书城科普读物为了地球领导权——人造卫星
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第16章 丈量大地的灵魂——测量卫星(1)

测量卫星

1992年12月,索马里800多万灾民处在水深火热之中。为了保证联合国救援物资的发放,打击军阀和反政府势力,3.8万人组成的联合国部队将开赴索马里,执行“恢复希望”维和行动。老布什总统下令2.8万美军进入索马里。然而美军遇到了麻烦:索马里首都摩加迪沙国际机场有多大?跑道有多长?美军大型运输机能否降落?跑道上的路障有多少?

美国中央情报局驻摩加迪沙站长说:“国际机场的跑道反正不长。”

“到底有多长?”

“从市区到机场是12千米。跑道……不知道到底有多长。”

“这种事我们不知道,还能有谁知道?饭桶!”中央情报局局长骂道。

“路障有多少真的不知道,可能……大概……”

美国国家侦察局的局长说:“这种事也许我们知道。请给我12小时。”

美国国家侦察局马上动用了“地理星”号测地卫星和两颗照相侦察卫星。测地卫星测量了机场,照相侦察卫星拍摄了机场的最新照片。美国国防测绘局根据测地卫星的资料,精确计算出跑道的长度3322.32米,宽度50.24米,地理坐标北纬2°00′49″、东经45°18′17″,海拔9米,以及跑道上的路障、机场的方向、油库、指挥塔台的位置等详细参数,候机大楼外观及内部布局等。测地卫星还完成了本不属于自己的任务,完美地测绘了防空火炮、雷达、坦克及兵力的配置等。

美国空军知道去除路障后,跑道也确实是不够长,但有了精确到小数点的长度数据,巧妙设计了空降方案和进场要领等。几天后,第一架满载联合国食品和美军海军陆战队的大型运输机,没有机场塔台的指挥,依靠卫星导航和测地卫星的数据,突然在摩加迪沙国际机场下降、滑行,最后在机场尽头的边线戛然停住。测地卫星在这次任务中起到了关键作用。

测量卫星是专门用于地球、大地测量的卫星,被誉为太空测绘员,是能丈量大地的灵魂。测量卫星运行在1000~6000千米高度的圆形轨道上。卫星测量大地的方法主要为几何法和动力法。地面上由几个基准站和一个被测点同时观测测量卫星,进行大地联测,可定出基准点和被测点相对于卫星的方位和距离,从而计算出被测点的大地坐标,绘制成精确的地图和海图。

测量卫星用于测定地面坐标、地球形体和地球引力场参数,可以精确地测量出地理坐标。由于过去测量手段的限制,或者为了保密,各国出版的地图中有不少地理坐标并不确切,应通过测地卫星来更正。

测量卫星可以测量出地壳的漂移情况。地壳的漂移往往和地震相联系,因此,测出地壳的漂移情况,可以为地震预报提供依据。

测量卫星可以用于军事,能准确地测出各种打击目标的地理位置,从而提高战略和战术武器的命中精度。

测量卫星通过对卫星轨道摄动的测定,还能推算出地球的大小、形状和地球重力场分布等资料。测量卫星能够测量出地球的重力场的精确分布。在导弹的命中精度和人造卫星的轨道计算中,经常需要应用到地球重力场的精确数据。

“激光地球动力学”卫星

地图被誉为“上帝的指纹”。卫星测量有多种测量功能,不仅仅测量大地,而且测量空间,已成为一门专门的学科——空间测量学。

“激光地球动力学”卫星为一个铝制球形体,直径0.6米,重410千克,运行在近地点5837千米、远地点5945千米、倾角109.86°的近似圆形的中轨道上。“激光地球动力学”卫星由法国、德国、英国、意大利、西班牙和美国等多国大学及科学家合作研制。意大利制造卫星,美国发射卫星。卫星的主要科学任务是探测地球动力和验证爱因斯坦的广义相对论的预言。

“激光地球动力学”卫星表面装有426块激光反射镜,用以反射从地球站发射的激光束。锥体棱镜的反射器,好像自行车后护板上的反射片的样子。反射器可以将入射光线沿原路反射回去,计算出时间进行测量。它为预报地震带来了希望,还能对环境污染、热带雨林退缩、土地沙化和臭氧层空洞等进行监测。

“地理星”测地卫星

1962年10月31日,美国发射了世界上第一颗专用测地卫星“安娜”号卫星。后来,美国又相继发射了13颗“西科尔”测地卫星。美国约翰·霍普金斯大学研制了3颗多用途测地卫星“地理星”。

“地理星”号测地卫星的主人是美国海军。美国海军的航空母舰、飞机、潜艇、导弹、火炮每时每刻都需要测量卫星的支持。卫星装备了雷达测高仪、激光系统和多普勒系统。雷达测高仪能测量从卫星到海面的距离,相对精度约5厘米。先进的仪器通过测量大地水准面和地球海面的位置和高度及重力场反演计算,就能计算出各种地理数据信息。

“地理星”号卫星能科学、精确地计算重复轨道。卫星在地球轨道上经过17.05天的运行,将回到同一点。卫星通过推力机动系统的积极控制,确保飞行精度在1千米的预定轨道上。在这种方式下,卫星可以沿地面跟踪站位置,进行长期变化观察。

1985年3月12日,“地理星-1”号卫星升空,运行在距地800千米、倾角108°的轨道上,轨道周期约100分钟。1986年9月30日,“地理星-1”号的卫星平台出现问题。“地理星-2”号、“地理星-3”号卫星先后发射。测地卫星常常是军民两用的卫星。测地卫星并不懂战争,也不一定能打胜仗。

1993年,索马里的军阀穆罕默德·法拉赫·艾迪德经常抢劫、伏击、打死联合国部队队员,甚至把维和人员的尸体剁碎、烧烤,震惊世界。1993年10月,联合国为了维持索马里的治安和国家稳定,决定逮捕艾迪德。

美军派遣精锐的特种部队到摩加迪沙捉拿艾迪德。10月3日下午,抓捕行动开始。美国特种部队由美军第75空中游骑兵团、三角洲特种部队组成,配备4架“黑鹰”、4架“小鹰”直升机,9辆悍马运兵车等装备。特种部队士兵乘坐直升机直捣目标大楼,抓住了两名头目。这时,一大批艾迪德派武装分子闻风向美军扑来。1架“黑鹰”直升机被一枚火箭弹击中坠毁。最近的一架“超级-68”搜救直升机迅速赶往支援。这架直升机也被火箭弹击伤,迫降到摩加迪沙机场。

为了解救幸存的“黑鹰”直升机战友,特种部队车队在一架“超级-64”直升机的引导下快速行进,但这架直升机很快也被艾迪德派武装的火箭弹击落。美军三角洲特种部队开着悍马车在大街小巷东冲西撞,就是找不到要解救的直升机战友和被围困的士兵。他们陷入了进退两难的境地,被分割包围在各个地方,被那些武装分子枪杀、砍头。

美军不得不派出第10山地师的一个连营救被围困的特种部队队员。武装分子拉着美军尸体在大街上示威。经过一晚惨烈的战斗,美军死19人,伤70余人,2架直升机被击落、3架被击伤,数辆卡车和悍马车被击毁。这是越战以后美军所遭受的最为惨重的失败。几年后,好莱坞电影《黑鹰坠落》重现了那残酷和激烈的一幕。

高精尖的武器需要高精尖的“头脑”。特种部队虽然武器精良,但车队在距离目标只有一个街区的路上,开过来又开过去,就是找不到目标,贻误战机。短短的距离,造成极大的失败。小小的摩加迪沙给人们太多的教训。几年后,美军给士兵配备了从通信、导航到测量的单兵作战系统。这样每个士兵都知道战友和敌人的坐标、方向和距离,增强了协同作战的能力。

“深蓝”测地卫星

1993年,美国海军司令部、空间与海战系统司令部和海军负责情报、监视、侦察任务的信息行动办公室,联合美国计算机科学公司、美国国家海洋大气局,开始研制新的测地卫星,命名为:“深蓝”测地卫星。

“深蓝”测地卫星是“地理星”的升级版,是专用的军事测地卫星。美国海军的“深蓝-1”卫星长3米,重410千克,功率126瓦,设计寿命8年,研制费用4600万美元。卫星带有一个精确的雷达测高计,精确度3.5厘米,可测量海面高度与海洋环流的微小变化。卫星测高是唯一已知可以精确测量海洋海面地形的方法。测高计由美国雷神公司提供;微波辐射计由美国AIL系统公司研发;卫星由美国鲍尔宇航系统公司建造。

“深蓝”测地卫星是一颗保密的卫星,装载了水汽辐射计、雷达测高计、多普勒接收机,激光轨道测定反射器,第一次安装了GPS接收机。它的作战任务、性能、有效载荷、验证数据和运行信息均属保密。1998年2月10日,首颗“深蓝-1”卫星在美军范登堡空军基地发射升空,运行在近地点789千米、远地点881千米、倾角108°的轨道上,100分钟绕地球一圈。

谁是世界第一长河?以前的文献、教科书、百科全书认为:非洲东部的尼罗河是世界第一长河流,全长约为6516千米;亚马孙河长6437多千米,居世界第二。然而有的地理专家测量后认为,亚马孙河长6650千米;有的认为长6800千米等。亚马孙河到底有多长呢?

20世纪90年代初以来,巴西国家空间研究所、巴西空间活动委员会一直在进行巴西空间计划,运用卫星遥感和地理处理系统,对亚马孙河进行考察研究。1996年,巴西国家空间研究所用同样的卫星图像技术,完成了对亚马孙河和尼罗河的长度测量。

高科技,新发现。卫星顺藤摸瓜发现了亚马孙河的新源头。遥感和地理信息系统计算显示:亚马孙河长6992.15千米,尼罗河长6852.06千米。测量证实,亚马孙河的长度超过了尼罗河,成为世界最长的河流。

巴西国家空间研究所的卫星图像空间分辨率分为25米和250米两种。卫星测量的长度为6992.15千米,误差250米以下。对于长距离的测量,一个画面获得25米或250米的图像分辨率,是在技术指标、可接受的错误之内。巴西国家空间研究所将地理信息系统显示的数字图像与美国国家航空航天局的图片对比,几乎没有差异。

2001年,美国国家地理学会利用“深蓝-1”号测地卫星测量亚马孙河的长度为6992千米,比原先增加了约476千米;尼罗河的长度约6853千米,比亚马孙河新测得的数据短了140千米。美国国家航空航天局利用国际空间站拍摄的照片也证实了亚马孙河的精确长度。

2007年6月,秘鲁地理研究所、巴西国家水资源局、巴西地理统计局和巴西国家空间研究所的专家对亚马孙河最远的小溪进行了科学的测量。根据中国与巴西共同研制的“中巴资源”卫星、CCD图像和谷歌平台提供的数据,确定了源头探险定义。经过14天的考察,专家在秘鲁南部冰雪覆盖的5500多米高的米斯米山区找到最远的源头。一条河流通向一处深山峡谷,绵延而上直达雪峰。这条从未被发现的河流,来源于森林中的一个瀑布。瀑布之上是几条蜿蜒的小溪,其中一条小溪的尽头,涓涓雪水正从悬崖石缝里汩汩而出。人们在此立了一块白色的“亚马孙河源头”的十字架。

谁是世界第一长河?这是最具争议的话题。尽管争议还未结束,但亚马孙河为世界第一长河的地位已经确立。谁都想当世界第一长河的主人。测地卫星帮助巴西改变世界大河的排名,与秘鲁、哥伦比亚一起成为分享亚马孙河的幸运国家。

“海神”号海洋环流测量卫星

1992年8月10日,美国和法国合作的“海神”号海洋环流测量卫星发射。卫星重2402千克,运行在1330千米的圆形轨道上。卫星以希腊神话中的海神“波塞冬”命名。“海神”号只有3年的设计寿命,工作却超过了13年,围绕地球轨道运行62000多圈。2005年10月后,“海神”号的一只动量轮发生故障。2006年1月18日,“海神”号自动关闭,卫星慢慢从空间轨道上消失。

“海神”号是世界上第一颗海洋环流测量卫星。它最重要的成果是确定了海洋环流模式:热量如何从一个海洋流动到另一个海洋。由于海洋储存了太阳对地球的大部分热量,海洋环流是引起气候变化的动力。科学家建立了全球海洋环流的计算机模型,并利用这些数据,为预测和改善气候提供依据。

山不在高,有仙则名;水不在深,有龙则灵。山有多高,水有多深,测量卫星一目了然。“海神”号上有一个先进的雷达测高仪,能提供95%无冰海洋表面高度的测量,测量的精确度在3.3厘米。它先将海底确定一条测量基准线,通过雷达测高仪就可以知道卫星的高度,知道卫星的高度后就可以测量各种海洋深度和高度。

“海神”号能提供精确度空前的全球海洋表面地图;能进行对海洋环流导致气候变化、海浪的测量。“海神”号用10天时间就能完成全球海洋地形测绘工作,精度在2厘米以内,而地面调查需要100年!卫星测量证实:近年来全球海平面每年升高3毫米。

“优雅”地球重力卫星

2002年3月17日,“优雅”地球重力卫星在俄罗斯普列谢茨克航天中心发射。“优雅”卫星的学名是“重力恢复与气候试验”卫星,缩写后就有了一个漂亮的名字——“优雅”。“优雅”卫星的任务是绘制最精确的地球重力图,并且揭示重力如何随时间变化。“优雅”卫星配有先进的火箭发动机,可以根据需要随时变轨,有更大的灵活性,一般的卫星很难做到。优雅”卫星没有“翅膀”,但飞得更自由。