我國衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展中的應(yīng)用

黃靜 陳昭華

【摘要】我國航天事業(yè)起始于1956年，經(jīng)過六十多年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為世界航天強(qiáng)國，在通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、載人航天、空間站建設(shè)等方面都處在世界前列。本文概述目前我國通、導(dǎo)、遙衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢，并介紹了近年來我國商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。

【關(guān)鍵詞】通信衛(wèi)星;導(dǎo)航衛(wèi)星;遙感衛(wèi)星;商業(yè)衛(wèi)星

中圖分類號(hào)：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.20.004

1. 概述

1956年國防部第五研究院的成立標(biāo)志著我國航天事業(yè)的開端，1958年我國著手建設(shè)了第一個(gè)衛(wèi)星發(fā)射中心——酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，到1970年，長征一號(hào)運(yùn)載火箭首次發(fā)射，成功將我國第一顆人造衛(wèi)星——東方紅一號(hào)準(zhǔn)確送入預(yù)定軌道。我國成為世界上第五個(gè)能獨(dú)立研制和發(fā)射人造衛(wèi)星的國家。在隨后的50年中，我國成功發(fā)射了東方紅二號(hào)、亞洲一號(hào)、中星10號(hào)、中星16號(hào)等通信衛(wèi)星，北斗一、二、三號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星，高分系列、遙感系列、資源系列、天繪系列等遙感衛(wèi)星，截止到2021年6月，我國在軌衛(wèi)星數(shù)607顆，其中運(yùn)行衛(wèi)星數(shù)460顆，是世界上衛(wèi)星擁有量第二大的國家。

本文主要介紹我國衛(wèi)星事業(yè)中通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星的發(fā)展情況和未來發(fā)現(xiàn)規(guī)劃，并介紹近年來我國商業(yè)航天的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。

2. 通信衛(wèi)星

衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站，轉(zhuǎn)發(fā)或反射空間電磁波來實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)。在赤道上空等間隔分布的3顆同步軌道通信衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)除兩極部分地區(qū)外的全球通信。在現(xiàn)有衛(wèi)星通信市場上，地球同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)仍占主導(dǎo)地位。通信衛(wèi)星是世界上應(yīng)用最早、最廣的衛(wèi)星之一。

通過通信衛(wèi)星進(jìn)行通信相較于傳統(tǒng)通信具有覆蓋范圍廣、通信容量大、鏈路穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。衛(wèi)星通信一跳的通信距離最遠(yuǎn)為18000公里，覆蓋區(qū)內(nèi)的用戶都可通過通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)多址連接，進(jìn)行及時(shí)通訊。此外無線通信的頻率越高可利用的頻帶寬度就越寬，信道容量就越大，可避免頻道間的干擾。而衛(wèi)星通信一般使用1-10GHz的微波波段，有很寬頻率范圍，可在兩點(diǎn)間提供多條話路，因此通信容量大。衛(wèi)星鏈路大部分在大氣層以上的宇宙空間，屬于恒參信道，傳輸損耗小，電波傳輸穩(wěn)定，因此鏈路穩(wěn)定性好，

早在1975年我國發(fā)射東方紅系列通信衛(wèi)星的工程就全面展開，從1984年開始，我國陸續(xù)發(fā)射了東方紅二號(hào)、三號(hào)、四號(hào)衛(wèi)星，鑫諾衛(wèi)星2號(hào)、6號(hào)，委內(nèi)瑞拉1號(hào)、巴基斯坦1R號(hào)，中星10號(hào)、16號(hào)等通信衛(wèi)星。隨著應(yīng)用需求的擴(kuò)大，通信衛(wèi)星向著寬帶化、多媒體化方向發(fā)展，對(duì)高通量衛(wèi)星（HTS）的需求日益凸顯。我國目前高通量衛(wèi)星中星16號(hào)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了我國除西北、東北的大部分陸地和近海近300km海域的覆蓋，支持百萬終端和多類型終端，衛(wèi)星總?cè)萘繛?0Gbps。計(jì)劃未來通過發(fā)射中星系列衛(wèi)星逐步實(shí)現(xiàn)全國國土和近海的基本覆蓋，2025年實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。

3. 導(dǎo)航衛(wèi)星

在現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)中，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供位置、速度、時(shí)間（PVT）信息，是定位、導(dǎo)航、授時(shí)（PNT）服務(wù)能力形成的基石。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)首次將全球空間和時(shí)間信息的能力集于一體，同時(shí)解決了高精度、高動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)性、全球性、全天候等一系列難題，真正實(shí)現(xiàn)了空間和時(shí)間信息的有機(jī)統(tǒng)一，具有重大意義。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前在網(wǎng)使用的，經(jīng)過聯(lián)合國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會(huì)認(rèn)定供應(yīng)商有：中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS），美國的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）和歐洲的伽利略（GALILEO）。

GPS全球定位系統(tǒng)是目前使用最廣泛最成熟的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)是由美國在19世紀(jì)七十年代開始研制的定位系統(tǒng)，于1994年建成使用。該系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星組成，包括21顆工作衛(wèi)星和3顆備份衛(wèi)星。GPS在軍用領(lǐng)域可提供達(dá)到厘米甚至是毫米級(jí)別的導(dǎo)航/定位精度，是美國GPS制導(dǎo)類炸彈和導(dǎo)彈的精度保證。在民用方面，GPS則提供10m級(jí)的定位和導(dǎo)航精度。

伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)由歐洲委員會(huì)和歐空局共同負(fù)責(zé)，于1999年首次公布伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)劃，共發(fā)射了三十顆衛(wèi)星，在2016年投入使用。伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是精度高，其免費(fèi)定位精確度可達(dá)到一米以內(nèi)，付費(fèi)服務(wù)精確度更高，達(dá)到厘米以內(nèi)。

俄羅斯從前蘇聯(lián)時(shí)期的1976年就開始推進(jìn)和美國GPS相抗衡的“格洛納斯”系統(tǒng)，但隨著20世紀(jì)90年代初期陷入經(jīng)濟(jì)危機(jī)，計(jì)劃被迫中斷。從1993年開始獨(dú)立建立。從2003年起，GLONASS系統(tǒng)進(jìn)入全面升級(jí)階段，2007年實(shí)現(xiàn)俄羅斯境內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)，2009年實(shí)現(xiàn)全球服務(wù)。

北斗定位系統(tǒng)是我國自主研制的全球定位系統(tǒng)。2003年建成了基于北斗一號(hào)系統(tǒng)三顆導(dǎo)航衛(wèi)星的全球定位系統(tǒng)，并開始投入使用。經(jīng)過17年的發(fā)展，今年已經(jīng)隨著北斗三號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)的第30顆衛(wèi)星成功發(fā)射，完成了北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星座部署。北斗衛(wèi)星一共發(fā)射了59顆衛(wèi)星，包含4顆北斗一號(hào)衛(wèi)星，20顆北斗二號(hào)衛(wèi)星，5顆北斗三號(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星和30顆北斗三號(hào)衛(wèi)星，除去試驗(yàn)、失效、退役的衛(wèi)星，目前在網(wǎng)的衛(wèi)星數(shù)量一共是45顆。

4. 遙感衛(wèi)星

遙感衛(wèi)星是一種利用衛(wèi)星上所裝載的遙感器對(duì)地球表面和低層大氣進(jìn)行光學(xué)或電子探測，以獲取有關(guān)信息的應(yīng)用衛(wèi)星。遙感衛(wèi)星能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)覆蓋整個(gè)地球或指定的任何區(qū)域，能連續(xù)地對(duì)地球表面某指定地域進(jìn)行遙感，主要有氣象衛(wèi)星、陸地衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星三種類型。

在氣象衛(wèi)星方面主要為風(fēng)云系列，目前在軌9顆（FY-2C/D/E/F、FY-3B/C/D、FY-4A），主要提供全球連續(xù)觀測，具備全球、定量、多光譜、高光譜的大氣、陸表、海洋三類特性參數(shù)獲取能力，技術(shù)水平國際領(lǐng)先，也在開展國際數(shù)據(jù)共享合作。中國是世界上在軌氣象衛(wèi)星數(shù)量最多、種類最全的國家，形成全天時(shí)、全天候、分鐘級(jí)的氣象預(yù)報(bào)、大氣環(huán)境監(jiān)測、氣象災(zāi)害監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)、海域使用管理以及全球氣候觀測、全球氣候變化應(yīng)對(duì)能力。在海洋系列衛(wèi)星方面，我國已成功發(fā)射3顆海洋衛(wèi)星（HY-1A/B、HY-2A），為海洋環(huán)境預(yù)報(bào)和全球氣候變化研究提供衛(wèi)星遙感信息，提供全球海洋高精度、多要素同步測量能力。在陸地觀測衛(wèi)星方面，主要有高分衛(wèi)星系列、資源衛(wèi)星系列、環(huán)境衛(wèi)星系列和商業(yè)遙感系列。

5. 商業(yè)衛(wèi)星

2014年11月，國務(wù)院頒發(fā)《關(guān)于創(chuàng)新重點(diǎn)領(lǐng)域投融資機(jī)制鼓勵(lì)社會(huì)投資的指導(dǎo)意見》，文件首次提出鼓勵(lì)民間資本參與國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，鼓勵(lì)民間資本研制、發(fā)射和運(yùn)營商業(yè)遙感衛(wèi)星，提供市場化、專業(yè)化服務(wù)。從2015年后，國家陸續(xù)出臺(tái)了多項(xiàng)促進(jìn)商業(yè)航天發(fā)展的政策，以推動(dòng)我國商業(yè)航天事業(yè)的發(fā)展。隨著政策的逐漸開放，涌現(xiàn)了一大批民營企業(yè)，同時(shí)資本快速注入大力推動(dòng)了我國商業(yè)航天的迅速發(fā)展，在火箭發(fā)射、衛(wèi)星制造、衛(wèi)星應(yīng)用等領(lǐng)域均有新的突破。

2015年10月7日，由長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司自主研發(fā)的“吉林一號(hào)”在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功發(fā)射，拉開了我國商業(yè)航天大幕。截止到2019年12月31日，共累計(jì)發(fā)射23次，僅2019年就發(fā)射了40顆商業(yè)衛(wèi)星，目前發(fā)射的商業(yè)衛(wèi)星主要是100公斤以下的微納衛(wèi)星，覆蓋通信、遙感、技術(shù)試驗(yàn)等多個(gè)領(lǐng)域。

我國在軌的商業(yè)遙感衛(wèi)星中，“高景一號(hào)”是首個(gè)完全由中國制造、發(fā)射和運(yùn)營的0.5米分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星星座;“珠海一號(hào)”是國內(nèi)目前唯一完成發(fā)射并組網(wǎng)的商用高光譜衛(wèi)星星座?！凹忠惶?hào)”2019年新發(fā)射的高分03A星具備低成本、低功耗、低重量、高分辨的特點(diǎn)。

目前商業(yè)通信衛(wèi)星方面，航天科技集團(tuán)正在推進(jìn)全球低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信與空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)，即“鴻雁星座”計(jì)劃，是我國投資規(guī)模最大的國家級(jí)商業(yè)航天項(xiàng)目。計(jì)劃通過數(shù)百顆衛(wèi)星構(gòu)建“海、陸、空、天”一體的衛(wèi)星移動(dòng)通信與空間互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全球任意地點(diǎn)的互聯(lián)網(wǎng)接入。此外還有低軌寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)的虹云工程、低軌窄帶通信衛(wèi)星星座的行云工程。

中國在剛開始研制衛(wèi)星時(shí)，就開始發(fā)展了科學(xué)探測與技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列?！盀t湘一號(hào)”實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的成功發(fā)展來開了我國科學(xué)實(shí)驗(yàn)商業(yè)衛(wèi)星的序幕。

6. 總結(jié)

經(jīng)過六十多年的發(fā)展，我國在運(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星、載人航天、空間應(yīng)用等領(lǐng)域均取得了世界矚目的成就。隨著2015年國家對(duì)商業(yè)航天的支持，更是為我國航天事業(yè)的快速發(fā)展注入了新的活力。2020年7月31日北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正式開通、2020年天問一號(hào)火星探測器的成功發(fā)射，這一系列的成績都離不開“航天精神”，只要堅(jiān)持自主創(chuàng)新、堅(jiān)持對(duì)外開放、攻克技術(shù)難關(guān)，中國航天定會(huì)續(xù)寫新篇章。

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