人造卫星篇 人造卫星当空舞
作者:庞之浩时间:2016-11-21 16:26 来源:中国科技人才

领军:

东方红-1技术总负责人孙家栋

实践-9工程总设计师郭宝柱

“悟空”暗物质粒子探测卫星首席科学家常进

实践-10微重力科学实验卫星首席科学家胡文瑞

“墨子”号量子科学实验卫星首席科学家潘建伟

东方红-3卫星总设计师范本尧

东方红-4卫星平台总设计师周志成

天链-1中继卫星总设计师王家胜

天通-1总设计师陈明章

返回式卫星总设计师林华宝

资源-1首任总设计师陈宜元

高分-1总设计师白照广

高分-2卫星总设计师潘腾

高分-4卫星总设计师李果

高分-3卫星总设计师张庆君

风云-1卫星总设计师孟执中

海洋-1A卫星和双星探测总设计师张永维

“北斗”导航卫星总设计师谢军


航天器是开发太空资源的利器,目前主要有3种,即人造地球卫星、载人航天器和空间探测器。它们各有所长,不能相互替代。从1970年4月24日我国第一颗人造地球卫星东方红-1升空到现在,我国现已能独自研制、发射和应用这3种航天器,并取得了巨大效益。

在这3种航天器中,人造地球卫星的数量和种类最多,用途最广。按用途分,它又可分为试验卫星、科学卫星和应用卫星3类,我国都可独自研制、发射和应用。


1.试验卫星打头阵

航天器技术非常复杂,且常采用许多新概念、新技术、新材料和新型设备,因而在刚开始研制时,必须反复试验。这种试验虽然在地面上要进行许多次,但是地面与实际的太空飞行环境条件总是不一样的,因此一般需要先发射技术试验卫星。此外,航天大国已解决而我国尚未掌握的技术,在正式应用之前也需在太空进行试验,因为实际航天飞行试验是至关重要的关键一步。

初期,我国航天发射过多颗“实践”系列试验卫星。2012年发射的实践-9A、实践-9B,是我国民用新技术试验卫星系列的首批星,主要用于卫星长寿命、高可靠、高精度、高性能、国产核心元器件和卫星编队及星间测量与链路等试验。同年发射的“新技术验证卫星”和“蜂鸟”试验载荷,主要用于对新型航天器件、设备、材料、方法和微小卫星平台等进行在轨验证试验。2015年,我国发射了通信技术试验卫星-1和吉林-1技术验证星等,后主要开展多模式成像技术试验验证。

2016年,长征-7发射了6种试验载荷。其中多用途飞船缩比返回舱,用于获取新型返回舱飞行气动力和气动热数据,验证可重复使用设计等关键技术。遨龙-1空间碎片主动清理飞行器,装载了1台机械臂,将模拟在太空抓取废弃卫星和其他大块碎片,验证碎片清除关键技术。2个“天鸽”飞行器,其主要作用是验证空间组网通信技术,在轨开展信息中继技术试验。在轨加注实验装置,主要验证我国太空加注燃料技术,延长航天器寿命。


2.科学卫星搞研究 

科学卫星,用于科学探测和研究。它可以不受大气层的限制和影响,通过卫星上的各类遥感器了解高层大气、地球辐射带和极光等空间环境,观察太阳和其他天体。它又细分空间物理探测卫星、天文卫星、实验卫星、生物卫星等多种。

(1)探测卫星:曾实施“地球空间双星探测计划”

探测卫星,用于在太空直接探测地球大气层外的空间物理现象和过程,研究中性粒子、高能带电粒子、固体颗粒、低频电磁波、等离子体波、磁场、电场、微流星体等,获得大量的定量数据。

我国曾成功实施过“地球空间双星探测计划”。2003、2004年,我国先后发射了探测-1、探测-2卫星,它们分别对地球近赤道区和极区两个地球空间环境变化最为重要的区域,进行宽能谱粒子、高精度磁场及其波动的探测。这2颗小卫星运行于当时国际上地球空间探测卫星尚未覆盖的重要活动区,相互配合,构成具有明显创新特色的星座式独立探测体系,对地球空间暴发生机制和发展规律进行了立体探测。

(2)天文卫星:使天文学产生第3次飞跃

天文卫星,摆脱大气层的封锁,可在全频段范围内对宇宙空间进行详细的观测,对人类科学地认识宇宙具有革命性推动作用,它使天文学产生第3次飞跃。

按照观测的目标不同,天文卫星可以分为太阳观测卫星和非太阳探测天文卫星。按所观测的宇宙中电磁波谱,分为可见光天文卫星、X射线天文卫星、γ射线天文卫星和红外天文卫星等。它们中有的是没有镜片的空间望远镜。

宇宙中的天体,由于温度不同而发出各种频段的电磁波,所以靠一颗天文卫星很难进行全频段观测。一般来说,温度越高,发出的电磁波波长越短。利用这一特性,通过观测天体发出的电磁波,可分析它们的类型和特征。在电磁波谱中,γ射线的波长最短,X射线次之,后面依次是紫外线、可见光、红外和射电波。

2015年12月发射的我国“悟空”暗物质粒子探测卫星,是我国第一颗天文卫星,有望在暗物质探测和宇宙线物理两大前沿领域取得重大突破,并可望在γ天文方面取得重要成果。该卫星是目前观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器,超过国际上所有同类探测器,而且成本较低。

2016年下半年升空的我国“硬X射线调制望远镜”,旨在研究黑洞的性质及极端条件下的物理规律,有望探测上千个被尘埃遮挡的超大质量黑洞和大批未知硬X射线类型天体,以及一系列天体高能辐射新现象等。与国外相比,它具有更强大的成像能力和独一无二的定向观测能力,可实现世界最高灵敏度和最好空间分辨率的硬X射线巡天。它是“黑洞探针”项目之一。

(3)实验卫星:世界首颗量子卫星“墨子”

2016年4月6日,我国首颗微重力科学实验卫星——实践-10升空。它是单次搭载空间实验项目最多的卫星,开展六大领域19项实验,专门用于微重力科学和空间生命科学空间实验研究,有些是世界首次。该卫星采用了不少新技术。例如,首次在返回式卫星上采用流体回路系统,大幅度提升载荷功耗承受能力;首次探索返回式卫星低成本技术和航天器产品可重复使用技术。

2016年8月16日,我国发射了“墨子”号量子科学实验卫星,拟在国际上首次实现星地自由空间量子密钥生成和分发、量子力学基本问题及非局域性检验等具有重要科学和实用意义的实验。


3.应用卫星效益高

应用卫星,由于直接应用于国计民生和国防建设等,所以品种和发射数量最多、用途最广、效益最高。按用途区分,它主要包括3种:通信卫星、遥感卫星、导航卫星。 

(1)通信卫星通全球 

号称“顺风耳”的我国通信卫星,已成为现代通信的重要手段。它是设在太空的微波中继站,相当于“二传手”,主要通过转发无线电信号实现各种通信,具有通信距离远、容量大、质量好、可靠性高和灵活机动等优点,效益也很可观;其不受地理条件限制,对地面设施依赖程度较低,在重大灾害和战争情况下,比其他方式更安全可靠,有时甚至是惟一应急通信手段。 

按业务种类区分,通信卫星可分为固定通信卫星、移动通信卫星、电视广播卫星和跟踪与数据中继卫星等。我国已先后研制、发射和应用了3代固定通信卫星、一代数据中继卫星、一代移动通信卫星。

1)固定通信卫星:采用“东方红”卫星平台

第一代固定通信卫星采用东方红-2卫星平台,装有2~4台转发器,寿命4年。

第二代固定通信卫星采用东方红-3卫星平台,它可装24台C频段转发器,工作寿命达8年,姿态控制为三轴稳定方式,是目前我国经多次飞行考验的中容量地球静止轨道卫星平台,先后用于“中星”、鑫诺-3、天链-1等通信卫星甚至“北斗”导航卫星和嫦娥-1、嫦娥-2绕月探测器等。我国还研制了技术更先进的东方红-3A平台,并正在研制东方红-3B平台,填补了东方红-3中容量与东方红-4大容量平台之间的空白。

第三代固定通信卫星采用东方红-4卫星平台,具有输出功率大、承载能力强和服务寿命长等特点,达到国际同类通信卫星的先进水平,设计寿命15年。2015年,装载46台转发器的亚太-9升空,为我国通信卫星转发器数量最多。我国现已用东方红-4卫星平台打造了10多颗通信卫星,现正在研制东方红-4增强型卫星平台。

2)数据中继卫星:测控覆盖率近100%

数据中继卫星,被称为“卫星的卫星”,主要用于转发低轨航天器与地面之间的实时数据。我国已发射3颗采用东方红-3卫星平台的第一代数据中继卫星天链-1,使我国测控覆盖率接近100%,并能提供百兆以上高数据传输速率。我国还将研制性能更高的第二代数据中继卫星。

3)移动通信卫星:乘飞机上网成为可能

2016年8月6日,我国首颗移动通信卫星——天通-1的01星升空。该卫星采用东方红-4卫星平台和传输损耗小、雨衰小的S频段,技术指标与能力水平能够达到国际第三代移动通信卫星水平,能够满足用户多样化通信需求,可以为车辆、飞机、船舶和个人等移动用户,提供语音、数据等通信服务,并可实现用户终端的小型化、手机化。它标志着我国正式进入地球同步轨道移动通信卫星俱乐部。

移动通信卫星,既可确保应急通信又能自上而下实现对海洋、山区和高原等地区无缝覆盖,不受地形等因素影响。据统计,全国地面移动通信覆盖率,不足国土陆地面积的10%。天通-1,将有效解决目前我国移动通信覆盖不足难题,对海上石油勘探开采、森林防护等通信能力提升有重要帮助,乘飞机旅行时上网交流也将成为可能。

4)高通宽带卫星:高出常规通信卫星容量数十倍

2016年7月23日,我国首个高通量宽带通信卫星系统启动。国际一流高通量宽带卫星通信系统全系统由3~4颗卫星组成,可覆盖全球。高通量宽带通信卫星采用ka频段,比常规通信卫星容量高出数十倍,可让用户通过卫星传输随时随地享受高速互联网服务,其最大优势是降低成本。

按照协议,由亚太卫星控股有限公司发起成立的亚太卫星宽带通信(深圳)有限公司,计划于2018年底发射首颗高通量宽带通信卫星,2019年开展卫星通信运营服务。

(2)遥感卫星观六路

号称“千里眼”的遥感卫星,站得高,看得远,是一种利用卫星上装载各种遥感器对地球进行连续、快速、大面积详细观测的应用卫星。它把人类认识地球、研究地球的视点,从地面、低空扩展到太空,从而可居高临下详细观测。

遥感卫星,又称对地观测卫星,根据用途又分为陆地卫星、气象卫星和海洋卫星等多种,它们的主要区别在于,时间、空间和光谱分辨率及谱段不同,因而用途不一。

1)陆地卫星:居高临下观地球

●返回式卫星:未来可重复使用

返回式卫星,是中国最早的应用卫星,先后24颗入轨,23颗回收。使用这些返回式卫星,不仅进行了遥感、微重力实验和新技术试验,还为掌握载人飞船返回技术提供了重要借鉴。未来,将研制可重复使用卫星。

●资源卫星:环保与减灾能手

资源卫星,是当代最先进的勘测手段,具有大范围、快速、定期和综合观测等优点,从而发现了许多以前因人迹未到或手段落后而未找到的自然资源,节省了大量人力、物力和财力。此外,它还是环保和减灾能手。中巴已合作研制并发射成功4颗资源-1卫星,最高分辨率为2.36米。中国还独自研制了3颗资源-2和2颗资源-3卫星,其中资源-3是我国民用立体测绘卫星,2016年发射的资源-3的02星,分辨率为2.5米。

●高分卫星:全能对地观测系统

“高分”系列卫星,覆盖了从全色、多光谱到高光谱,从光学到雷达,从太阳同步轨道到地球同步轨道等多种类型,构成了一个具有高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率能力的对地观测系统。

2013年4月26日,我国发射了高分辨率对地观测系统的首发星——高分-1。该卫星2台高分辨率相机,其全色分辨率为2米,彩色分辨率8米,幅宽60千米;4台多光谱宽幅相机,其彩色分辨率为16米,幅宽800千米,对全球的重访小于4天,为目前同等分辨率下幅宽最大,寿命大于5年。高分-1最大的特点是,同时兼有高空间分辨率和时间分辨率。

随着经济建设日新月异,人类对卫星的分辨率和使用寿命要求越来越高,对地观测已进入高分辨率卫星时代。高分辨率对地观测卫星,可解决国土资源、农业、环境、灾害监测与城市建设等应用急需。2014年8月19日,我国发射了首颗分辨率为亚米级的高分-2,装有2台分辨率优于1米/4米的全色/多光谱相机,总幅宽45千米。

2015年12月29日,高分-4升空。它是“高分”专项首颗高轨道高分辨率光学遥感卫星,也是目前世界上空间分辨率最高、幅宽最大的地球同步轨道遥感卫星,采用首台高轨高分辨率面阵凝视相机,其光学分辨率为50米,能长期对河南省大小的某一地区固定连续观测,在气象观测、应急救灾、环境保护、国土普查等动态实时监测方面,都有很高的应用价值。2015年,我国还发射了高分-8、高分-9。

2016年8月10日发射的高分-3,是分辨率1米的合成孔径雷达卫星。此后发射的高分-5,是我国第一颗高光谱综合观测卫星,且拥有多部大气环境和成分探测设备,如可间接测定PM2.5的气溶胶探测仪;高分-6的载荷性能与高分-1相似;高分-7,属于高分辨率空间立体测绘卫星。

●商用卫星:吉林-1组星为首批

2015年10月7日发射的吉林-1组星,是我国首批开发的商用遥感卫星。其中1颗光学A星,分辨率0.72米(国内民商卫星中最高);2颗视频星,分辨率1.12米;1颗技术验证星,用于开展多模式成像技术验证。

●环境卫星:全天候全天时对地观测

2008年9月6日,我国环境与灾害监测预报小卫星星座的首批卫星——环境-1A、环境-1B升空。前者有2台CCD相机和一台超光谱成像仪;后者有2台CCD相机和一台红外相机。CCD分辨率30米,幅宽700千米;超光谱成像仪有120个谱段和30°侧视能力,分辨率100米,幅宽50千米;红外相机有4个谱段,分辨率150米和300米,幅宽700千米。它们可获高时间分辨率、中等空间分辨率观测数据,对我国大部分地区实现每天一次重复观测。

2012年11月19日,环境-1C星升空。它是我国首颗民用雷达卫星,可全天候、全天时对地观测,与环境-1A、环境-1B组成2+1星座。它有条带和扫描两种工作模式,分辨率分别为5米和15米,成像带宽度分别为40千米和100千米。

2)气象卫星:高精度定量探测大气结构

气象卫星,其轨道比陆地卫星高,所以观测面积大,时间分辨率很高,其中极轨气象卫星每天能对全球任何一个地点观测2次,但空间分辨率较低。

气象卫星最大的特点是,具有很短的覆盖周期,能大大提高天气预报的准确率,尚未漏过一次台风预报,主要用于探测和监视全球大气状况。它还广泛应用于船舶航行、灾害监测和冰情预报等众多非气象领域。

气象卫星分为2种,一种是极轨气象卫星,另一种是静止气象卫星。前者可实施全球覆盖,每天能绕地球运行14圈,对同一地区观测2次,并且分辨率较高,适宜全球长期天气预报;后者可对卫星下方40%的地球进行连续观测,能持续不断对同一地区观测,每隔30分钟即可获得一幅地球圆盘图像,特别适合监测生命期较短而危害又大的强对流灾害性天气,开展地区性短期天气预报业务。这2种卫星互相补充,基本可以做到对全球的连续监测。

我国是世界第三个同时拥有极轨气象卫星和静止气象卫星的国家,风云-1、风云-3为前者;风云-2、风云-4为后者。其效益为1:10。目前,在轨工作的有3颗第二代极轨气象卫星风云-3和4颗第一代静止气象卫星风云-2。

风云-3,装有10通道扫描辐射计、20通道红外分光计、20通道中分辨率成像光谱仪、紫外臭氧总量探测仪等12台仪器,达到世界先进水平。它可在全球范围内实现全天候、多光谱、三维、定量气象探测,主要为中期数值天气预报提供气象参数,并监测大范围自然灾害和生态环境,从而使我国全球观测数据的时间分辨率从12小时提高到6小时,大幅度提高了我国气象观测能力和中期天气预报能力。

2012年1月13日发射的风云-2F,载有5通道扫描辐射计和空间环境监测器。前者是获取云图的主要仪器,可以在非汛期每小时、汛期每半小时获取覆盖地球表面约1/3的全圆盘图像;后者能对太阳X射线、高能质子、高能电子和高能重粒子流量进行多能段监测,用于开展空间天气监测、预报和预警业务。

2016年底,我国将发射首颗第二代静止气象卫星风云-4。它采用三轴稳定控制,接替采用自旋稳定的风云-2,其连续性、稳定性可大幅度提高我国静止气象卫星探测水平。卫星的辐射成像通道将增加到14个,接近欧美第三代静止气象卫星的16个通道。风云-4还配备了有912个光谱探测通道的干涉式大气垂直探测仪,可在垂直方向上对大气结构实现高精度定量探测,这是欧美第三代静止气象卫星所不具备的。

我国自主研制的首颗全球大气二氧化碳观测科学实验卫星(简称“碳卫星”),也将于2016年发射。该卫星用高光谱二氧化碳探测仪、多谱段云与气溶胶探测仪,以高空间分辨率和高光谱分辨率监测全球二氧化碳,旨在为全球学者开展碳排放和气候变化、为我国政府开展气候变化谈判和环境外交,提供重要支撑。 

3)海洋卫星:大面积海域实时同步连续监测

海洋卫星,与陆地卫星的主要不同之处是,有效载荷。

用海洋卫星能经济、方便地对大面积海域进行实时、同步、连续监测,更好地保护海洋和开发海洋资源。

我国现已发射2颗海洋-1水色卫星和1颗海洋-2海洋动力环境卫星。海洋-1卫星,载有一台10频段海洋水色扫描仪和一台4频段CCD海岸带成像仪,用于探测叶绿素浓度、悬浮泥沙含量等。海洋-2,集主、被动微波遥感器于一体,载有雷达高度计、微波散射计、微波辐射计和校正辐射计4部微波遥感器,同时搭载用于星地激光通信试验任务的激光通信终端,用于探测海面风场、海面高度、浪场、流场以及温度场等协动力环境要素。

我国还在研制“中法海洋卫星”和海洋-3海洋环境综合卫星。前者在国际上首次开展海洋风浪相互作用的联合观测;后者对全球与近海的海洋动态环境和水色环境各种信息进行综合遥感监测。

(3)导航卫星“北斗”拓展全球

卫星导航与互联网、移动通信,已成为21世纪信息技术领域的三大技术之一,是当今社会重要的空间信息基础设施。目前,60%以上的信息,与定位和时间有关。用卫星导航,实质上是把无线电导航台搬到太空,用卫星作为空间基准点,以增加覆盖范围。导航卫星的应用,只受想像力的限制。我国很重视卫星导航系统的建设,并分3个阶段实施。 

2000~2007年为第一阶段。我国先后发射了4颗“北斗”导航试验卫星(也称北斗-1),成为世界第3个拥有卫星导航系统的国家。该系统不仅可提供区域导航定位,还能进行双向数字报文通信和精密授时,特别适用于需要导航与移动数据通信相结合的用户,多次在救灾中发挥重要作用。

2007~2012年底为第二阶段。我国陆续发射了16颗“北斗”导航卫星(也称北斗-2),建成了由14颗“北斗”(5颗静止+5颗倾斜地球同步+4颗中圆轨道)组成的区域卫星导航系统,定位精度10米,测速精度0.2米/秒,授时精度50纳秒,120个汉字。 

2012~2020年为第三阶段,将建成由35颗“北斗”组成的全球卫星导航系统(5颗静止+3颗倾斜+27颗中圆),定位精度10米,测速精度0.2米/秒,授时精度10纳秒,授权用户定位精度1米,120个汉字。 

2015年,我国发射了4颗新一代“北斗”,2016年初又发射了一颗新一代“北斗”,这标志着我国“北斗”卫星导航系统,启动并实施由区域运行向全球拓展。 

新一代“北斗”导航卫星,采用以高精度星载原子钟、星座自主运行等为代表的卫星载荷关键技术,以轻量化、长寿命、高可靠为典型特征的卫星平台关键技术,基于星地链路、星间链路、全新导航信号体制的导航卫星运行控制关键技术,以及98%的国产化器件,关键器件均为“中国造”。 

我国“北斗”有一些美国GPS不具备的性能和特点:一是“北斗”空间段采用3种轨道卫星组成的混合星座,与其他卫星导航系统相比,高轨卫星更多,抗遮挡能力强,尤其低纬度地区性能特点更为明显;二是“北斗”提供多个频点的导航信号,能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度;三是“北斗”创新融合了导航与通信能力,具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。

另外,2016年第四季度,我国将发射世界首颗“脉冲星导航专用试验卫星”。脉冲星是高速自转的中子星,具有极其稳定的周期性,其稳定度优于10-19,是自然界最精准的天文时钟。因而脉冲星导航卫星前景广阔。


4.小型卫星前景广

现代小卫星,因其具有研制周期短、成本比较低、发射方式灵活、应用范围广,尤其是其组成的星座功能和生存能力强的特点,因而可以广泛应用在通信、遥感、科研和国防等许多领域。

我国现代小卫星已发展了20多年,共经历了5个发展阶段,而今现代小卫星取得了飞速发展,先后研制了CAST100、CAST968(CAST1000)、CAST2000、CAST3000等为代表的多类小卫星柔性平台。

1995~2000年,为现代小卫星兴起阶段。1996年8月,我国正式启动了CAST968小卫星平台的开发和实践-5科学探测与技术试验卫星的研制,由此拉开了中国现代小卫星的发展帷幕。1999年5月10日,实践-5成功发射,验证了我国第一个小卫星公用平台。

2000~2005年,为高性能小卫星发展阶段。基于CAST968小卫星平台研制的探测双星-1、探测双星-2,分别于2003年和2004年成功发射。国内高校研制的清华-1、纳星-1、探索-1和创新-1等卫星也成功发射,在轨开展创新技术验证。

2005~2010年,为业务化小卫星的应用阶段。以海洋-1A、海洋-1B和环境-1A、环境-1B以及实践-11为代表的小卫星成功发射,并形成了切实的业务化应用。与此同时,CAST100和CAST3000新型小卫星平台的开发启动。2009年,我国首颗公益卫星——希望-1成功发射,验证了CAST100平台技术。同时期,以特种通信和技术试验-1为代表的多颗技术验证卫星成功发射。

2010~2015年,为体系化应用成熟阶段。我国以航天东方红卫星有限公司为代表,成功发射并应用了包括环境-1C、高分-1、实践-9等几十颗小卫星,覆盖了对地观测、海洋监测、空间科学探测、技术试验等众多领域,形成了环境减灾系列、高分观测系列、海洋监测系列、技术试验系列、科学探测系列等门类完善的小卫星系列,全方位服务于我国经济社会发展和百姓生活。小卫星已成为我国空间系统体系不可或缺的重要组成部分。

2015年至现在,为细分市场繁荣阶段。面对日益细分的市场需求,我国小卫星系列不断丰富完善。以航天东方红卫星有限公司为例,面向国家级用户、行业级用户和消费级用户等3类市场,目前已形成高性能、长寿命、应急响应、商业和皮纳等小卫星系列。2015年,面向国家级、行业级高端用户市场的CAST3000平台首发星——高分-9成功发射,标志着我国高分辨率、高性能卫星遥感时代到来;与此同时,提供低成本解决方案的皮纳卫星系列的首发星——希望-2成功发射应用,标志着我国皮纳卫星进入应用化阶段。与此同时,开拓-1、浦江-1、吉林-1等一批引入创新体制和设计理念的小卫星,开展研制并发射成功。当前,以高端小卫星、皮纳卫星、商业化采购服务等为代表的细分市场正在加速形成。


作者系中国空间技术研究院研究员、《国际太空》执行主编

(中国航天60年专稿,共分4个篇章:载人航天篇、运载火箭篇、人造卫星篇、深空探测篇,其中载人航天篇、运载火箭篇两文已刊发于2016年第10期;人造卫星篇、深空探测篇两文刊发本期,即2016年第11期)