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1957年10月4日,正值东西方阵营冷战巅峰时刻,斯普特尼克1号(卫星1号,Sputnik)从苏联拜科努尔航天中心秘密升空。在短短10余分钟后,人类首枚航天运载火箭将这颗卫星送入太空,铺天盖地的新闻瞬间从苏联涌向全球,震惊世人。
地球从此进入了人造地球卫星时代:在此前的超过45亿年内,地球只有一颗天然卫星,月球。斯普特尼克1号,成为人类这种智慧生命送给地球母亲的另一颗卫星。它揭开了一个人类航天史的大幕,截至2020年,已经有超过1万个人造物体在环绕地球。
它带给世人的冲击是惊人的,尤其是西方阵营的领导者,美国。卫星进入太空后,距离地球最近仅为215千米,只需要96分钟就能围绕地球一周,这也代表着它的轨迹之下,一定有美国本土或海外领地。从当天的标题就能够准确的看出这种冲击:《苏联首个卫星进入太空,以18000英里时速环绕地球,每天从美国上空经过4次!》。
轰轰烈烈的航天竞赛开始。对于卫星而言,它确实拥有一系列地球表面人造飞行器远远不具备的优势:
1.卫星一旦被送入轨道后,地球引力便会起到向心力效果,在没有干扰情况下卫星几乎能无限时间围绕地球飞行。例如,中国在1970年发射的东方红1号卫星,至今仍在飞行。
2.绝大部分卫星在太空中可以方便从太阳获得能量,完全不受天气等因素影响,而太阳的能量是近乎无穷的。这在某种程度上预示着卫星的寿命基本只取决于元器件的寿命,美国著名的GOES-3卫星曾经在太空中持续工作了38年(1978-2016)!而大名鼎鼎的旅行者一号和二号,则依靠核电池在太空已经工作了45年、且仍在工作,它们在飞出太阳系的路上!
3.卫星运动速度极快,对于环绕地球的卫星而言,一般在3.6-7.7千米/秒之间,很快就能绕地球一圈。它的高度也一般在200-36000千米之间,“站得高看得远”。它收集信息的速度远超于任何一种传统方式。
早期的卫星大都处在航天技术验证阶段,它们的基本功能也仅是广播和简单科学实验等。但很快它的各种潜力被开发出来,随人类航天走过63年,卫星的家族也慢慢变得广,分类方法更是多种多样。本文主要从应用方面做区分,目前的卫星种类主要有以下这些。
顾名思义,通信卫星就是现代社会的传递信息的“烽火台”和“千里马”,它的本质工作是将信息高效准确在用户之间传递。而人类需要的信息种类可以用海量来形容,电视和直播数据、移动通信数据、广播数据、互联网数据,甚至月球和火星上着陆器/巡视器的科学研究数据,都需要通信卫星负责传递。因而,通信卫星是人类研究最早、研究最为深入、种类最为繁多的卫星类型。
按照不一样的需求,通信卫星使用的轨道面也囊括了几乎所有类型。最为人所知的是位于赤道上空35786千米的静止地球轨道,轨道周期与地球自转同步,从地面看来是永远固定的“烽火台”,适合大型通信卫星工作。且由于登高望远,一颗可覆盖约40%地球面积,仅需要三颗就能实现全球覆盖,著名的中星系列、天琏系列、鑫诺系列都是做此用途。
俄罗斯由于高纬度地区领土辽阔,无法通过静止地球轨道有效服务,发射了极具特色的闪电轨道通信卫星,让卫星长时间滞留北半球高纬度地区上空。近些年的低轨通信卫星网络也非常火热,SpaceX的星链计划部署40000余颗卫星提供全球互联网服务。而中国发射到月球的鹊桥号,和即将发射到火星的天问一号任务环绕器,本质上也起到信号中继的作用。
通信卫星是一种典型的用户-卫星-用户双向信息传递模式,导航卫星是通信卫星的衍生应用,不过目前全球的主流导航卫星都是卫星-用户单向信息传递方式。卫星仅需要向地面不断播报自身的精确位置和时间,用户接收到超过3颗卫星数据时,就可算出与卫星的精确距离,从而建立方程组解算出三维坐标和时间信息。由于用户全程不需要跟卫星互动交流,理论上讲用户数量是无限的,这就好比电台不需要在乎有多少用户在收听。导航卫星一般部署在距离地球20000千米附近的高空,每隔约12小时绕地球一圈,24颗足以满足理想的定位服务要求。
导航卫星的应用价值极大,它能轻松实现全天候、全天时、全球覆盖的高精度导航定位授时服务,已经完全颠覆了人类个人出行和物流的方式,人类已经完全没有办法离开美国GPS、中国北斗、欧洲伽利略、俄罗斯GLONASS等著名的系统,也培养出了巨大的商业应用市场,甚至远超通信卫星市场。
值得一提的是中国北斗卫星导航系统,经过26年的发展,已经于2020年6月完全建成。它是唯一包括中远地球轨道和同步地球轨道(倾斜+静止)的系统,其中同步地球轨道能够给大家提供类似通信卫星的双向信息传递的短报文服务,独具特色。
地球上几乎所有的陆地生物都只能生活在大气层的底部,对流层,这里的天气云波诡谲,变幻莫测。对于对气象极其敏感的行业,例如农林牧渔,天气的预报精度是决定性的。而气象卫星有它独到的优势:飞得高,一览众山小。因而,气象卫星几乎是人类进入航天时代后第一时间开始研发的重要卫星类型,且经过这么多年的发展,已经完全融入了每个人的生活,甚至当你看天气预报时,根本就没有意识到是它的功劳。
在实际应用中,定位于赤道上空静止地球轨道的气象卫星非常非常重要,它可以稳定凝视固定的大片区域。例如,风云四号卫星可以实时在各种波段观测整个中国大陆,由于视角固定,任何一丝相对的变化都可以审视清楚。然而由于距离地球表面太远(35786千米),很难观察清楚细节。因此还需要搭配低轨极地轨道卫星,高度仅850千米左右的风云三号系列,可以在100分钟左右绕地球一圈,数颗卫星就可以实现对中国高时效高分辨率的“明察秋毫”。这些年来中国在农林牧渔和防灾减灾领域的极大突破,它们功不可没。
相比巨大的地球,人类的活动范围其实就是微不足道的,城市建成面积甚至不足陆地面积的1%,更何况还有更为广袤的海洋。人类的各种探索工具,汽车、轮船和飞机,也根本不可能进行全覆盖、高时效性的全面观测。航天时代提供了绝佳的方案,通过大量低轨卫星(300-2000千米高)携带各类科研仪器,它们能在极短时间内飞过地球一圈。且卫星寿命通常能长达数年,能长期稳定提供海量观测数据,远超于人类的任何一种其他工具。
典型应用如高分系列、资源系列、海洋系列,它们在国土勘查、资源勘探、防灾减灾、农林牧渔等领域发挥了巨大的作用,是人们安居乐业生活背后的守护神。
科学是人类探索未知领域的钥匙。由于人类有太多的未知,科学的种类也自然五花八门。航天时代的到来,也同样颠覆了无数科学领域的发展模式。例如天文学、物理学、地球科学领域,在进行地面实验时,它们往往深受大气层、地球重力、地表空间环境等因素干扰。进入太空之后则是完全不同的情况,这里基本上没有重力、没有大气、还有最原始的太阳和宇宙辐射环境,且能够登高望远,最大限度记录真实的数据。
例如大名鼎鼎的太空望远镜系列,哈勃、施皮茨、赫歇尔、盖亚、开普勒等,极大拓展了天文学发展。中国同样如此,悟空和慧眼等让我们有机会看到宇宙深处的秘密。而在地球重力场、全球磁场、大气研究、地表地下水循环、冰架冰川变化、气候变迁等领域,众多科学卫星不仅实现了前所未有的覆盖,也实现了前所未有的精度。返回式卫星的出现,也允许农业育种、高新材料制备、生物实验等在太空进行后,返回地球进一步处理,极大丰富了相关行业的发展空间。
科学类探测器也是人类研究宇宙中邻居的最好工具,人类把科学探索的脚步送到了月球、太阳系八大行星、众多矮行星和小行星、彗星、太阳,甚至在飞出太阳系的旅途中。这些目标深空的科学类探测器也成为最好的人类使者。
人类航天的出发点是服务于军事的V2导弹/火箭,后续的很多任务定位亦是如此,可以说军事卫星是所有卫星种类出现的基本出发点。因而军用卫星基本涵盖了所有的上述种类。不过相较而言,军事卫星的最大特点是极度昂贵,它不仅要追求极致的性能,也要追求极致的安全性,例如抗干扰能力等,这导致军用卫星的价格让人咂舌。
军用卫星也换回了相应的价值,也造福了民用领域。例如,大名鼎鼎的锁眼系列早在70-80年代就能返回超高清的军事基地图片,以至于后续的哈勃太空望远镜就是在它的基础上改进而来的民用版本,一直服役30年之久。而哈勃望远镜几乎以一己之力,推动了人类天文学大飞跃。普遍的使用的GPS系统,直到今天依然是隶属于美国空军的军用系统,只不过开放了部分民用而已。
很多问题必须从更高的维度解决,很多问题只能从更高维度解决。彭天放的《卫星技术》科普课程里有个提法我很喜欢:
如果没有卫星,人类只能是一个二维动物,生活在一个球膜之上,是卫星让人类成为一个三维动物。
地球的直径是12756 km,米格-25和SR-71也就飞行到三万多米。30/12756=0.00235183...何况,像737这样大规模使用的飞机实用升限也只有一万多米。而地球同步轨道(geosynchronous orbit)的高度是35786,是地球直径的三倍。
人类只要是一个不断地进步的物种,探索更高的维度,更广的领域是历史的必然,其具体过程的偶然性无论是处于军事科技,还是超级大国争霸都是这个必然性的一个注脚。
具体的卫星发展历史分类,知名航天答主太空精酿回答的很好了。我这里仅补充几个例子吧:
遥感卫星、电子侦察的发展,基本取代了侦察机入侵他国领空进行侦查的方法,降低了大国之间直接冲突甚至擦枪走火的可能。
1972年尼克松访华后停止了对中国的航空侦察,既有对华缓和的因素,也有卫星侦察技术发展的因素。
随着电子侦察卫星的发展,未来电子侦察机抵近他国领空领海侦察的必要性也逐渐减小(虽不能完全停止)
此外,很多威慑,必须让对手信服的知道你有这个能力,威慑才能起到作用,冲突才不会爆发,无论是装备的数量-分布,航天实验的弹道,光谱。甚至是一些训练设施,很多时候就是要让人家看到,甚至是看的清清楚楚。比如:
千里之外的无人机,不能通光纤网络,没有5G信号,地面站不能深入敌后。卫星就是最好的通信同居。不说漂亮国的全球鹰,2019年一篇报道“我国航天科技集团十一院彩虹无人机试验团队最近在北京及西部某试验基地,先后联合完成了两个架次的“彩虹-4”无人机卫通靶试试验,试验圆满成功。试验意味着“彩虹-4”无人机系统实现了从多年前超视距传输侦察信息向对地打击控制的跨越,有效提升了“彩虹-4”察打一体无人机武器系统的作战效能,能在千里之外遥控侦察与实施导弹攻击,同时高清光电吊舱使得目标定位和打击精度大幅度提高。“
就算在地球上,我们大家可以派一架飞机做个中继,那在太空怎们办呢?“嫦娥四号”在月球背面着陆,中国航天人创造性的使用了中继卫星,架起了“嫦娥四号”与地面通信的桥梁,保障了地面对处于月背面,受月球遮挡的着陆器和巡视器的通信。
卫星本质上是一个数据生产者和传输者,生产位置数据,生产映像数据,生产监测对象数据,传输通信数据……在极大的广度上。
比如导航卫星,结合地面导航增强——未来也能结合天基导航增强,能做到厘米级,后处理毫米级的精度,在形变监测,灾害预防领域得到了广泛的应用。可以实时监测,数据产生密度、时效性远高于传统人工巡查等方法。而且在野外深山中,借助卫星通信传输数据也是经济可靠的方式。
又比如,Orbital Insights公司通过对浮顶储油罐的卫星图片分析,为期货投资人提供全球原有库存情况,进而为投资人判断市场趋势,采购商对冲风险提供了依据。卫星影像现在作为另类数据正在越来越广的被金融、保险等领域的企业应用,相关领域也涌现了一批专注细致划分领域的特色卫星影像分析公司。
信息对人类无比重要,没有信息包括知识那人类就愚昧和其他动物无妨。而绝大多数卫星本质价值是获取信息和传播信息,例如气象、遥感卫星是获取信息,导航卫星也算获取自己位置信息、科学卫星做实验也是获取科研信息。通信卫星包括广播卫星则是传播信息。
电视信号,实况转播,海事电话,都需要通讯卫星作为中继。马斯克的星座计划,是提供网络服务。
手机的定位服务由导航卫星提供,包括我国北斗,强敌的GPS,欧洲的伽利略,俄罗斯的格洛纳斯系统。另外,导航卫星还能够给大家提供精度极高的授时服务。
比如某卫星对所谓的“大型水面移动目标的监测”,请脑补这个目标是什么东东。
中科大的墨子号应用于量子通讯实验,中科院的悟空号应用于暗物质探测,还有未来的天琴计划,将用于引力波的研究。
人造卫星按照运行轨道不同分为低轨道卫星、中高轨道卫星、地球同步卫星、地球静止卫星、太阳同步卫星、大椭圆轨道卫星和极轨道卫星;根据用途划分,人造卫星又可分为通信卫星、气象卫星、侦察卫星、导航卫星、测地卫星、截击卫星等。上边这两句是我抄的。除此以外分法还有,军用、民用、军民两用的分法。
人造卫星的好处是在天上,居高而下,覆盖范围广,简单概括就是:站得高,看得远,听的广,传的广。
从理论上讲,主要是牛顿力学在发挥作用,主要是牛顿一二三定律和万有引力定律。
未来人造卫星可能会更强大,没住哪天出现星球大战里的死星呢!你说死星是飞船,那也没问题。
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2024-March-16
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