人类为什么要制造卫星？

源济

人类为什么要制造卫星？

作者 / 太空精酿

因为卫星的作用实在太大了。

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。

斯普特尼克一号卫星（图源：公共版权）

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，这也意味着它的轨迹之下，一定有美国本土或海外领地。从当天的纽约时报标题就可以看出这种冲击：《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可以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。这意味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 卫星曾经在太空中连续工作了 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！

1977 年发射后，旅行者一号和二号一直工作至今（图源：NASA）

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远超过任何一种传统方式。

4.卫星可以携带各种各样的有效载荷，起到完全不同的功能，扩展空间极大。

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，随着人类航天走过 63 年，卫星的家族也越来越广，分类方法更是多种多样。本文主要从应用方面进行区分，目前的卫星种类主要有以下这些。

一、通信卫星

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。

按照不同需求，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。

一颗典型的 Viasat2 通信卫星（图源：公共版权）

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。

二、导航卫星

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，它可以实现全天候、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，人类已经完全无法离开美国 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。

中国北斗卫星导航系统（图源：中国北斗办）

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，其中同步地球轨道可以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。

三、气象卫星

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，根本没有意识到是它的功劳。

著名的微信开机画面“变脸”事件，右图背景就是风云四号 A 星拍摄的实景（图源：微信）

在实际应用中，定位于赤道上空静止地球轨道的气象卫星极其重要，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，数颗卫星即可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。

四、遥感卫星

相比巨大的地球，人类的活动范围实际上是微不足道的，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，它们可以在极短时间内飞过地球一圈。且卫星寿命一般可以长达数年，能长期稳定提供海量观测数据，远远超过人类的任何一种其他工具。

欧洲 Envisat 是一颗综合对地观测卫星（图源：ESA）

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。

五、科学卫星

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，这里几乎没有重力、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。

哈勃太空望远镜（图源：NASA）

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。

六、军用卫星

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。

锁眼卫星在 1984 年拍摄的军事造船厂高清图片（图源：公共版权）

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。广泛使用的 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。

可以说，军用卫星，永远代表着一个国家航天实力的最巅峰。