[科普中国]-从“东方红”到“北斗”，人造卫星如何改变我们的生活？

1970年4月24日，中国第一颗人造地球卫星“东方红一号”发射升空，标志着中国成为世界上第五个用自制火箭发射国产卫星的国家。作为数量最多、用途最广、发展最快的航天器，各国航天事业都是以人造卫星为突破口向更高水平迈进的。首颗人造卫星的发射，无疑是中国航天史上的奠基性事件。40多年来，中国的航天事业取得巨大发展，载人飞船、空间实验室相继升空，还即将在2022年迎来中国空间站。但人造卫星依然是航天科技中不可或缺的一环。2016年3月8日，经国务院批复同意：将每年4月24日设立为“中国航天日”。全国各地将会举办各种各样的活动，让更多人认识航天、了解航天。今天，我们就从人造卫星入手，来了解一下中国航天科技的发展吧。人造卫星：航天领域的超级军团人造地球卫星简称人造卫星，是指环绕地球飞行并在空间轨道运行一圈以上的无人航天器。如何理解这个概念？这里先要区分航空和航天。因为很多人会将二者相混淆。简单而言，航空是指载人或不载人的飞行器在地球大气层内的航行活动，如热气球旅行、飞机飞行等。航天是指载人或不载人的飞行器在大气层外空间的航行活动，如卫星拍照、新视野号飞掠冥王星等。与之对应的，在地球大气层内飞行的就是航空器，比如气球、飞机；在地球大气层外飞行（基本按天体力学规律运动）的就是航天器，比如卫星、飞船。人造地球卫星可以说是最基础的航天器。就像其他航天器一样，人造卫星需要在运载火箭的推动下获得必要的速度进入大气层外空间，然后在引力作用下完成类似于天体的轨道运动。因为飞得高，飞得快，人造卫星可以突破地面地域的限制，获得非常开阔的视野。没有大气层的阻碍，亦能更好地观测地外空间（太空）。在1957年10月苏联发射世界上第一颗人造地球卫星之后，我国于1958年启动了卫星的预研工作，并在1970年4月24日成功发射第一颗人造地球卫星“东方红”1号。该卫星用无线电波发送“东方红”乐曲，是一颗听得到和看得见的人造地球卫星。至2019年，我国已经有将近200颗卫星在轨飞行并提供服务，数量位居世界第二。中国四大应用卫星系列：全方位改变生活早在本世纪初，我国的人造地球卫星就已形成四大应用卫星系列，即：近地轨道返回式遥感卫星、地球静止轨道通信广播卫星、太阳同步轨道和地球同步轨道气象卫星、导航定位卫星。我们或多或少都听过它们的名字。1、“东方红”通信广播卫星系列作为卫星通信系统的空间部分，“东方红”系列卫星无线电通信的重要中继站，主要为通信、广播、水利、交通、教育等部门提供各种服务。自1970年成功发射东方红一号卫星后，我国在1984年4月8日又成功发射了东方红二号，使中国成为了世界上第五个自行发射地球静止轨道通信卫星的国家。这也实现了覆盖全国的卫星信号传输，解决了当时的军用通信和远洋船只的通信问题，改变了国内边远地区通信落后的状况。目前，具有世界先进水平的中国新一代通信卫星——超大容量宽带通信卫星也计划于2019年发射。该卫星采用东方红五号卫星平台。据悉，该平台多项关键技术取得重大突破，并且，上面的绝大部分产品都将实现真正意义上的国产化。同时，在通信卫星应用方面，中国空间技术研究院正全力推进“鸿雁星座”（全球低轨卫星移动通信与空间互联网系统）计划，致力于在全球范围内提供移动终端通信、宽带互联网接入、物联网、热点信息推送、导航增强、航空航海监视等应用服务。通俗而言，鸿雁星座就是“把卫星作为互联网的节点，把互联网搬到天上去”，向全球用户提供“无死角”的高速上网服务。该系统最终将包含300颗低轨道小卫星。2、“风云”气象卫星系列气象卫星是一类可以从外层空间（太空）对地球及其大气层进行气象观测的卫星，能够向地面提供各种气象资料。它的观测范围非常广、次数多、时效快，且数据质量高，不受自然条件和地域条件限制，被广泛应用于日常气象业务（天气预报）、环境监测、防灾减灾、大气科学、海洋学和水文学的研究。我国目前已发射17颗气象卫星，包括风云一号、三号太阳同步轨道卫星和风云二号、四号地球静止轨道卫星两大类。太阳同步轨道卫星的飞行轨迹会经过地球南北两极，能够获取全球观测数据，每天扫描全球两次。而静止轨道卫星只能观测地球表面1/3的固定区域，但可做到高频次观测（小区域观测可达分钟级）。随着观测时间、空间分辨率的不断提高，我国的气象卫星已经从图像观测逐步升级到三维探测和全天候观测。可以想见，未来气象卫星还将继续在天气预报预警和气象研究方面发挥更大作用。3、“北斗”导航定位卫星系列“北斗”系列卫星是中国自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。该系统包括在中国境内服务的北斗一号、为亚太地区提供服务的北斗二号、以及正在建设中的为全球提供服务的北斗三号。2018年12月27日，国务院新闻发布会宣布，北斗三号正式提供全球服务。除了为公路、铁路交通及海上作业等领域提供导航定位和授时服务，北斗系统还加入了短报文传送（通信）功能。该功能允许用户通过卫星传送文字信息，让用户不仅知道自己的位置，还能将这个位置发送出去。这在远洋航行中有重要的应用价值。该功能在汶川地震救援和各种灾害救援中也起到了极大的作用，挽救了无数生命。根据系统建设总体规划，我国将于2020年前后完成5颗静止轨道卫星（同步卫星）和30颗非静止轨道卫星组网，全面建成北斗三号系统。该系统使用北斗系统独有的、由三种不同类型的轨道卫星（倾斜地球同步轨道卫星、中圆地球轨道卫星、地球同步轨道卫星）组成的混合组网设计，将有效增加亚太地区卫星可见数，为亚太地区提供更好的服务。4、返回式遥感卫星系列中国的返回式卫星系列称为FSW （Fanhui Shi Weixing）。该系列没有响亮的名字，却是航天家族中非常重要的成员。其特点是在轨道上完成任务后，部分结构会返回地面。我国自1966年开始研制，目前已经发射了25次，其中24颗卫星顺利入轨，23颗成功回收。这类卫星最基本的用途是照相侦察。比起航空照片，卫星照片的视野更广阔、效率更高。早期由于技术所限，必需利用底片才能拍摄高清晰度的照片，因此必需让卫星带同底片或用回收筒将底片送回地面进行冲洒和分析。各个航天大国都曾利用返回式卫星作军事侦察及国土普查用途。现在由于可从卫星上直接传送影像数据到地面，返回式卫星的功能又演变为进行需要回收实验品的空间试验室。中国神舟系列飞船的返回参数就大部分来自此种类型卫星的实验。可以说，返回式卫星是中国最成功的航天计划之一。中国是继美国、前苏联后，第三个有能力自行研发及发射返回式卫星的国家。更多卫星 更多可能除了这四大应用卫星系列，我国还有“资源”地球资源卫星系列，“实践”科学探测与技术试验卫星系列，海洋卫星系列等。其中，资源卫星是用于勘测和研究地球自然资源的卫星，可分陆地资源卫星和海洋资源卫星。凭借其上装载的多光谱遥感设备，它能“看透”地层，发现人们肉眼看不到的矿藏、历史古迹、地层结构，并能普查农作物、森林、海洋、空气等资源，预报各种严重的自然灾害，如火山喷发、河水泛滥、海岸变迁、森林大火等。我国已陆续发射了资源一号、资源二号和资源三号卫星。科学探测与技术试验卫星主要目的是探测地球空间物理参数性质、深空物理参数、宇宙射线、新材料性能验证试验等，极大地推动了中国空间物理研究。海洋卫星则主要用于为海岸带资源开发、海洋生物和资源的开发利用、海洋水色色素的探测、海洋污染监测与防治、海洋科学研究等领域服务。还有更多人造卫星系列，比如嫦娥系列探月卫星（嫦娥一号、嫦娥二号）、高分系列对地观测卫星等，在此无法一一列举。实际上，随着卫星技术的发展和应用需求的增加，现在的人造卫星功能越来越多，用途越来越广，已很难再简单分类。各个卫星系列的作用也经常有重叠之处，应用卫星也可以有科研用途。我们无时无刻不在享用着卫星的服务，电话、电视、地图、天气预报、上网等，都有卫星在背后默默支持。此外，我们还会在新闻中看到一些非常“硬核”的科学卫星，例如 “慧眼”硬X射线调制望远镜卫星、“悟空”暗物质粒子探测卫星、“墨子”量子科学实验卫星，以及今年将发射的用于探测引力波的“天琴一号”技术验证试验卫星等。这些“高端”成员看似离我们的生活非常遥远，但研究的都是我们宇宙中最基本的问题，关系着基础科学的发展，一旦获得突破，将对人类文明进程产生不可估量的影响。逐梦航天 合作共赢今年的“航天日”主题是“逐梦航天，合作共赢”，旨在号召广大科技工作者、航天工作者努力奔跑，争做新时代的追梦人和奋斗者，加快推动中国航天发展，并与世界各国一道，为和平利用太空、增进人类福祉贡献更多中国智慧、中国方案、中国力量。在此期间，全国围绕该主题举办了一系列活动，覆盖30多个省、自治区、直辖市以及香港和澳门两个特别行政区。大批航天展馆、设施、实验室、车间集中向社会公众和中小学生开放，一批院士专家走进大中小学，为青少年进行科普宣讲。同时，来自世界50多个国家的200多位专家学者和官员参加了在湖南举办的主场活动，共同交流和探讨后续的航天合作。相信未来中国航天还会不断爆发出新力量，我们会享受到越来越多、越来越好的卫星服务。作者 | 高佩雯 凝聚态物理博士审稿 | 张章 北京空间机电研究所 高级工程师文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国参考文献：1、 李红军等，《航空航天概论》，北京航空航天大学出版社（2011）2、 万志强、朱斯岩等，《认识航空》，化学工业出版社（2017）3、 宋笔锋等，《航空航天技术概论》，国防工业出版社（2006）