走近卫星(下)

陆文福　贾玉涛
　　跟踪和数据中继卫星系统

　　跟踪和数据中继卫星系统（TDRSS）进一步扩大了卫星通信的应用范围，使卫星通信由作为地面远距离通信的一种主要手段扩大为各种空间飞行器与地球站之间中继通信的一种新手段。跟踪和数据中继卫星相当于把低面上的测控站移到了中继卫星相当于把地面上的测控站移到了35786Km高度的地球静止轨道，一颗卫星可观测到大部分在近地空域内飞行航天器，两颗卫星组网可基本覆盖整个中、低轨道空域。为此，两颗TDRS卫星和地面上单个测控终端站所组成的TDRSS系统，可以取代配置在世界各地由许多测控站构成的航天测控网。

　　卫星导航定位系统

　　卫星无线电定位业务是地面物体通过无线电和卫星沟通进行测距或测速，计算出自己在地球上的位置，根据位置坐标及其它变化的信息，判断自己的航向。卫星定位系统的出现，解决了大范围、全球性、高精度和快速定位的问题。

　　1960年，美国为海军建立了子午仪（Transit）导航系统，利用单星多普勒频率测量定位原理，定位一次需要的测量为2分钟以上。定位精度对运动舰船为200m至80m；而对固定点可达100m至0.1m。在六、七十年代，子午仪导航系统不仅在舰船上被普遍应用，同时也用于陆地上基点的坐标测定，但是该系统定位次数较少，确定一次需要时间太长，不能适应快速运动的目标（如飞机），定位精度尚需提高。

　　1978年，美国开始实施导航星全球定位系统（GPS），它是一种以卫星为基础的无线电导航系统，空间段由18-24颗分布于高度为20200km的6个轨道面的卫星组成。卫星运行周期为11小时58分，卫星辐射F1(1575.4MHz)及F2(1277.6MHz)两个频率。信号采用码分多址。卫星靠伪随机码共分，F1调制民用粗（CA）码及军用精（P）码；F2只调制精码。粗码容易捕获，定位精度30m。目前对非授权用户施加有人为干扰（SA）技术，精度下降为100m。精码另行加保密（AS）技术，精度高，且可用双频解电离层传播误差（约几米），定位精度达1m。粗码帮助精码捕获，使捕获时间缩短为２ｓ。

　　全球各地的用户随时可见4颗以上的卫星，捕获星上发出的CA码，计算自己的位置，定位时间短、精度高。GPS星上有准确时钟，可同时用于定时和时间同步。但GPS主要为军方使用，精码度分严格保密。GPS于1994年3月9日正式建成。系统建成后美国政府许诺10年内取消SA干扰。

　　俄罗斯（前苏联）1982年2月正式向国际电信联盟提交通知书，宣称GLONASS系统将于同年5月开始部署。其宗旨是为全世界范围内的飞机提供无线电导航，也可供国内的船只导航。GLONASS的24颗卫星分布在轨道高度为19100km的三个轨道面上，卫星运行周期为11小时15分钟。卫星发射F1及F2只调制精码。粗码容易捕获，定位精度30m，没有施加人为干扰（SA）技术。

　　GPS和GLONASS的广泛应用证明了卫星导航技术成熟和可行。但各国民间用户对依靠某一个国家军方控制的导航系统（不论GPS或者GLONASS）总是不放心，因此国际民航组织设计了一种分三步走的方案设想－－－
　　第一步先使用GPS或GLONASS，或GPS+GLONASS；第二步由民间筹建GPS/GLONASS的广域增强系统（WAAS）或区域性增强系统（RAAS）；第三步由民间增发多国或国际控制的导航卫星。

　　这种称为GNSS发展的“体制进程”，是在承认GPS和GLONASS已经存在的前提下，首先把GPS和GLONASS作为主体使用，然后逐步增加民间成分，在增发民间卫星的基础上逐渐减少对某一国军方控制系统的依赖，最终试图实现一个民间化，国际化的GNSS星座。实际上这是一种国与国之间协调，军用民间之间协调、全球性政策缓冲和国际谅解基础上实用的可行办法。

　　但是这个方案遭到美国国防部的指责。于是，美联邦航空局（FAA）提出WAAS，但WAAS给美国和国际安全带来威胁。后来，美国国防部表示“暂时同意按计划实施WAAS，但WAAS能否投入使用取决于该系统的试验结果和政府、军队高层部门和评估意见”。此外，国防部还保留根据试验结果在战时或在特定地域对WAAS信号进行干扰的权利。

　　欧盟目前在卫星导航领域的作用只限于参与欧洲静止轨道重复覆盖导航系统（EGNOS）的新计划。打算在两颗Inmarsat-3卫星中租用其导航设备包，作为GPS和GLONASS定位信息的备份信号，以提供额外的可信度。

　　中国的卫星导航定位系统（北斗一号）具有将通信与导航结合在一起的能力，它是采用两颗位于80°E和140°E地球静止轨道卫星双向测距加数字化高程地图定位，并可双向数据报文通信，系统自含差分定位功能，以提高导航定位精度。用户机与卫星间上下行信号用国际电联规定的卫星无线电测定业务标准（RDSS）L/S频段，卫星到中心站链路用标准C频段，卫星到中心站链路用标准C频段。其服务范围包括我国大陆及东南海域，属区域性系统，可以发展成为准全球性系统（用六颗卫星）。这个系统的投资比较少，适合我国当前经济能力和各有关方面的需求，在需要导航定位与移动数据通信相结合的场合更是有的放矢。北斗导航定位系统比GPS、GLONASS多了一个数据通信的功能，所以它的用途要宽广很多。

　　对地观测卫星系统

　　卫星对地观测技术是一种信息技术，自1959年美国水手号飞船的宇航员用手持相机在空间轨道上对地球拍摄了第一张照片以来，卫星对地观测技术得到了巨大发展，已成为获取应用效益的重要领域。对于不同的观测对象，对地观测卫星可分为地球资源、海洋监测、气象和环境监测等门类。

　　最早的资源探测卫星是美国于1972年发射的地球资源卫星－1（ERTS-1），后来改称Landsat-1。现在正在工作的是Landsat-5和法国1986发射的SPOT，它们现在已成为系列。Landsat系列已经到了Landast-7，而SPOT已经发展到SPOT-4。除这两个系列卫星有代表性外，还有印度的遥感卫星（IRS）系列和加拿大的商业化雷达卫星（Radarsat）等。我国和巴西联合发射的中巴资源一号卫星（CBERS），自1999年10月14日升空入轨后，经过100多天的在轨测试，一切正常，已于2000年3月2日在北京交付使用。中巴资源一号用一颗卫星实现法国SPOT-1和美国Landsat-4两颗卫星的主要功能。

　　2000年9月1日，我国成功地将“中国资源二号”送入预定轨道，主要用于国土普查、城市规划、作物估产、灾害监测和空间科学试验。

　　1988年，印度首颗IRS卫星发射成功，到1998年，印度已发射了5颗星。星上有效载荷是光学遥感器，且采用推扫方式。光学遥感器的谱段设置及采用技术等方面也具有很强的继承性，空间分辨率逐渐提高。

　　1995年加拿大研制的Radasat-1发射成功，运行在太阳同步轨道上，其遥感器为合成孔径雷达（SAR），Radasat　SAR工作在C波段，Radasat的特点是其工作不受时间和气候限制，可以全天时、全天候工作。

　　卫星资源探测为地球资源大面积普查提供了一种经济有效的新手段。可以从地球资源卫星的数据中提取广大地区的地理、地质、环境、植被的资料。这些资料包括能源、矿床和水利资源的查找和发现，土壤、地质和农业土地利用，城市和农村的环境改变，自然灾害的发生和发展等。中国国家地震局研究表明，发现卫星热红外异常动态演变现象可以提供地震前兆信息，并在多次地震中得到了证实。

　　气象卫星在对地观测与通信广播应用卫星系列中占据着相当重要的地位。气象卫星是对地观测卫星中发展最早的卫星。

　　从太空观测地球，不受地理环境，自然条件、国家与地区行政疆界的限制，可连续提供全球的、立体的。全天候观测资料是气象卫星的特点。

　　气象卫星在人民生活，国民经济和国防建设等许多领域都有十分广泛的应用，已远远超出气象范畴。气象卫星资料产品主要有图像、数值和水汽分布量等。除了对天气、气候和数值预报等气象领域具有重要应用价值外，在海洋、水文、航空、航海、农村牧渔和环境监测领域亦有广泛的应用潜力和巨大的经济效益。

　　目前，美国、俄罗斯、日本、欧空局和我国都建造和发射了气象卫星；印度发展了具有通信广播和气象多功能综合利用卫星，更多的国家则广泛应用气象卫星产品。

　　自1960年4月1日美国发射第一颗泰罗斯一号（Tiros-1）气象卫星以来的40年中，气象卫星的发展经历了三个阶段。第一阶段为发展阶段，持续时间约为20年，其间进行了各种试验研究，不断增加新的气象遥感仪器和提高卫星性能。对气象产品进行了试用，发发展了气象卫星；第二阶段为应用阶段，这一阶段由世界气象组织发起建立了以美国的静止轨道环境卫星（GOES）、日本的静止轨道气象卫星（GMS）、欧洲的气象和环境卫星（MES）等五颗静止轨道卫星和两颗NOAA极轨气象卫星组成的全球气象卫星监测网，和世界各地的气象卫星资料接收站一起，向世界各地连续提供全球大气和环境监测资料，实现气象资料资源共享；第三阶段的特点主要是美国第三代先进的NOAA卫星投入运行，新一代NOAA-K、L、M卫星和NOAA-O、P、Q卫星性能的改进，特别是1994年-1995年期间美、俄各发射新一代三轴稳定静止轨道气象卫星、日、欧提出将发展先进的对地观测卫星。专家们认为现在已进入气象卫星成熟发展和业务应用阶段，社会经济效益更加显著。

　　中国非常重视发展自己的气象卫星，先后进行了风云一号（FY-1）极轨气象卫星和风云二号（FY-2）静止气象卫星的研制。在研制卫星的同时建成了地面接收站和数据处理中心，并能接收国外气象卫星发送的云图资料。

　　FY-1的可见光和红外云图清晰度与NOAA卫星相当，可见光图像地表特征清晰图优于NOAA卫星，海洋遥感试验获得成功。

　　FY-2于1997年6月10日发射成功，可昼夜获取可见光云图及红外云图和水汽分布图。FY-2和GMS-5图像进行比较表明，卫星图像的空间分辨率无明显差别，FY-2经外图像的动态范围比GMS-5设置合理，水汽图像的灰级优于GMS-5，相当国际同类气象卫星水平。

　　随着海洋开发事业的发展，人类在海上的活动也日益频繁。为了避免海难事故的发生，同时为了获得最大的经济效益，人们非常需要了解和掌握海洋环境的现状和可能的变化。通过海洋环境观测可以在不同的时间尺度上，掌握海洋的状况并作出预测。为此，1978年美国发射了第一颗海洋观测卫星（SEASAT-1），星上装载了雷达高度表、风场散射计、合成孔径雷达、扫描式多通道微波辐射计、可见光与红外辐射计、对海面风向、风速、波高、波长、波谱、内波、海洋表面温度、大气水含量、海冰覆盖与海冰移动参数进行测量，同时还提供了云层位置、晴空海面温度、云顶亮度等辅助参数，俄国、日本等国也相继发射了海洋观测卫星。

　　由此不难看出，卫星应用不论从国民经济、国防建设、文化教育、科学研究。直至人民生活都在发挥着最大效用，同时也有效地影响了一个国际、一个地区以至全球社会的进步、政治、经济的协调发展。

摘自《卫星与网络》2001.4