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人造衛星,指環繞地球飛行並在空間軌道運行一圈以上的無人航天器。簡稱人造衛星。人造衛星是發射數量最多,用途最廣發展最快的航天器。自20世紀50年代以來人類已先後發射了約5000多個人造航天器,其中絕大部分是人造地球衛星。1957年10月4日,蘇聯發射了世界上第一顆人造衛星。之後美國、法國、日本也相繼發射了人造衛星。中國也於1970年發射了東方紅1號衛星,其衛星質量超過了之前幾國發射的第一顆衛星。

1 人造衛星 -概述

人造衛星人造衛星(點擊查看更多)
人造衛星(Manmade Satellite),:環繞地球在空間軌道上運行(至少一圈)的無人航天器,人造衛星基本按照天體力學規律繞地球運動,但因在不同的軌道上受非球形地球引力場、大氣阻力、太陽引力、月球引力和光壓的影響,實際運動情況非常複雜。人造衛星是發射數量最多、用途最廣、發展最快的航天器。人造衛星發射數量約佔航天器發射總數的90%以上,一般由專用系統和保障系統組成。

2 人造衛星 -組成特點

人造衛星一般由專用系統和保障系統組成。專用系統是指與衛星所執行的任務直接有關的系統,也稱為有效載荷。應用衛星的專用系統按衛星的各種用途包括:通信轉發器,遙感器,導航設備等。科學衛星的專用系統則是各種空間物理探測、天文探測等儀器。技術試驗衛星的專用系統則是各種新原理、新技術、新方案、新儀器設備和新材料的試驗設備。保障系統是指保障衛星和專用系統在空間正常工作的系統,也稱為服務系統。主要有結構系統、電源系統、熱控制系統、姿態控制和軌道控制系統、無線電測控系統等。

人造衛星朱宣咸作品《並肩前進》

對於返回衛星,則還有返回著陸系統。

人造衛星的運動軌道取決於衛星的任務要求,區分為低軌道、中高軌道、地球同步軌道、地球靜止軌道、太陽同步軌道,大橢圓軌道和極軌道。人造衛星繞地球飛行的速度快,低軌道和中高軌道衛星一天可繞地球飛行幾圈到十幾圈,不受領土、領空和地理條件限制,視野廣闊。能迅速與地面進行信息交換、包括地面信息的轉發,也可獲取地球的大量遙感信息,一張地球資源衛星圖片所遙感的面積可達幾萬平方千米。

在衛星軌道高度達到35800千米,並沿地球赤道上空與地球自轉同一方向飛行時,衛星繞地球旋轉周期與地球自轉周期完全相同,相對位置保持不變。此衛星在地球上看來是靜止地掛在高空,稱為地球靜止軌道衛星,簡稱靜止衛星,這種衛星可實現衛星與地面站之間的不間斷的信息交換,並大大簡化地面站的設備。目前絕大多數通過衛星的電視轉播和轉發通信是由靜止通信衛星實現的。

3 人造衛星 -觀測站

偵察衛星 在各類應用衛星中偵察衛星發射得最早(1959年發射),發射的數量也最多。偵察衛星有照相偵察和電子偵察衛星兩種。照相偵察衛星是用光學設備對地面目標進行拍照的衛星。20世紀70年代以來,前蘇聯和美國每年發射的軍用衛星中,約有1/3的衛星用於各種形式的照相偵察,它們在近地軌道上進行普查和詳查。 電子偵察衛星利用星載電子設備截獲空間傳播的電磁波,並轉發到地面,通過分析和破譯,獲得敵方的情報。電子偵察的目的是確定他方的飛機、雷達等系統的位置和特徵參數,竊聽他方的無線電和微波通信。電子偵察衛星以無線電探測和記錄設備完成這些使命。
人造衛星人造衛星


氣象衛星 氣象衛星利用所攜帶的各種氣象遙感器,接收和測量來自地球、海洋和大氣的可見光輻射、紅外線輻射和微波輻射信息,再將它們轉換成電信號傳送給地面接收站。氣象人員根據收集的信息,經過處理,得出全球大氣溫度、濕度、風等氣象要素資料。幾小時就可得到全球氣象資料,從而做出長期天氣預報,確定颱風中心位置和變化,預報颱風和其它暴。氣象衛星對於保證航海和航空的安全,保證農業、漁業和畜牧業生產,都有很大作用。

氣象衛星已由單純的氣象試驗,發展到多學科和多領域的綜合應用;由低軌道系統,發展到高軌道系統,形成了全球氣象衛星觀測網。氣象衛星在軍事活動中的應用也日益加強,有的國家已建立了全球性的軍事氣象資料的收集系統,向軍事單位提供實時的或非實時的氣象資料,隨著航天技術的進一步發展,氣象遙感器將向多樣化、高精度方向發展,大大豐富氣象預報的內容和提高預報精度。同時氣象衛星提供的雲圖也將由靜態雲圖向動態雲圖方向發展,這將會引起氣象衛星發展的一次重大突破。

地球資源衛星 資源衛星是在偵察衛星和氣象衛星的基礎上發展而來的。利用星上裝載的多光譜遙感器獲取地面目標輻射和反射的多種波段的電磁波,然後把它傳送到地面,再經過處理,變成關於地球資源的有用資料。它們包括地面的和地下的,陸地的和海洋的等等。地球資源衛星可廣泛用於:地下礦藏、海洋資源和地下水源調查;土地資源調查,土地利用,區域規劃;調查農業、林業、畜牧業和水利資源合理規劃管理;預報農作物長勢和收成;研究自然植物的生成和地貌;考查和監視各種自然災害如病蟲害、森林火災、洪水等;環境污染、海洋污染;測量水源,雪源;鐵路,公路選線,港口建設,海岸利用和管理,城市規劃。地球資源衛星具有重大的經濟價值和潛在的軍事用途。 

海洋衛星 海洋是生命的搖籃和風雨的故鄉,海洋與人類的密切關係正逐漸被認識。海洋控制著自然界中水的循環和大氣運動,主導調節大陸的氣候,提供廉價的運輸條件和高質量的水產食物。海洋中蘊藏著巨大的能源和礦物資源。對海洋、海岸線的調查、研究、利用和開發,雖然可以利用氣象衛星、地球資源衛星獲得一些資料和數據,但不解決根本問題,例如資源衛星遙感器波段主要在可見光和近紅外波段,而海洋遙感器波段主要在紅外和微波波段。海洋衛星的任務是海洋環境預報,包括遠洋船舶的最佳航線選擇,海洋漁群分析,近海與沿岸海洋資源調查,沿岸與近海海洋環境監測和監視,災害性海況預報和預警,海洋環境保護和執法管理,海洋科學研究,以及海洋浮標、台站、船舶數據傳輸,海上軍事活動等。當然,作為觀測站的衛星遠不止以上幾種,預警衛星、核爆炸探測衛星、天文預測衛星(如美國的「哈勃」太空望遠鏡)等均屬於這一類。雖然它們的功能各有側重,但基本觀測原理都是相似的。

4 人造衛星 -中繼站

通信衛星 利用衛星進行通信和平常的地面通信相比較,具有下列優點:通信容量大;覆蓋面積廣; 通信距離遠; 可靠性高;靈活性好; 成本低。通信衛星一般採用地球靜止軌道,相當於靜止在天空上。若有3顆地球靜止軌道衛星,彼此相隔120度,就可實現除地球兩極部分地區外的全球通信。通信衛星已用於國際、國內和軍事通信業務,同時開展了區域性通信和衛星對衛星的通信。衛星通信技術已賦有很濃的軍事色彩,它在戰略通信和戰術通信中佔有絕對的優勢。各國已有的國際、國內衛星通信系統都承擔著軍事通信任務。通信衛星已進入相當成熟的實際應用階段,特別是隨著地球靜止軌道衛星通信技術的發展,它的應用日益廣泛。它可用於傳輸電話、電報、電視、報紙、圖文傳真、語音廣播、時標、數據、視頻會議等。
人造衛星東方紅一號
 

廣播衛星 廣播衛星是一種主要用於電視廣播的通信衛星。這種廣播衛星不需要經過任何中轉就可向地面轉播或發射電視廣播節目,供公眾團體或者個人直接接收,因此又稱為直播衛星。目前普通的家庭電視機配一架直徑不到的天線就可以直接接收直播衛星的電視廣播節目。

跟蹤和數據中繼衛星 跟蹤和數據中繼衛星是通信衛星技術的一個重大發展。它是利用衛星來跟蹤與測量另一顆衛星的位置,其基本思想是把地球上的測控站搬到地球同步軌道上,形成星地測控系統網。這樣可大大增加對近地軌道衛星,如氣象衛星、偵察衛星、資源衛星、海洋衛星、通信衛星等的跟蹤測軌弧段,提高測軌精度,減少地面站的設置數量。跟蹤和數據中繼衛星就是利用地球同步軌道衛星實現地面測控中心對低軌道衛星的跟蹤和數據中繼。發展跟蹤和數據中繼衛星將改變目前航天活動對地面測控的過分依賴性,同時也可以克服在國外無法設置地面站的困難,所以受到了世界各航天大國的普遍重視。中國目前也在積極地發展這種衛星技術。  

5 人造衛星 -基準站

GPS系統GPS系統
 導航衛星 這種衛星發出一對頻率非常穩定的無線電波,海上船隻、水下的潛艇和陸地上的運動體等都可以通過接收衛星發射的電波信號來確定自己的位置。利用導航衛星進行導航是航天史上的一次重大技術突破,衛星可以覆蓋全球進行全天候導航,而且導航精度高,衛星導航定位有三種類型: 雙頻多普勒測速定位系統,如美國的「子午儀」導航衛星系統。該類衛星為兩維導航定位系統,只能用於水中艦船,定位精度為30~50m。「子午儀」衛星研製始於1958年,1964年開始投入使用,起初是為水下核潛艇定位服務的,目前已停止使用;導航衛星全球定位系統(GPS)。採用偽隨機碼測距,系統能進行全天候、全天時、實時三維導航定位,定位精度10 以下,用於艦船、飛機和陸上活動目標等。該系統需要18~24顆衛星組網。俄羅斯亦有類似於美國的兩代導航衛星系統;區域性導航定位系統。3顆星(靜止軌道)提供三維位置。若發射兩顆星則只能提供二維位置,如果用戶能夠提供自身的高程,則可以算出三維位置。該系統特點是同時能為百萬用戶服務,互不干擾,保密性好。

測地衛星 衛星測地的原理與衛星導航的原理相似。由於地面上的測量站是固定的,所以測量精度比對艦船導航定位的精度高。衛星測地目前達到的精度比常規大地測量的精度高几十倍以上。測地衛星可完成大地測量、地形測定、地圖測繪、地球形狀測量,以及重力和地磁場測定。衛星測地在軍事、科學研究和民用方面受到重視,許多國家研製和發射了測地衛星系統。利用衛星進行測地,為測繪工作提供了現代化手段,工作周期短,測量精度高,大大節省了人力、物力和財力。特別是要建立精確的全球性地理坐標系或三維地圖,利用衛星測地是惟一可行的測量手段。隨著科技水平的不斷提高,測地衛星的應用也日益廣泛,如人們利用測地衛星測量地殼移動從而監視和預報地震等。測地衛星有主動和被動之分,可採用三角測量、激光測距、多普勒系統等多種手段達到測地目的。

6 人造衛星 -軌道武器

攔截衛星 衛星作為一種武器在軌道上接近,識別並摧毀敵方空間系統,這種衛星被稱為反衛星衛星。反衛星衛星的攔截方式可以有多種,主要有:使攔截衛星在空間與目標衛星相遇,然後自爆以摧毀目標;從攔截衛星上發射反衛星武器,如激光、粒子和微波等定向高能束射武器;攔截衛星用自身攜帶的小型火箭助推器加速,與目標衛星相碰撞;設法使目標衛星失去工作能力,如利用核輻射擊毀目標衛星的電路與結構,向目標衛星相機鏡頭上噴射物質等等。早在20世紀50年代末期,美國和前蘇聯就開始研究攔截衛星。目前,俄羅斯已經掌握了1000km以下攔截衛星的技術,美國也在90年代成功地進行了在軌反衛星試驗。 

軌道轟炸系統 軌道轟炸系統是一種空間對地的進攻型武器。其任務是將武器部署在地球軌道上,當它繞地球運行到指定位置時,用反推減速火箭使其減慢速度,降低軌道,按地面指令射向目標。

7 人造衛星 -運行軌道

人造衛星人造衛星
地球同步軌道

是運行周期與地球自轉周期相同的順行軌道。但其中有一種十分特殊的軌道,叫地球靜止軌道。這種軌道的傾角為零,在地球赤道上空35786千米。地面上的人看來,在這條軌道上運行的衛星是靜止不動的。一般通信衛星,廣播衛星,氣象衛星選用這種軌道比較有利。地球同步軌道有無數條,而地球靜止軌道只有一條。

太陽同步軌道

是軌道平面繞地球自轉軸旋轉的,方向與地球公轉方向相同,旋轉角速度等於地球公轉的平均角速度(360度/年)的軌道,它距地球的高度不超過6000千米。在這條軌道上運行的衛星以相同的方向經過同一緯度的當地時間是相同的。氣象衛星、地球資源衛星一般採用這種軌道。

極地軌道

是傾角為90度的軌道,在這條軌道上運行的衛星每圈都要經過地球兩極上空,可以俯視整個地球表面。氣象衛星、地球資源衛星、偵察衛星常採用此軌道。

順行軌道

順行軌道的特點是軌道傾角即軌道平面與地球赤道平面的夾角小於90度。在這種軌道上運行的衛星,絕大多數離地面較近,高度僅為數百公里,故又將其稱為近地軌道。中國地處北半球,要把衛星送入這種軌道,運載火箭要朝東南方向發射,這樣能夠利用地球自西向東自轉的部分速度,從而可以節約火箭的能量。地球自轉速度可以通過赤道自轉速度、發射方位角和發射點地理緯度計算出來。不難想象,在赤道上朝著正東方向發射衛星,可利用的速度最大,緯度越高能用的速度越小。中國用長征一號、風暴一號兩種運載火箭發射的8顆科學技術試驗衛星,用長征二號、二號丙、二號丁3種運載火箭發射的17顆返回式遙感衛星以及用長征二號F運載火箭發射的神舟號試驗飛船,都是用順行軌道。它們都是從酒泉發射中心起飛被送入近地軌道運行的。通過長征三號甲運載火箭發射的1顆北斗導航試驗衛星也是採用順行軌道。

逆行軌道

逆行軌道的特徵是軌道傾角大於90度。欲把衛星送入這種軌道運行,運載火箭需要朝西南方向發射。不僅無法利用地球自轉的部分速度,而且還要付出額外能量克服地球自轉。因此除了太陽同步軌道外,一般都不利用這類軌道。由於地球表面不是理想的球形,其重力分佈也不均勻,使衛星軌道平面在慣性空間中不斷變動。具體地說,地球赤道部分有些鼓漲,對衛星產生了額外的吸引力,給軌道平面附加了1個力矩,使軌道平面慢慢進動,進動方向與軌道傾角有關。當軌道傾角大於90度時,力矩是逆時針方向,軌道平面由西向東進動。適當調整衛星的軌道高度、傾角和形狀,可使衛星軌道平面的進動角速度每天東進0.9856度,恰好等於地球繞太陽公轉的日平均角速度,這就是應用價值極大的圓形太陽同步軌道。

赤道軌道 赤道軌道的特點是軌道傾角為0度,衛星在赤道上空運行。這種軌道有無數條,但其中的一條地球靜止軌道具有特殊的重要地位。由於衛星飛行速度隨距地面的高度而變化,軌道越高,速度越小,環繞周期越長,故由計算可知,當其在赤道上空35786公里高的圓形軌道上由西向東運行1周的時間,恰好是23小時56分4秒,正與地球自轉一周的時間相同,這條軌道就被稱為地球靜止軌道。因為衛星環繞周期等於地球自轉周期,兩者方向又一致,故相互之間保持相對靜止。

極地軌道

就衛星軌道類型來說,還有一種軌道傾角為90度的極地軌道。它是因軌道平面通過地球南北兩極而得名。在這種軌道上運行的衛星可以飛經地球上任何地區上空。中國雖未研製運行於此類軌道的衛星,但發射過此類軌道的衛星。長征二號丙改進型火箭以1箭雙星的方式6次從太原起飛,把12顆美國銥星送入太空,就屬於這種發射方式。

8 人造衛星 -工程系統

人造衛星人造衛星

通用系統有結構,溫度控制,姿態控制,能源,跟蹤,遙測,遙控,通信,軌道控制,天線等等系統,返回式衛星還有回收系統,此外還有根據任務需要而設的各種專用系統。人造衛星能夠成功執行預定任務,單憑衛星本身是不行的,而需要完整的衛星工程系統,一般由以下系統組成:

1、發射場系統

2、運載火箭系統

3、衛星系統

4、測控系統

5、衛星應用系統

6、回收區系統(限於返回式衛星)

9 人造衛星 -組成部分

有效載荷

1、對地相機

2、恆星相機

3、搭載的有效載荷

人造衛星1號衛星平台

1、服務系統

2、熱控分系統

3、姿態和軌道控制分系統

4、程序控制分系統

5、遙測分系統

6、遙控分系統

7、跟蹤和測試分系統

8、供配電分系統

9、返回分系統(限於返回式衛星)

10 人造衛星 -世界之最

美國於1958年1月31日成功地發射了第一顆「探險者」-1號人造衛星。該星重8.22公斤,錐頂圓柱形,高203.2厘米,直徑15.2厘米,沿近地點360.4公里、遠地點2531公里的橢圓軌道繞地球運行,軌道傾角33.34」,運行周期114.8分鐘。發射「探險者」-1號的運載火箭是「丘辟特」℃四級運載火箭。

法國於1965年11月26日成功地發射了第一顆「試驗衛星」-1(A-l)號人造衛星。該星重約42公斤,運行周期108.61分鐘,沿近地點526.24公里、遠地點1808.85公里的橢圓軌道運行,軌道傾角34。24」。發射A1衛星的運載火箭為「鑽石,tA號三級火箭,其全長18.7米,直徑1.4米,起飛重量約18噸。

人造衛星人造衛星1號內部

日本於1970年2月11日成功地發射了第一顆人造衛星「大隅」號。該星重約9.4公斤,軌道傾角31.07」,近地點339公里,遠地點5138公里,運行周期144.2分鐘。發射「大隅」號衛星的運載火箭為「蘭達」-45四級固體火箭,火箭全長16.5米,直徑0.74米,起飛重量9.4噸。第一級由主發動機和兩個助推器組成,推力分別為37噸和26噸;第二級推力為11.8噸;第三、四級推力分別為6.5噸和1噸。

中國於1970年4月24日成功地發射了第一顆人造衛星「東方紅」1號。該星直徑約1米,重173公斤,沿近地點439公里、遠地點2384公里的橢圓軌道繞地球運行,軌道傾角68,5」,運行周期114分鐘。發射「東方紅」1號衛星的遠載火箭為「長征」1號三級運載火箭,火箭全長29,45米,直徑2.25米,起飛重量81.6噸,發射推力112噸。

英國於1971年10月28日成功地發射了第一顆人造衛星「普羅斯帕羅」號,發射地點位於澳大利亞的武默拉(Woomera)火箭發射場,運載火箭為英國的黑箭運載火箭.近地點537公里,遠地點1593公里。該星重66公斤(145磅),主要任務是試驗各種技術新發明,例如試驗一種新的遙測系統和太陽能電池組。它還攜帶微流星探測器,用以測量地球上層大氣中這種宇宙塵高速粒子的密度。除上述國家外加拿大、義大利、澳大利亞、德國、荷蘭、西班牙、印度和印度尼西亞等也在準備自行發射或已經委託別國發射了人造衛星。

1957年10月4日,蘇聯發射了第一顆人造地球衛星。這一事件具有劃時代的意義,它宣告人類已經進入空間時代。第一顆人造地球衛星呈球形,直徑58厘米,重83.6公斤。它沿著橢圓軌道飛行,每96分鐘環繞地球一圈。人造地球衛星內帶著一台無線電發報機,不停地向地球發出「滴—滴—滴」的信號。一些人圍著收音機。側耳傾聽著初次來自太空的聲音。另一些人則仰望天空,試圖用肉眼在夜晚搜索人造地球衛星明亮的軌跡。但是,當時認識很少有人了解人造地球是載人宇宙飛船的前導,科學家正在加緊準備載人空間飛行。

1957年11月3日,蘇聯又發射了第二顆人造地球衛星,它的重量一下增加了5倍多,達到508公斤。這顆衛星呈錐形,為了在衛星上節省出位置增設一個密封生物艙,不得不把許多測量儀器一道最末一節火箭上去。在圓柱形的艙內安然靜卧著一隻名叫「萊卡依」的小狗。小狗身上連接著測量脈搏、呼吸、血壓的醫學儀器,通過無線電隨時把這些數據報告給地面。為了使艙內空氣保持新鮮清潔,還安裝了空氣再生裝置和處理糞便的排泄裝置。艙內保持一定的溫度和濕度,使小狗感到舒適。另外還有一套自供食裝置,一天三次定時點亮信號燈,通知萊依卡用餐。使人遺憾的是,由於當時技術水平的限制,這顆衛星無法收回,試驗狗在衛星生物艙內生活了一個星期,完成全部實驗任務后,只好讓它服毒自殺,成為宇航飛行中的第一個犧牲者。

11 人造衛星 -用途分類

軌道種類

地球靜止軌道(GEO: Geostationary Orbit)

高軌道衛星,距離地表約36000公里高空,並且於赤道上繞行地球,又稱同步軌道衛星

極軌道(Polar Orbit)

太陽同步准回歸軌道(Synchronous near Recurrent Orbit)

軌道高度

高軌道衛星(又稱同步軌道衛星):地球靜止軌道(Geo: Geostationary Orbit)

高軌道衛星距離地表約36000公里高空,並且於赤道上繞行地球,又稱同步軌道衛星或地球靜止軌道衛星

中軌道衛星:中地球軌道(MEO: Medium-Earth Orbit)

低軌道衛星(又稱繞極衛星):低地球軌道(LEO: Low-Earth Orbit)

人造衛星衛星重量

大型衛星(大於3000kg)>3噸

中型衛星(小於3000kg)<3噸

小型衛星(小於1000kg)<1噸

迷你型衛星(150kg)

微衛星(50kg)

衛星功能

商業通訊衛星

科學衛星

軍事衛星

飛行方式

返回式衛星

非返回式衛星(或稱傳輸式衛星)

著名的人造衛星(按發射時間排列)

蘇聯史潑尼克一號(1957年10月4日)

美國同步通信衛星1號(1963年)、2號(1963年)和3號(1964年)

中國東方紅一號(1970年)

加拿大兄弟1號 (1972年)

Hermes 通信衛星 (1976年)

KEO 衛星 - 一個太空 時間囊 (2006年)

衛星服務

衛星電話

衛星互聯網

衛星電視

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