人造卫星,灿烂巡天

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  近年来,中国在人造卫星的研制和应用领域取得了举世瞩目的成就:北斗导航将开始全球组网;“悟空”和“慧眼”为人类探测宇宙的基础科学研究助力;“墨子号”将神秘的“上帝效应”与人们的实际生活之间的距离又缩小了一步。
  今天,在我们的天幕中,除了自然星体之外,还有千百颗人造卫星闪烁,它们为人类的科研、生活、军事等各方面提供了强大的支持。近年来,中国在人造卫星的研制和应用领域取得了举世瞩目的成就:北斗导航已经形成自己的“星座”,具备了实际应用能力,将开始全球组网;“悟空”和“慧眼”在技术指标上领先世界,为人类探测宇宙的基础科学研究助力;“墨子号”更是在量子通信上做出了世界第一的尝试,将神秘的“上帝效应”与人们的实际生活之间的距离又缩小了一步。
  “北斗”完善全球导航
  “全球导航卫星系统”(GNSS)是一个门槛极高的俱乐部,曾经只有3个会员:美国的GPS、欧洲的伽利略(GALILEO)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS),而现在,中国的北斗(COMPASS)也成为了俱乐部的会员,它是最新的一个,也是发展势头最猛,极有可能后来居上的一个。
  美国的GPS是目前公众最为熟悉,也应用得最多的一套全球导航系统。它于1978年发射了第一颗卫星,全系统在1995年投入运行,现有卫星30颗,分为军用和民用两种定位模式,其中民用定位向全球免费开放。
  GPS对全世界的民用导航领域来说是个福利,但在军事方面却是个挑战。GPS民用领域的定位精度达不到军事要求,更重要的是,万一他国与美国发生战争,后者停止GPS服务,甚至操纵导航系统发送错误的定位信息,这将是非常可怕的情况。所以,发展自己的全球导航系统,是维护国家利益的必然选择。当然,要组建这样的卫星系统,必须拥有足够的科研水平和经济实力。
  中国建设卫星导航系统的规划从上个世纪70年代就已经开始,“七五”计划中提出了“新四星”计划,随后提出过单星、双星、三星、三到五颗星的区域性系统方案,以及多星的全球系统设想,研究论证从未停止。
  上世纪80年代初期,以“两弹一星”元勋成芳允院士为首的专家团体提出了双星定位方案,这是当时公认的最优方案,但因经济条件等种种原因又搁置了十年。1991年是个重大转折点,海湾战争中,美国的GPS在作战中的应用非常成功,它在战争时置欧洲盟国于不顾强行关闭对欧GPS服务的做法也再度彰显研发自主导航系统的紧迫性。这之后,北斗的推进速度加快,2000年10月,北斗一代的第一颗卫星上天。
  目前的北斗系统已经是第二代,计划总计发射35颗卫星组成导航网络。2017年下半年北斗将正式开始全球组网,预计到2020年最终形成全球服务能力。
  北斗的首次成功应用是2008年汶川地震的救援期间,那时候北斗还是一代系统,虽然当时的性能指标还比不过GPS和海事卫星,但在地震破坏地面通信基础设施的环境下,发挥出了不受地面影响的优势。它的定位和短信能力充分发挥了作用,成为救援指挥部队和前线救援人员最得力的通信助手,最大限度地保证了“72小时黄金抢救时间”的有效利用。目前的北斗二代系统,结合地基增强网的使用,已经可以做到厘米级的精确定位。
  除了为民众提供一般的出行导航外,北斗二代的用途非常多,据统计有200多项。例如,远洋渔业对导航定位的需求是刚性的,之前渔民必备的是GPS和海事卫星电话,以便遇到风险时能及时求助。北斗二代在亚太地区布网后,渔民有了一个新选择,那就是安装北斗卫星船载终端。北斗的双向短信功能在渔船救险方面得到了完美应用,遇到险情后一键求救,终端会自动把附带着定位信息的求救短信通过卫星发给岸上的救援队,实现了GPS 海事衛星电话的功能,而且更加方便。
  北斗的短信功能非常受欢迎,渔业省份在岸上大力建设基于北斗二代的渔业信息服务基础设施,通过卫星给渔船发送实时的天气、海浪、赤潮、鱼汛消息,甚至还有当日渔市价格,帮助渔民决定捕捞哪种鱼,渔民在海上就可以把渔获信息传到岸上,提前联系好卖家。根据浙江省2011年的统计,该省渔民利用北斗卫星发短信1300万条,其中船与船互通604万条,船与手机互通696万条。
  再如對水坝、大桥、高速公路等巨大建筑的沉降和变形的监测。把北斗设备固定在建筑上面,令它自动接收定位信息,积累一段时间的海量定位数据后进行差分计算,就能获取精度在毫米以下的定位数据,这比人工测量方便和准确得多。
  截至2016年6月12日,北斗已经发射了23颗卫星,分布最密集处在中国上空,对亚太国家而言,相比GPS而言有覆盖优势。中国政府也积极推动北斗二代在亚太地区的应用。2014年7月、泰国、马来西亚、文莱、印度尼西亚、柬埔寨、老挝等国家派出19名专家,来到中国考察北斗二代,研究讨论合作的事项,并参加了“2014北斗技术与应用国际培训班”
  泰国专家表示,有些GPS卫星的信号泰国收不到,而北斗所有的卫星信号都能接收到,因此要参加北斗的“天眼”计划;马来西亚紧随其后,将成为北斗“天眼”下一个落户的国家。
  不仅如此,北斗已得到了国际电信联盟的支持和国际海事组织的认可。同时,中国政府在国内积极推动北斗的产学研联盟,得到了各界的支持响应。
  “悟空”与“慧眼”探寻太空
  暗物质被比作“笼罩在21世纪物理学天空中的乌云”,它可由万有引力定律推测存在,却从未被直接观测到。如果暗物质之谜能被揭开,这将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大科学突破,能让人类更好地解释宇宙为什么会是当前这样以及将怎样演化。
  为了推进这个领域的研究,中国于2015年12月17日将暗物质粒子探测卫星发射升空,它是中国科学院空间科学战略先导专项的五颗卫星之一。在发射升空前,它得到了名字“悟空”,这是从全球范围内的公众征名活动中,从32000多个方案中最终选取的。
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