部分即对GPS卫星进行跟踪和管制的地面控制站，用于跟踪GPS卫星的轨道参数，并负责修正卫星发出的导航信息，协助整个GPS系统的运行管理。用户部分就是用户的接收装置，用户通过接收来自若干个GPS卫星所发的无线电信号，再测定卫星发出的信号时间和用户收到这一信号的时间差，即可得知用户同卫星的距离。由于卫星在太空的位置事先已经知道，这样，只要计算出用户距3颗卫星的距离值，即可确定自己在地球某一点的位置。当然，对于处在三维空间的飞机而言，光知道经度、纬度还不够，还需接收GPS的第4颗卫星发来的信号来确定自己所处的高度。

GPS的用户接收装置只有50克重，携带非常方便，就像随身带的一包香烟。GPS的每一个卫星都搭载有30万年误差不超过1秒钟的原子钟，因此，GPS发送的P和C/A两种信号精度都是相当高的。

由于GPS可全天候工作，用户数量不受限制，可连续向全球提供三维位置信息，用户只接收，不另发送任何信息，隐蔽性也很好，故在军事上、汽车导航、个人导航以及航空、航海中导航都得到广泛使用。此外，GPS还特别适合于大地测量，以及用于地形地貌研究、地震预报和火山喷发预报等。