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第10章 太空中的人造天体——人造卫星(2)

我国的通信卫星发展起步较晚,第一颗静止轨道通信卫星是1984年4月8日发射的,命名为“东方红2号”,之后又成功发射了多颗地球同步实用通信卫星。这些卫星先后承担了广播、电视信号传输,远程通讯等工作,为国民经济建设发挥了巨大作用。

随着航天技术和电子信息技术的发展,通信卫星已开始逐步应用于电视教育、电视电话、医疗会诊、环境监测、情报检索等各领域。事实表明,通信卫星开始了全球卫星通信的新时代,是信息化社会到来的明显标志之一。

为人类测云卜雨的气象卫星

明天天气怎么样?这是人们经常要问的一个问题。可是用地面气象台、气球、飞机,乃至火箭等去观察天气却有很大局限性,而且地球上有80%的地区无法用上述工具去观测,于是气象卫星便大显身手。气象卫星是对地球及其大气层进行气象观测的人造地球卫星,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。

美国“泰罗斯1号”气象卫星根据运行轨道的不同,气象卫星分为极轨气象卫星和静止气象卫星两种。一颗围绕地球两极运行的极轨气象卫星每天对全球进行两次气象观测,可获取全球气象资料。一颗运行在地球赤道上空的静止气象卫星则能对全球近1/3的地区连续进行气象观测,在30分钟或更短时间内获取一幅全景圆盘图,实时将资料送回地面。

1960年4月1日,美国发射了世界上第一颗试验性气象卫星“泰罗斯1号”。这颗试验气象卫星呈18面柱体,高48厘米,直径107厘米。卫星上装有电视摄像机、遥控磁带记录器及照片资料传输装置。它在700千米高的近圆轨道上绕地球运转1135圈,共拍摄云图和地势照片22952张,有用率达60%,具有当时最优秀的技术性能。

气象卫星图美国从1960年至1965年间,共发射了10颗“泰罗斯”气象卫星,其中最后两颗为太阳同步轨道卫星。1966年2月3日,美国研制并发射了第一颗实用气象卫星“艾萨1号”,它是美国第二代太阳同步轨道气象卫星,轨道高度约1400千米,云图的星下点分辨率为4000米。从1966年至1969年间,又发射了9颗,获得了大量气象资料。它们的发射成功开辟了世界气象卫星研制的新领域,大大减少了由于气象原因造成的各种损失。

苏联的气象卫星命名为“流星号”,分Ⅰ、Ⅱ号两个系列。“流星Ⅱ号”卫星为太阳同步轨道卫星,每天两次探测全球有关云层分布、雪和冰层覆盖、地面温度、云顶高度等数据,并将数据传给本国及其他国家的60多个自动图像接收站,业务十分繁忙。

中国“风云2号”气象卫星

我国1988年9月7日发射了第一颗气象卫星“风云2号”太阳同步轨道气象卫星。卫星云图的清晰度可与美国“诺阿”卫星云图媲美,但由于星上元器件发生故障,它只工作了39天。后成功发射了四颗极轨气象卫星(“风云号”)和三颗静止气象卫星(“风云2号”),经历了从极轨卫星到静止卫星,从试验卫星到业务卫星的发展过程。

我国的极轨气象卫星和静止气象卫星已经进入业务化,在轨运行的卫星分别是“风云1号D星”和“风云2号C星”。我国是世界上少数几个同时拥有极轨和静止气象卫星的国家之一,是世界气象组织对地观测卫星业务监测网的重要成员。

以前,人们只能从下往上拍摄云图,由于上层云被下层云遮住,所以往往拍摄不到上层云。有了气象卫星,就可以从上往下拍摄云图。气象卫星主要凭借电视摄像机和气象遥感器来实现对地观测。卫星上的电视摄像机开启快门后,会把图像信息转化成电信号存储下来,并发回到地面接收站上。

气象遥感器能够接收和测量地球及其大气的可见光、红外和微波辐射,并将它们转换成电信号传送到地面。地面站接收后,经过计算机处理就可以得到云的形状、云顶高度、大气温度和湿度、海面温度和冰雹覆盖面积等,进一步处理后就可以发现天气变化的趋势。把气象卫星获得的气象资料跟其他探测方法获得的气象资料一起进行综合分析后,就可以准确地预报天气了。

气象卫星除了对天气预报和气候预测有重要作用外,在自然灾害和地球环境监测以及海洋、航空、航海和农业、渔业等方面都有着广泛应用价值,是应用卫星中重要的多用途卫星,具有显著的社会和经济效益。

知识点

卫星云图

我们在天气预报中常常听到预报员提到“卫星云图”一词,什么是卫星云图呢?所谓的卫星云图就是由气象卫星自上而下观测到的地球上的云层覆盖和地表面特征的图像。

卫星对地球的观测已经成为当今世界不可或缺的信息来源。利用卫星云图可以识别不同的天气系统,确定它们的位置,估计其强度和发展趋势,为天气分析和天气预报提供重要的依据。在海洋、沙漠、高原等缺少气象观测台站的地区,卫星云图所提供的资料,弥补了常规探测资料的不足,对提高预报准确率起了重要作用。

探矿寻宝的地球资源卫星

资源卫星是勘测和研究地球自然资源的卫星。根据观测重点的不同,地球资源卫星分为陆地资源卫星和海洋资源卫星。

美国“陆地卫星1号”资源卫星

资源卫星利用星上装载的多光谱遥感设备,获取地面物体辐射或反射的多种波段电磁波信息,然后把这些信息发送给地面站。由于每种物体在不同光谱频段下的反射不一样,地面站接收到卫星信号后,便根据所掌握的各类物质的波谱特性,对这些信息进行处理、判读,从而得到各类资源的特征、分布和状态等详细资料,人们就可以免去四处奔波、实地勘测的辛苦。

世界上第一颗陆地资源卫星是美国1972年7月23日发射的,名为“陆地卫星1号”。它采用近圆形太阳同步轨道,距地球920千米高,每天绕地球14圈。星上的摄像设备不断地拍下地球表面的情况,每幅图像可覆盖地面近两万平方千米,是航空摄影的140倍。

世界上第一颗海洋资源卫星也是美国发射的,时间为1978年6月,名为“海洋卫星1号”。它装备有各种遥测设备,可在各种天气里观察海水特征、测绘航线、寻找鱼群、测量海浪海风等。

中巴地球资源卫星资源卫星可称得上是勘探地球的行家。例如世界上最长的河流亚马逊河,长期以来该流域的资源状况一直是个谜。然而在20世纪80年代中期以后,人们在资源卫星的帮助下,没费多大力,就对这一河流的地形地貌、土壤植被、森林、矿藏等资源了如指掌。勘测发现,亚马逊河还有一条几千千米长的大支流。不得不说,这样惊人的发现,离不开资源卫星的功劳。

资源卫星还有许多用途,比如有考察农业作物种类、生长状况、收成情况、地质结构、地质断层、岩石类型、土壤特性、地面含水线、地表水源分布、工业污染程度等方面的用途;有观测海水特征、海水漂移、水陆界面、海水波浪、海面温度、海水分布和海面风、海流、海冰岛屿等方面的用途;有寻找鱼群、绘制航路和海底地形图、测量热带降雨量等方面的用途,为研究全球能量循环提供资料。

在矿物调查方面,资源卫星能够通过岩石的光谱特征和地形的类型来识别矿物种类和贮量、对地下能源进行查明和估计贮量、勘察海洋石油资源等。

在环境监测方面,它能够调查内陆水资源、监视海岸侵蚀,能够进行地震和火山探测、地理绘图和地质学研究、大气流以及海湾污染调查、臭氧层监视等。

在农业观测方面,它能进行作物产量估计、土壤含水量估计、早期病虫害预报、森林火灾预警、野生动物调查、鱼讯探测等。

在交通建设与建筑方面,它能进行公路铁路选址、地质调查等。例如1987年,我国在修建大同—秦皇岛的铁路时,遇到了拦路虎桑亁河。原以为这条河为不可通的地段,铁路须绕行40千米。而每千米的铁路建设费高达900万元人民币,还要占用数千亩良田。科学家研究了资源卫星提供的图片,证明桑亁河的地质条件可以让铁路搭桥通过,这样便减少了国家4亿元的投资。可以说,资源卫星的应用范围非常广泛,已远远超出了“资源”这一范围。

目前,资源卫星已形成了仅次于通信卫星的第二大航天产业。美国的陆地卫星系列、法国的斯波特系列、印度的遥感卫星系列、加拿大的雷达卫星系列、中国的资源卫星系列等都是当今有名的地球资源卫星。地球资源卫星已越来越成为一种多用途的遥感卫星,对国民经济发展具有十分重要的意义。

导航卫星是太空中的指南针

GPS系统导航卫星是为地面、海上、空中和空间用户提供导航定位参数的专用卫星,犹如悬在太空中的指南针。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和速度矢量分量。

人们研制导航卫星,最初仅仅出于军事目的。20世纪50年代末,美国海军为了解决北极星潜艇执行长期任务的导航问题,提出了研制“子午仪”导航卫星的计划,并于1958年12月与约翰·霍布斯金大学应用物理实验室签订了研制“子午仪”卫星的协议。1960年4月13日,“子午仪1B”卫星成功地发射。1963年12月,第一颗实用型“子午仪”卫星“5B—2号”发射成功。1964年6月,第一颗定型的“子午仪”卫星“5C—1号”发射,并交付海军使用。

美国“子午仪”卫星为提供全球导航能力,“子午仪”卫星采取组网形式,由6颗卫星组成,分布在6个等间距极轨道平面内。到1967年,组网工作完成,这个导航卫星网被命名为“海军导航卫星系统”(即NNSSS)。利用“子午仪”卫星,用户每隔90分钟就可利用卫星定位一次。通过用户接收机上的计算机进行计算,每次定位需要8~10分钟。单频接收机定位精度约80~100米左右;双频接收机导航定位精度可提高到15~25米。

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