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第44章 多种多样的卫星(1)

勘探卫星能测量地形,调查地面资源,勘探地下矿藏;气象卫星能拍摄云图,观测风向和风速;间谍卫星能搜集军事情报;实验卫星能帮助科学家在太空中做许多地面不能做的实验;救援卫星能搜寻到遇难者发出的求救信号等。

通讯卫星利用位于高空36000千米并与地球同步运转的通信卫星作为中继,使各地地面接收站间得以实现双向通信。地面接收站装有抛物天线,对准高空轨道的同步卫星,由星上天线和转发器起作用,好像一条微波线路的中继站。卫星通讯是20世纪60年代开始的,迄今已接连发射了几代国际通讯卫星。在地球高空轨道安放3个同步卫星,就可覆盖全球的地面,实现全球国际通信和电视节目传输。卫星通讯只需在两地各设地面站就能相互通信,因此在地面崎岖地区,线路建设比较容易。

由于卫星通讯各方面的技术已经十分普遍,费用逐渐下降,现在不但个别的国家有能力利用,甚至连个别的商业机构也在跃跃欲试了。将来,通讯卫星还可能提供另一种全新的服务,因为能够直接传送的不单是电话和电视,信件、报纸及其他形式的信息都能从世界上几乎任何地方传送到家中,或许就在电视屏幕上显示。

1958年12月,美国发射了“轨道中继通讯卫星”。

卫星向地球广播预先录好的美国总统艾森豪威尔的圣诞贺词。“轨道中继通讯卫星”在轨道上运行1个多月后,进大气层烧毁。

1960年4月,美国发射的“信使IB 号”是第一颗装有强大放大器的通讯卫星。“信使IB 号”重达250千克。

电源由19152个太阳能电池组成。信号放大系统可以将信号放大后再发射出去。

美国在1962年7月10日发射了“通讯号卫星”。

它的能源来自3600个太阳能电池。“通讯号卫星”可以容纳60条电话线路或1个电视频道。

最早实现同步通讯的是美国的试验性卫星“同步通讯卫星一号”。它可以达到22300千米的高度。在这个高度上,卫星环绕地球的速度与地球自转一致,卫星与地面位置相对固定。

1965年4月6日,美国的“晨鸟”号通信卫星发射成功,后称“国际通信卫星”1号。它高0.6米,直径0.72米,质量39千克,可以容纳240条电话线路或1条彩色电视频道。

气象卫星是对大气层进行气象观测的人造卫星。具有范围大、及时迅速、连续完整的特点,并能把云图等气象信息发给地面用户。

1958年美国发射的人造卫星开始携带气象仪器。

1960年4月1日,美国首先发射了第一颗人造试验气象卫星。截止到1990年底,在30年的时间内,全世界共发射了116颗气象卫星,已经形成了一个全球性的气象卫星网,消灭了全球4/5地方的气象观测空白区,使人们能准确地获得连续的、全球范围内的大气运动规律,做出精确的气象预报,大大减少灾害性损失。据不完全统计,如果对自然灾害能有3~5天的预报,就可以减少农业方面的30%~50%的损失,仅农、牧、渔业就可年获益1.7亿美元。例如,自1982年至1983年,在中国登陆的33次台风无一漏报。1986年在广东汕头附近登陆的8607号台风,由于预报及时准确,减少损失达10多亿元。

气象卫星实质上是一个高悬在太空的自动化高级气象站,是空间、遥感、计算机、通信和控制等高技术相结合的产物。由于轨道的不同,可分为2大类,即太阳同步极地轨道气象卫星和地球同步气象卫星。前者由于卫星是逆地球自转方向与太阳同步,称太阳同步轨道气象卫星;后者是与地球保持同步运行,相对地球是不动的,称作静止轨道气象卫星,又称地球同步轨道气象卫星。在气象预测过程中非常重要的卫星云图的拍摄也有2种形式:①借助于地球上物体对太阳光的反向程度而拍摄的可见光云图,只限于白天工作;②助地球表面物体温度和大气层温度辐射的程度,形成红外云图,可以全天候工作。气象卫星具有:①轨道(低和高轨两种);②短周期重复观测;③成像面积大,有利于获得宏观同步信息,减少数据处理容量;④资料来源连续实时性强成本低等特点。

气象卫星主要有极轨气象卫星和同步气象卫星2大类。①极轨气象卫星。飞行高度约为600~1500千米,卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的交角,这样的卫星每天在固定时间内经过同一地区2次,因而每隔12小时就可获得一份全球的气象资料。②同步气象卫星。运行高度约35800千米,其轨道平面与地球的赤道平面相重合。从地球上看,卫星静止在赤道某个经度的上空。一颗同步卫星的观测范围为100个经度跨距,从南纬50°到北纬50°,100个纬度跨距,因而5颗这样的卫星就可形成覆盖全球中、低纬度地区的观测网。

导航卫星是为地面、海洋、空中和空间用户导航定位的人造地球卫星。导航卫星属于卫星导航系统的空间部分,它装有专用的无线电导航设备。用户接收卫星发来的无线电导航信号,通过时间测距或多普勒测速分别获得用户相对于卫星的距离或距离变化率等导航参数,并根据卫星发送的时间、轨道参数求出在定位瞬间卫星的实时位置坐标,从而定出用户的地理位置坐标(二维或三维坐标)和速度矢量分量。1960年4月美国发射了第一颗导航卫星“子午仪IB”。此后,美国、苏联先后发射了子午仪宇宙导航卫星系列。通过国际间合作还发射了具有定位能力的民用交通管制和搜索营救卫星系列。

美国全球定位系统(GPS)和苏联全球导航卫星系统(GLO—NASS)是以卫星星座作为空间部分的全球全天候导航定位系统。GPS 采用18颗工作星和3颗备份星组成GPS 空间星座。GLONASS 采用24颗工作星和3颗备份星组成GLONASS 空间星座。

目前我国也有了自己导航卫星“北斗导航卫星定位系统”,是区域性有源三维卫星定位与通信系统,英文缩写CNSS。它是继美国的GPS、俄罗斯的CLONASS 之后的第三个成熟的卫星导航系统。

那么,导航卫星是怎么发展起来的呢?

说起指南针,人们是很熟悉的。它作为我国古代劳动人民的四大发明之一,不仅帮助我国古代人民远涉重洋同世界各国人民架起了友谊的桥梁,而且对世界文明的发展做出了贡献。指南针的奥秘在哪里呢?原来,所有磁体都具“同极性相斥、异极性相吸”的特性,而地球本身就是一个大磁体,这个大磁体和小磁针由于“同性相斥,异性相吸”,磁针的南极总是指向地球的北极,即指向南方。指南针成了人类导航的工具。根据指南针的原理做成的船舶导航仪器就叫罗盘(磁罗盘)。把一根磁棒用支架水平支撑起来,上面固定着一个从0°到360°的刻盘,再用一航向标线代表船舶的纵轴,这就是一个简单的磁罗盘。刻度盘上的零度与航向标线之间的夹角叫做航向角,表示船舶以地磁极为基准的方向。

这样,在茫茫大海中航行的船舶,可根据夹角的大小判断出航行的方向。

但是,由于地磁场分布不均,常使磁罗盘产生较大的误差。

20世纪初无线电技术的兴起,给导航技术带来了根本性的变革。人们开始采用无线电导航仪代替古老的磁罗盘。由于无线电波不受天气好坏的影响,它在白天夜里都可以传播,所以信号的收、发可以全天候。用无线电导航的作用距离可达几千千米,并且精度比磁罗盘高,因此被广泛使用。但是,无线电波在大气中传播几千千米过程中,受电离层折射和地球表面反射的干扰较大,所以,它的精度还不是很理想。

当今,每天都有数以百计的船舶航行在茫茫的海洋里。不幸的是全世界大型轮船中,每年都有几百艘在海上遇险。其中有半数事故是由于航行原因造成的,使世界商船队里每年都有几十艘船沉没!