在航天飞行的背景下,卫星是一种被人类有意送入特定轨道的物体,这些物体被称为人造卫星,以区别于月球等自然卫星。
1957年10月4日,苏联发射了世界上第一颗人造卫星,Sputnik 1号。至今,来自40多个国家的大约8900颗卫星发射升空。根据2018年的估计,约有5000颗仍在轨道上。其中约1900个正在使用中,其余的已经超过了它们的使用寿命,成为太空碎片。[1]大约63%的卫星运行在低地球轨道,6%在中地球轨道(20000公里),29%在地球同步轨道(36,000公里),其余2%在椭圆轨道。[2]一些大型卫星已分段发射,并在轨道上组装。十几个太空探测器已经围绕在其它天体的轨道上运行,成为月球、水星、金星、火星、木星、土星、一些小行星、[3] 彗星和太阳的人造卫星。
人造卫星有许多用途。在其它一些应用中,它们可以用来制作星图和行星地表图,还可以拍摄它们被发射到的行星的照片。常见类型包括军用和民用地球观测卫星、通信卫星、导航卫星、气象卫星和空间望远镜。空间站和轨道上的载人飞船也是卫星。卫星轨道因卫星用途而异,按多种方式分类。常见的分类法就是低地球轨道、极地轨道和地球静止轨道。
运载火箭是将卫星送入轨道的火箭。通常,它从陆地上的发射台升空。有些则是从潜艇或移动海上平台或飞机上发射。
卫星通常采用半独立式计算机控制系统。卫星子系统参与许多任务,例如发电、热控制、遥测、姿态控制和轨道控制。
牛顿的“炮弹”是第一个发表的关于人造卫星可能性的数学研究,这是艾萨克·牛顿(Isaac Newton)《世界体系论》中的一个思考实验。
第一个关于卫星被发射到轨道上的虚构描述是爱德华·埃弗雷特·希尔(Edward Everett Hale)的短篇小说《The Brick Moon》。[4][5]这个想法在儒勒·凡尔纳(Jules Verne)的《The Begum's Fortune》(1879)中再次出现。
1903年,康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)(1857-1935)发表了《利用喷气推进装置探索太空》一文,这是第一篇关于利用火箭发射宇宙飞船的学术论文。他计算了最小轨道所需的轨道速度,而由液体推进剂驱动的多级火箭可以实现这一点。
1928年,赫尔曼·波托尼克(HermanPotočnik)(1892-1929)出版了他唯一一本书《太空旅行的问题——火箭发动机》。他描述了轨道航天器用于地面观测的情况,并描述了空间的特殊条件如何对科学实验产生作用。
在1945年的《无线世界》一篇文章中,英国科幻作家亚瑟·C·克拉克(Arthur C. Clarke)详细描述了通信卫星用于大众通信的可能性。[6]他认为三颗地球静止卫星将覆盖整个地球。
1948年12月29日,当美国国防部长詹姆斯·福莱斯特(James Forrestal)公开声明他的机构正在协调各种服务之间的项目时,美国军方已经开始研究被称为“地球卫星运载工具”的想法。[7]
第一颗人造卫星是斯普特尼克1号(Sputnik 1),由苏联于1957年10月4日发射,启动了苏联人造卫星计划,由谢尔盖·帕夫洛维奇·科罗廖夫担任首席设计师。这反过来引发了前苏联和美国之间的太空竞赛。
Sputnik 1号通过测量其轨道变化确定了高层大气的密度,并提供了电离层无线电信号分布的数据。此外,Sputnik 1号成功的消息使Sputnik危机在美国迅速崛起,并点燃了冷战期间所谓的太空竞赛。
Sputnik 2号于1957年11月3日发射升空,将第一名活着的乘客——一只名叫莱卡(Laika)的狗——送入轨道。[8]
1946年5月,兰德项目(Project RAND)发布了一个环绕世界的实验宇宙飞船的初步设计,其中指出,“一个配备适当仪器的卫星运载工具有望成为二十世纪最有力的科学工具之一。”[9]自1945年以来,美国一直考虑在美国海军航空局的领导下发射轨道卫星。美国空军的兰德项目最终发布了这份报告,但认为这颗卫星是科学、政治和宣传的工具,而不是潜在的军事武器。1954年,国防部长说,“我不知道美国有卫星项目。”[10]1954年2月,兰德项目发布了R.R. Carhart撰写的《卫星飞行器的科学用途》。[11]这扩大了卫星运载工具的潜在科学用途,随后在1955年6月由卡尔曼和凯洛格进行了“人造卫星的科学用途”探索。[12]
在为国际地球物理年(1957-1958年)计划的活动中,白宫于1955年7月29日宣布,美国打算在1958年春天发射卫星。这就是众所周知的先锋项目。7月31日,苏联宣布他们打算在1957年秋季发射一颗卫星。
在美国火箭学会(American Rocket Society)、国家科学基金会(the National Science Foundation)和国际地球物理年(the International Geophysical Year)的压力下,军事利益回升,在1955年初陆军和海军开始着手轨道飞行器项目,这是两个相互竞争的项目:陆军使用木星C火箭,而民用/海军计划使用先锋火箭发射卫星。Explorer 1号于1958年1月31日成为美国的第一颗人造卫星。[13]
1961年6月,在Sputnik 1号发射三年半之后,美国空间监视网对115颗地球轨道卫星进行了编录。[14]
早期的卫星是按照独特的设计建造的。随着技术的进步,多颗卫星开始建立在被称为卫星总线的单一模型平台上。第一个标准化的卫星总线设计是1972年发射的HS-333地球同步通信卫星(GEO)。
目前最大的人造卫星是国际空间站。
美国战略司令部下属的美国空间监视网(SSN)自1957年苏联发射人造卫星一号开启太空时代以来,一直在跟踪地球轨道上的物体。自那时以来,SSN已经跟踪了超过26000个目标。SSN目前正在跟踪的人造轨道载体多达8000多个。其余的已经重返地球大气层并解体,或者幸存下来并撞击地球。SSN可以跟踪直径10厘米或更大的物体,如环绕地球运行的几吨重的卫星或者甚至只有10磅重的废火箭体。大约7%是在轨运行卫星(即大约560颗卫星),其余是空间碎片。[15]美国战略司令部主要对活动卫星感兴趣,但也跟踪空间碎片,以避免这些碎片被误认为是来袭导弹。
非军事卫星服务有三个基本类别:
固定卫星服务处理地球表面特定点之间跨越所有国家和大陆的数千亿个语音、数据和视频传输任务。
移动卫星系统除了用作导航系统之外,还有助于将偏远地区、车辆、船只、人员和飞机与世界其他地方和其他移动或固定通信单元连接起来。
科学研究卫星提供气象信息、土地勘测数据(如遥感)、业余无线电和其他不同的科学研究应用,如地球科学、海洋科学和大气研究。
第一颗卫星“Sputnik 1号”被送入环绕地球的轨道,称为地心轨道。到目前为止,这是最常见的轨道类型,大约有1886颗[18]人造卫星环绕该轨道运行。地心轨道可以根据它们的高度、倾角和偏心率进一步分类。
地心轨道常用的高度分类是低地球轨道、中地球轨道和高地球轨道(HEO)。低地球轨道是任何2000公里以下的轨道。中地球轨道是任何2000至35786公里之间的轨道。高地球轨道是任何高于35786公里的轨道。
卫星的组织结构一般是通过链路与地面上的地面站相连。
卫星的多功能特性取决于其技术组件和运行特性。观察典型卫星的“解剖结构”,人们会发现两个模块。[20]请注意,一些新的架构概念,如分级航天器,在某种程度上打乱了这一分类。
总线模块由以下子系统组成:
结构子系统
结构子系统为机械基础结构提供足够的刚度,以承受发射过程中的应力和振动,在轨道上的空间站上保持结构的完整性和稳定性,并保护卫星免受极端温度变化和微陨星撞击的损害。
遥测子系统
遥测子系统(又名命令和数据处理,C&DH)监控机载设备操作,将设备操作数据传输到地球控制站,并接收地球控制站的命令以执行设备调整操作。
电源子系统
电源子系统包括将太阳能转换成电能的太阳能电池板、调节和分配功能,以及储存电能并在卫星进入地球阴影时为其供电的电池。核动力源(放射性同位素热电发生器)也已用于几个成功的卫星项目,包括雨云( Nimbus )计划(1964-1978年)。[20]
热控子系统
热控制子系统有助于保护电子设备免受由于强烈阳光或卫星主体部分不同侧面(例如光学太阳能反射器)缺乏阳光照射而导致的极端温度的影响。
姿态和轨道控制子系统
姿态和轨道控制子系统由测量飞行器方位的传感器、嵌入式飞行软件的控制算法和执行器(反作用轮、推进器)组成。这些应用扭矩和力将飞行器重新定向到期望的姿态,保持卫星在正确的轨道位置,并保持天线指向正确的方向。
第二个主要模块是通信有效载荷,它由应答器组成。应答器的作用:
当卫星到达其任务结束的寿命时(这通常发生在发射后3或4年内),卫星运营商可以选择使卫星脱离轨道,将卫星留在当前轨道或将卫星移至墓地轨道。历史上,由于卫星任务开始时的预算限制,卫星很少被设计为脱离轨道。这种做法的一个例子是Vanguard 1号。Vanguard 1号于1958年发射,是第四颗进入地心轨道的人造卫星,截至2015年3月仍在轨道上,同时是其发射火箭的上层部分。[21][22]
大多数卫星不是脱离轨道,而是留在当前轨道上,或者移至墓地轨道。[23]截至2002年,联邦通信委员会(FCC)要求所有地球静止卫星在发射前必须承诺在其运行寿命结束时移至墓地轨道。[24]在失控脱轨的情况下,主要变量是太阳通量,次要变量是卫星本身的组成和形状因素,以及太阳和月亮(以及海平面以上或以下的大山脉)产生的重力扰动。空气动力和温度引起的标准损坏高度为78公里,范围在72至84公里之间。然而,太阳能电池板在90到95公里的高度比任何其他组件都要先被摧毁。[25]
该清单包括有独立能力生产运载火箭并将卫星送入轨道的国家。注:更多的国家有能力设计和制造卫星,但无法发射,而是依赖外国发射服务。这份清单没有考虑那些国家,只是列出了那些能够在本国发射卫星的国家,以及首次展示这种能力的日期。该名单不包括类似于欧洲航天局的多国组织,也不包括私人机构。
命令 | 国家 | 首次发射日期 | 火箭 | 卫星 |
---|---|---|---|---|
1 | 苏联 | 1957年10月4日 | Sputnik-PS | Sputnik 1 |
2 | 美国 | 1958年2月1日 | Juno I | Explorer 1 |
3 | 法国 | 1965年11月26日 | Diamant-A | Astérix |
4 | 日本 | 1970年2月11日 | Lambda-4S | Ohsumi |
5 | 中国 | 1970年4月24日 | 长征一号 | 东方红一号 |
6 | 英国 | 1971年10月28日 | Black Arrow | Prospero |
7 | 印度 | 1980年7月18日 | SLV | Rohini D1 |
8 | 以色列 | 1988年9月19日 | Shavit | Ofeq 1 |
– | 俄罗斯 | 1992年1月21日 | Soyuz-U | Kosmos 2175 |
– | 乌克兰 | 1992年7月13日 | Tsyklon-3 | Strela |
9 | 伊朗 | 2009年2月2日 | Safir-1 | Omid |
10 | 北韩 | 2012年12月12日 | Unha-3 | Kwangmyŏngsŏng-3 Unit 2 |
11 | 南韩 | 2013年1月30日 | Naro-1 | STSAT-2C |
12 | 新西兰 | 2018年11月12日 | Electron | CubeSat |
其他几家私营公司也有能力进行亚轨道发射。
Country | Year of first launch | First satellite | Operational payloads in orbit as of July 2018 |
---|---|---|---|
苏联 (俄罗斯) |
1957 (1992) |
Sputnik 1 (Kosmos 2175) |
1507 |
美国 | 1958 | Explorer 1 | 1619 |
联合王国 | 1962 | Ariel 1 | 43 |
加拿大 | 1962 | Alouette 1 | 48 |
意大利 | 1964 | San Marco 1 | 27 |
法国 | 1965 | Astérix | 68 |
澳大利亚 | 1967 | WRESAT | 21 |
德国 | 1969 | Azur | 54 |
日本 | 1970 | Ohsumi | 173 |
中国 | 1970 | 东方红一号 | 312 |
荷兰 | 1974 | ANS | 6 |
西班牙 | 1974 | Intasat | 24 |
印度 | 1975 | Aryabhata | 88 |
印度尼西亚 | 1976 | Palapa A1 | 16 |
捷克斯洛伐克 | 1978 | Magion 1 | 2 |
保加利亚 | 1981 | Intercosmos Bulgaria 1300 | 1 |
沙特阿拉伯 | 1985 | Arabsat-1A | 13 |
巴西 | 1985 | Brasilsat-A1 | 17 |
墨西哥 | 1985 | Morelos 1 | 12 |
瑞典 | 1986 | Viking | 12 |
以色列 | 1988 | Ofeq 1 | 17 |
卢森堡 | 1988 | Astra 1A | 4 |
阿根廷 | 1990 | Lusat[28] | 19 |
中国香港 | 1990 | AsiaSat 1 | 9 |
巴基斯坦 | 1990 | Badr-1 | 6 |
南韩 | 1992 | Kitsat A | 24 |
葡萄牙 | 1993 | PoSAT-1 | 2 |
泰国 | 1993 | Thaicom 1 | 9 |
土耳其 | 1994 | Turksat 1B | 15 |
捷克共和国 | 1995 | Magion 4 | 3 |
乌克兰 | 1995 | Sich-1 | 6 |
马来西亚 | 1996 | MEASAT | 7 |
挪威 | 1997 | Thor 2 | 9 |
菲律宾 | 1997 | Mabuhay 1 | 2 |
埃及 | 1998 | Nilesat 101 | 5 |
智利 | 1998 | FASat-Bravo | 3 |
新加坡 | 1998 | ST-1[29][30] | 10 |
中国台湾 | 1999 | ROCSAT-1 | 10 |
丹麦 | 1999 | Ørsted | 9 |
南非 | 1999 | SUNSAT | 6 |
阿拉伯联合酋长国 | 2000 | Thuraya 1 | 9 |
摩洛哥 | 2001 | Maroc-Tubsat | 1 |
比利时 | 2001 | PROBA-1 | 0 |
汤加[31] | 2002 | Esiafi 1 (former Comstar D4) | 0 |
阿尔及利亚 | 2002 | Alsat 1 | 6 |
希腊 | 2003 | Hellas Sat 2 | 4 |
塞浦路斯 | 2003 | Hellas Sat 2 | 0 |
尼日利亚 | 2003 | Nigeriasat 1 | 6 |
伊朗 | 2005 | Sina-1 | 1 |
哈萨克斯坦 | 2006 | KazSat 1 | 6 |
哥伦比亚 | 2007 | Libertad 1 | 0 |
毛里求斯 | 2007 | Rascom-QAF 1 | 0 |
越南 | 2008 | Vinasat-1 | 3 |
委内瑞拉 | 2008 | Venesat-1 | 3 |
瑞士 | 2009 | SwissCube-1[32] | 0 |
马恩岛 | 2011 | ViaSat-1 | 1 |
波兰[33] | 2012 | PW-Sat | 4 |
匈牙利 | 2012 | MaSat-1 | 0 |
斯里兰卡 | 2012 | SupremeSAT-I | 1 |
罗马尼亚 | 2012 | Goliat[34] | 0 |
白俄罗斯 | 2012 | BKA (BelKA-2)[35] | 2 |
北韩 | 2012 | Kwangmyŏngsŏng-3 Unit 2 | 2 |
阿塞拜疆 | 2013 | Azerspace[36] | 1 |
奥地利 | 2013 | TUGSAT-1/UniBRITE[37][38] | 0 |
百慕大[39] | 2013 | Bermudasat 1 (former EchoStar VI) | 0 |
厄瓜多尔 | 2013 | NEE-01 Pegaso | 2 |
爱沙尼亚 | 2013 | ESTCube-1 | 1 |
泽西岛 | 2013 | O3b-1, −2, −3, −4 | 0 |
卡塔尔 | 2013 | Es'hailSat1 | 0 |
秘鲁 | 2013 | PUCPSAT-1[40] | 2 |
玻利维亚 | 2013 | TKSat-1 | 1 |
立陶宛 | 2014 | LituanicaSAT-1 and LitSat-1 | 1 |
立陶宛 | 2014 | Antelsat | 1 |
伊拉克 | 2014 | Tigrisat[41] | 0 |
土库曼斯坦 | 2015 | TurkmenAlem52E/MonacoSAT | 1 |
老挝国 | 2015 | Laosat-1 | 1 |
芬兰 | 2017 | Aalto-2 | 1 |
孟加拉国 | 2017 | BRAC Onnesha 和 Bangabandhu-1 | 2 |
加纳 | 2017 | GhanaSat-1[42] | 1 |
蒙古 | 2017 | Mazaalai | 1 |
拉脱维亚 | 2017 | Venta-1 | 1 |
斯洛伐克 | 2017 | skCUBE | 1 |
阿斯伽迪亚 | 2017 | Asgardia-1 | 1 |
安哥拉 | 2017 | AngoSat 1 | 1 |
新西兰 | 2018 | Humanity Star | 1 |
哥斯达黎加 | 2018 | Proyecto Irazú | 1 |
肯尼亚 | 2018 | 1KUNS-PF | 1 |
不丹 | 2018 | CubeSat Bhutan-1[43] | 1 |
约旦 | 2018 | JY1-SAT | 1 |
尼泊尔 | 2019 | Nepal SAT 1 | 1 |
加拿大是第三个建造卫星并发射到太空的国家[44],但它是用美国火箭从美国太空港发射的。澳大利亚也是如此,它发射了第一颗卫星,但其中包括一枚捐赠的美国红石火箭和美国支援人员与英国支援的一个联合发射设施。[45]第一颗意大利卫星San Marco 1号于1964年12月15日由美国侦察火箭从瓦洛普斯岛Wallops Island (Virginia, United States)发射,意大利发射小组接受了美国航天局的训练。[46]几乎所有其他国家的第一颗国家卫星都是通过类似途径发射的。
注:智利和白俄罗斯都使用俄罗斯公司为其建造的卫星,它们使用俄罗斯-乌克兰制造的火箭,并从俄罗斯或哈萨克斯坦发射。
近年来,卫星一直受到激进组织的入侵,用来广播宣传和从军事通信网络中窃取机密信息。[83][84]
为了测试目的,低地球轨道的卫星已经被从地球发射的弹道导弹摧毁。俄罗斯、美国、中国和印度已经展示了远程击落卫星的能力。[85]2007年,中国军方击落了一颗老化的气象卫星[85],随后美国海军在2008年2月击落了一颗已经报废的间谍卫星。[86]2019年3月27日,印度在3分钟内击落了一颗高度为300公里的实时测试卫星。印度成为第四个有能力摧毁直播卫星的国家。[87][88]
由于卫星传输的接收信号强度低,它们容易受到陆基发射机的干扰。这种干扰仅限于发射机范围内的特定地理区域。全球定位系统卫星是干扰的潜在目标,[89][90] 但是卫星电话和电视信号同样也会受到干扰。[91][92]
此外,很容易将载波无线电信号传输到地球同步卫星,从而干扰卫星转发器的使用。在商用太空卫星中,地球站在错误的时间或错误的频率上发射信号,并对转发器进行双重照明,使得频率不可用的现象是很常见的。卫星运营商现在拥有先进的监控系统,能够精确定位任何载波的来源,并有效对太空中的转发器进行管理。
在过去的五十年里,太空机构已经向宇宙发送了数以千计的宇宙飞船、太空舱或卫星。事实上,气象预报员根据这些卫星的观测结果对天气和自然灾害进行预测。[93]
美国国家航空航天局(NASA)[94]要求国家科学院出版一份题为《从太空对地球的观测》的报告;用来描述截止2008以来五十年的科学成就。它描述了通过卫星实时观测地球的能力是如何革命性地改变了人类对地球的研究。这一发展带来了地球科学结合的新时代。国家科学院的报告得出结论,从银河系继续进行地球观测对于解决未来的科学和社会挑战是很有必要的。[95]
美国宇航局
美国航天局引进了地球观测系统(EOS)[96],由几颗卫星、科学部件和数据系统组成,称为地球观测数据和信息系统(EOSDIS)。它传播许多科学数据产品以及为跨学科设计的教育服务。EOSDIS数据可以在线访问,也可以通过文件传输协议(FTP)和超文本传输协议安全(HTTPS)访问。[97]科学家和研究人员在由多个互连节点或科学研究者领导的处理系统(SIPS)和特定学科的分布式主动存档中心(DACC)组成的分布式平台内执行EOSDIS科学操作。[98]
欧空局
欧洲航天局[99]计划发射一颗地球观测卫星。配备一个人工智能处理器,使航天器能够自主的对捕捉的图像和要传输到地球的数据做出决定。[100]智能卫星将使用英特尔迈德( Intel Myriad )X视觉处理单元(VPU),将于2019年发射。欧空局地球观测项目主任约瑟夫·阿斯巴赫(Josef Aschbacher)在2018年11月的PhiWeek上宣布了这一消息。[101]这是为期五天的会议,重点讨论地球观测的未来。会议在意大利弗拉斯卡蒂(Frascati, Italy)欧空局地球观测中心举行。[100]欧空局还推出了PhiLab,致力于着眼于未来并利用人工智能和其他破坏性创新潜力的团队。[102]与此同时,欧空局还宣布,它预计将于2021年开始太空骑士(Space Rider)航天飞机的资格飞行。这将在几次演示任务之后进行。[103]太空骑士是原子能机构于2015年发射的过渡试验飞行器的另一个型号。它的有效载荷能力为800公斤,可用于长达持续两个月的轨道任务。[104]
SpaceX
SpaceX计划于2018年11月28日(晚于期初制定的11月19日)从美国范登堡空军基地(Vandenberg Air Force Base)发射多卫星任务。一旦火箭向南进入地球观测轨道,发射在地球上将是可见的。[105]然而,由于恶劣的天气条件,第二次预计发射再次推迟,并定于另一个日期,目前还不确定。[106]这项任务被称为SSO-A Smallsat Express,是仅在2018年一年就发射了19枚火箭的SpaceX公司创始人埃隆·马斯克(Elon Musk)的又一个里程碑。这架猎鹰9( Falcon 9)号火箭的估计成本约为6200万美元。该火箭搭载有64颗各自独立运行的卫星。[106]
亚马逊和洛克希德(Amazon and Lockheed)
亚马逊网络服务(AWS)[107]和洛克希德·马丁[108]达成战略合作伙伴关系,旨在将AWS地面站服务与洛克希德公司的边缘天线网络相集成。这两家公司的目标是合并这些高性能系统,为客户提供强大的卫星上行链路和下行链路服务。通过这些系统,用户可以将卫星数据与各种AWS服务相结合,包括计算、存储、分析和机器学习。[109]
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