航天知识竞赛知识库之四航天器

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神舟飞船

神舟号飞船是中国自行研制，具有完全自主知识产权，达到或优于国际第三代载人飞船技术的飞船。 神舟号飞船是采用三舱一段，即由返回舱、轨道舱、推进舱和附加段构成，由13个分系统组成。神舟号飞船与国外第三代飞船相比，具有起点高、具备留轨利用能力等特点。

神舟系列载人飞船由专门为其研制的长征二号F火箭发射升空，发射基地是酒泉卫星发射中心，回收地点在内蒙古中部的四子王旗航天着陆场。

1992年，中国政府正式批准了载人航天工程，并命名为“921工程”。其核心就是研制神舟号载人飞船，这个项目由中国空间技术研究院为主研制。从现在的资料来看神舟飞船使用了国外很多已经成熟的技术，尤其是得益于俄罗斯的“联盟”号：神舟飞船的布局采用了与联盟号相同的轨道舱、返回舱和服务舱的三段式格局，从外形上看与1962年的联盟A极其相似；而且神舟飞船的设备舱散热套上的螺纹与早期的联盟7K-OK设计相同；此外神舟飞船中部的返回舱也采用了与联盟号一样的钟形，只是比联盟号的返回舱大13%而已。在大量借鉴联盟号设计的成功和经验下，1999年中国的第一艘载人飞船“神舟1”号研制出来，并于当年发射成功。

迄今为止“神舟”系列飞船已成功反射并返回达11次，中国成为世界上第三个拥有独立将人类送入太空的能力的国家。

行星和行星际探测器

行星和行星际探测器是对太阳系内各行星进行探测的无人航天器。20世纪60年代初期美国和苏联发射了多种行星和行星际探测器，分别探测了金星、火星、水星、木星和土星以及行星际空间。

自前苏联1957年10月4日发射世界上第一颗人造地球卫星以后，人类即开始对行星及行星际的探测，采用的探测手段除卫星和载人航天器外，仅就行星与行星际探测器而言，迄今已发射了120多个，获得了大量的探测信息，增加了人类对太阳系中各行星及行星际空间的认识，探测最多的是火星和金星，尤其是火星。

比较著名的行星际探测器包括

先驱者号探测器

先驱者号探测器是美国行星与行星际探测器系列中的一个系列。从1958年10月到1978年8月共发射了13个，主要任务是探测地球与月球之间的空间;金、木、土星等行星及行星际空间;月球周围的环境;行星际空间的辐射、磁场以及太阳活动等。

水手号探测器

水手号探测器是美国行星与行星际空间探测器系列中的一个系列，主要任务是探测金星、火星及其周围的空间环境。从1962年7月至1973年11月共发射了10个水手号探测器，其中:3个飞向金星，2个成功;6个飞向火星，4个成功;另一个是对金星和水星进行双星观测，成为第一个双星探测器。

海盗号探测器

海盗号探测器属于美国的火星探测器系列，是水手号探测器的改进型，主要任务是探测火星上有无生命存在，并探测火星地貌，研究火星大气和地震活动。进而研究地球与太阳系的演变。

旅行者号探测器

旅行者号探测器是美国行星与行星际探测器的一个系列，主要任务是较详细地探测木星及其卫星、土星及其卫星和土星环。

金星号探测器

金星号探测器是前苏联的行星与行星际探测器系列中的一个，主要任务是探测金星及其周围的空间。

火星号探测器

火星号探测器是前苏联行星和行星际探测器系列中的一种系列，主要任务是探测火星及其周围的空间。

探测器号探测器

探测器号探测器也是前苏联空间探测器系列中的一个系列，是多用途的，包括探测月球、月一地空间、行星际空间、火星周围空间等，还进行了航天器返回技术等的试验。

航天器之载人飞船

载人飞船是一种能保障航天员在外层空间生活和工作，以执行航天任务并返回地面为目标的航天器，又称宇宙飞船。简单来说，货运飞船是运货的，载人飞船是运来运人的，类似于货车和客车的区别。

载人飞船可以独立地进行航天活动，也可以用于往返地面和空间站之间的“渡船”，还可以与空间站或其他的航天器对接后进行联合飞行。载人飞船容积较小，受到所载消耗性物质数量的限制，不具备再补给的能力，而且目前不能重复使用。载人飞船一般由载人舱、轨道舱、返回舱和服务舱组成。

1961年苏联发射了第一艘东方号飞船，东方1号搭载宇航员尤里·加加林进入太空，开启了载人航天时代的大幕，尤里·加加林成为了第一个进入太空的人类，而东方1号也成为人类历史上第一艘载人飞船，后来又发射了上升号和联盟号飞船。

美国也相继发射了水星号、双子星座号、阿波罗号等载人飞船，阿波罗号是登月载人飞船。阿波罗11号（Apollo 11）是美国国家航空航天局的阿波罗计划中的第五次载人任务，是人类第一次登月任务，三位执行此任务的宇航员分别为指令长阿姆斯特朗（Neil Armstrong）、指令舱驾驶员迈克尔·科林斯（Michael Collins）与登月舱驾驶员巴兹·奥尔德林（Buzz Aldrin）。1969年7月21日，阿姆斯特朗与奥尔德林成为了首次踏上月球的人类。

美国也相继发射了水星号、双子星座号、阿波罗号等载人飞船，阿波罗号是登月载人飞船。阿波罗11号（Apollo 11）是美国国家航空航天局的阿波罗计划中的第五次载人任务，是人类第一次登月任务，三位执行此任务的宇航员分别为指令长阿姆斯特朗（Neil Armstrong）、指令舱驾驶员迈克尔·科林斯（Michael Collins）与登月舱驾驶员巴兹·奥尔德林（Buzz Aldrin）。1969年7月21日，阿姆斯特朗与奥尔德林成为了首次踏上月球的人类。

中国于2003年发射“神舟5号”载人飞船，把中国第一位航天员杨利伟送入了太空，实现了中华民族的千年飞天之梦。

卫星导航系统 – GLONASS

全球导航卫星系统是GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM”的缩写。GLONASS作用类似于美国的GPS。该系统最早由苏联开发，后由俄罗斯继续研究，该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。其显著特点是抗干扰能力强。

俄罗斯于 1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统。并于2007年开始正式运营，当时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。到2009年，其服务范围已经拓展到全球。

GLONASS的研制开始于70年代中期，历经20多年的曲折历程，但始终没有中断过系统的研制和卫星的发射。终于1996年1月18日实现了空间满星座24颗工作卫星正常地播发导航信号，使系统达到了一个重要的里程碑。

GLONASS工作测试开始于苏联1982年10月12日发射第一颗试验卫星，整个测试计划分两个阶段完成。

第一阶段（1982-1990年）：1984-1985年，由4颗卫星组成的试验系统达到验证系统的基本性能指标。空间星座从1986年开始逐步扩展;到1990年系统第一阶段的测试计划已经完成，当时空间星座已有10颗卫星，布置在轨道面1（6颗）和轨道面3（4颗）上。该星座每天至少能提供15小时的二维定位覆盖，而三维覆盖至少可达8小时。

第二阶段（1990年-1995年）

完成对用户设备的测试；随后系统开始进入完全工作阶段。

1996年，GLONASS星座完成24颗卫星的部署，导航系统开始进入完全工作阶段。目前GLONASS星座由27颗工作星和3颗备份星组成，所以GLONASS星座共由30颗卫星组成。27颗星均匀地分布在3个近圆形的轨道平面上，这三个轨道平面两两相隔120度，每个轨道面有8颗卫星，同平面内的卫星之间相隔45度， 轨道高度2.36万公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8度。

龙飞船

龙飞船（Dragon）又译“天龙号”飞船。“龙”飞船的名字来自于美国民谣歌曲《神龙帕夫》。龙飞船由太空民企——美国太空探索技术公司(SpaceX)牵头研发，是全球屈指可数的商用太空飞船之一，是世界上第一艘由私人公司研发的航天飞船。

美国航天飞船在2011年退役，导致宇航局依靠俄罗斯的联盟号搭载宇航员来往于空间站。一旦私人太空飞行变得可行，美国宇航局希望借助龙飞船来搭载宇航员前往国际空间站，因此，太空探索技术公司(SpaceX)获得美国航天局26亿美元的合同以建造载人版“龙”飞船。

第一代货运龙飞船于2010年12月8日试飞成功，2012年5月22日发射成功，2012年10月7日，发射升空，首次向国际空间站运送重达455公斤的货物，2013年3月3日，在成功排除推进器故障之后，美国SpaceX公司的“龙”飞船与国际空间站进行了对接。

第二代载人龙飞船（Crew Dragon或Dragon V2）舱体高约6米，宽约3.7米，最多能同时容纳7位宇航员，有4个窗户，舱内的座椅是由最高等级的碳纤维和阿尔坎塔拉面料制成。自动化程度很高，但也可以由船上的宇航员控制，或者加州霍桑市的SpaceX任务控制中心的工作人员进行控制。在太空旅程中，船上的宇航员可以将舱内温度设置在65到80华氏度（约合18到27摄氏度）之间。载人龙飞船部署了先进的紧急逃生系统，并于2015年春季完成测试。在紧急情况下，该系统可迅速把宇航员送到安全区域。推进器由8个发动机组成，安装在飞船的侧面，推进器能产生约1.5万磅推力，可以将飞船升到离地面1500米的高度。2019年3月2日2时49分，载人“龙”飞船搭乘“猎鹰9”火箭从佛罗里达州肯尼迪航天中心39A发射台升空，大约11分钟后，飞船与火箭顺利分离，继续飞向国际空间站，并于美国东部时间3日5时51分成功与运行在400公里轨道高度的国际空间站实现自主对接。

阿波罗飞船

阿波罗号系列载人登月飞船(以下简称阿波罗号飞船)是继水星号与双子星号系列飞船后，美国研制使用的第三代载人飞船，它们无论是结构还是功能，都比以前两代飞船要复杂，先进得多。自阿波罗7号开始，至阿波罗18号结束，美国一共发射了12艘载人登月飞船。

阿波罗计划载人登月的技术途径是选用月球轨道交会方案，即将一艘载有3名航天员的飞船发射到月球轨道上，然后2名航天员乘登月舱在月面上降落，进行月面探险。另一名航天员仍留在指挥舱中绕月球轨道飞行，并进行科学实验。返回时，在月面上的2名航天名航天员进入指挥舱后，抛弃登月舱的上升段，脱离月球轨道返回地球在再入大气层前，抛弃服务舱，仅指令舱在太平洋上溅落。

这些飞船都是由指令舱服务舱和登月舱3部分组成，起飞阶段时在指令舱上方还携带有救生塔，整个飞船加上救生塔总高25米，直径10米质量约50吨。飞船每次载3名宇航员，由土星号系列大型液体运载火箭送入太空。登月飞行结束后，只有宇航员乘坐的指令舱返回地球，其它航天装备都留在茫茫的太空中，自生自灭，或焚毁，或成为太空垃圾。

联盟号飞船

联盟号飞船（俄语：Союз，英语：Soyuz）是前苏联设计的一款载人飞船，由第一特殊设计局（即科罗廖夫设计局，现隶属于科罗廖夫能源火箭航天集团）研制，采用一次性设计，可通过联盟号或质子号运载火箭发射，其主发射场是位于哈萨克斯坦共和国境内的拜科努尔航天发射场，亦有少部分在俄罗斯普列谢茨克航天发射场和法属圭亚那太空中心发射。

该系列飞船自1960年代首飞，目前仍在使用。联盟号飞船是前苏联继东方号飞船与上升号飞船之后自行研制的第三款载人飞船，是目前世界上服役时间最长、发射频率最高，同时也是可靠性最好的载人飞船，其原设计目的是作为前苏联载人登月计划中的地月往返工具，然而，由于苏联后来取消了登月计划，联盟号的活动范围就此被限制于地球轨道。 1991年苏联解体后，联盟号的制造与发射转由俄罗斯联邦航天局掌握，主要负责对和平号空间站与国际空间站的人员运输、物资补给。2011年隶属美国国家航空航天局的航天飞机全线退役后，联盟号飞船成为了宇航员往返国际空间站的唯一运输工具。

联盟号飞船的改进型号众多，其衍生出的其它航天器包括：探测器号、联盟号T、联盟号TM、联盟号TMA、联盟号MS及进步号货运飞船等。

天宫号空间站

中国载人空间站整体名称及各舱段和货运飞船共5个名称，其中载人空间站命名为“天宫”，核心舱命名为“天和”，实验舱Ⅰ命名为“问天”，实验舱Ⅱ命名为“巡天”，货运飞船命名为“天舟”，其代号分别为TG、TH、WT、XT、TZ。

天宫一号（Tiangong-1或Heavenly Palace 1）是中国首个目标飞行器和空间实验室，属载人航天器，由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院和上海航天技术研究院研制。

天宫一号高10.4米、重8.5吨。于2011年9月29日21时16分3秒在酒泉卫星发射中心由长征2F/T1运载火箭发射。

天宫一号的发射标志着中国迈入中国航天“三步走”战略的第二步第二阶段（即掌握空间交会对接技术及建立空间实验室）；同时也是中国空间站的起点，标志着中国已经拥有建立初步空间站，即短期无人照料的空间站的能力。

2011年11月，天宫一号与神舟八号飞船成功对接，中国也由此成为世界上第三个自主掌握空间交会对接技术的国家。2012年6月18日，神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器成功实现自动交会对接，中国3位航天员首次进入在轨飞行器。2013年6月13日，神舟十号飞船与天宫一号顺利完成了自动交会对接。神舟十号飞船返回后，天宫一号即完成主要使命。

天宫一号设计在轨寿命两年，不过天宫一号实际在轨工作1630天，超期服役两年半时间，并于2016年3月16日全面完成使命，正式终止数据服务。

天宫一号目前仍在其设计轨道飞行，并处于持续、密切的跟踪监视之中。根据预测，天宫一号的飞行轨道将逐步降低，并于2018年前后，在其寿命末期，主动离轨，陨落南太平洋。

天宫二号，即天宫二号空间实验室，是继天宫一号后中国自主研发的第二个空间实验室，也是中国第一个真正意义上的空间实验室，将用于进一步验证空间交会对接技术及进行一系列空间试验。

天宫二号主要开展地球观测和空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术和航天医学等领域的应用和试验，包括释放伴飞小卫星，完成货运飞船与天宫二号的对接。

天宫二号空间实验室已于2016年9月15日22时04分09秒在酒泉卫星发射中心发射成功，将与神舟十一号飞船对接。2016年10月19日3时31分，神舟十一号飞船与天宫二号自动交会对接成功。2016年10月23日早晨7点31分，天宫二号的伴随卫星从天宫二号上成功释放。

国际空间站

国际空间站以美国、俄罗斯为首，包括加拿大、日本、巴西和欧空局(11个国家)共16个国家参与研制。其设计寿命为10——15年，总质量约423吨、长108米、宽(含翼展)88米，运行轨道高度为397千米，载人舱内大气压与地表面相同，可载6人。国际空间站结构复杂，规模大，由航天员居住舱、实验舱、服务舱，对接过渡舱、桁架、太阳电池等部分组成，建成后总质量将达千克，长108米。

国际空间站的设想是1983年由美国总统里根首先提出的，即在国际合作的基础上建造迄今为止最大的载人空间站。经过近十余年的探索和多次重新设计，直到苏联解体、俄罗斯加盟，国际空间站才于1993年完成设计，开始实施。

国际空间站-结构

1）基础桁架。它用来安装各舱段、太阳能电池板、移动服务系统及站外暴露试验设施等。

2）居住舱。它主要用于航天员的生活居住，其中包括走廊、厕所、淋浴、睡站和医疗设施，由美国承担研制和发射到太空。

3）服务舱。它内含科学仪器设备等服务设施，也含一部分居住功能，由俄罗斯研制并发射。

4）功能货舱。它内设有航天员生命保障设施和一部分居住功能（如厕所、卫生设施等），以及电源、燃料暂存地等，舱体外部设有多向对接口，由俄罗斯研制并发射。

5）多个实验舱。其中美国1个、欧空局1个、日本1个、俄罗斯3个。美国、日本和欧空局的3个实验舱将提供总计为33个国际标准的有效载荷机柜；俄罗斯的实验舱中也有20个实验机柜。另外，日本的实验舱还连有站外暴露平台，用于对空间环境直接接触8实验。

6）3个节点舱。它们由美国和欧空局研制，是连接各舱段的通道和航天员进行舱外活动的出口。此外，节点1号舱还可作为仓库，用于存储；节点2号舱内有电路调节机柜，用于转换电能，供国际合作者使用；节点3号舱为空间站的扩展留有余地。

7）能源系统和太阳能电池帆板。它们由美国和俄罗斯两国提供。

8）移动服务系统(具体是遥操纵机械臂）。它由加拿大研制。

国际空间站-组装

第一阶段，从1994年至1998年，美、俄两国完成航天飞机与俄罗斯“和平”号空间站的9次对接飞行。美国宇航员累计在“和平”号空间站上工作2年，取得了航天飞机与空间站交会对接以及在空间站上长期进行生命科学、微重力科学实验和对地观测的经验，可降低国际空间站装配和运行中的技术风险。

第二阶段，从1998年至2001年，国际空间站达到有3人在轨工作的能力。1998年11月20日，俄罗斯从哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场用“质子”号火箭将国际空间站的第一个部件“曙光”号多功能货舱（FGB）发射入轨，从而拉开了国际空间站在轨装配的序幕。同年12月4日，美国“奋进”号航天飞机将国际空间站的第二个部件“团结”号节点舱送入轨道，并于12月6日成功地与“曙光”号对接。

2000年7月12日，国际空间站的核心组件、俄罗斯建造的“星辰”号服务舱发射入轨，同年11月2日，首批3名宇航员进驻空间站，国际空间站开始长期载人，11月30日，美国“奋进”号航天飞机为国际空间站送去两块翼展达72米、最大发电量为65千瓦的大型太阳能电池帆板；2001年2月7日，美国的“命运”号实验舱由“亚特兰蒂斯”号航天飞机送入轨道，4月23日，加拿大制造的遥操作机械臂与国际空间站顺利对接，7月12日，美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机又把供宇航员出舱活动的“气闸舱”送入轨道。至此，美国和俄罗斯等国经过航天飞机、“质子”号火箭等运输工具15次的飞行，完成了国际空间站第二阶段的装配工作。

第三阶段，从2001年至2006年，国际空间站完成装配，达到6～7人长期在轨工作的能力。此阶段先组装美国的桁架结构和俄罗斯的对接舱段，接着发射日本实验舱和欧空局的哥伦布轨道设施等。装配完成后的国际空间站长110米，宽88米，大致相当于两个足球场大小，总质量达400余吨，将是有史以来规模最为庞大、设施最为先进的人造天宫，运行在倾角为51.6°、高度为397公里的轨道上，可供6～7名航天员在轨工作，之后国际空间站将开始一个为期10～15年的永久载人的运行期。

国际空间站 – 功能

组装成功后的国际空间站将作为科学研究和开发太空资源的手段，为人类提供一个长期在太空轨道上进行对地观测和天文观测的机会。

在对地观测方面，国际空间站比遥感卫星要优越。首先它是有人参与到遥感任务之中，因而当地球上发生地震、海啸或火山喷发等事件时，在站上的航天员可以及时调整遥感器的各种参数，以获得最佳观测效果；当遥感器等仪器设备发生故障时，又可随时维修到正常工作状态；它还可以通过航天飞机或飞船更换遥感仪器设备，使新技术及时得到应用而又节省经费。用它对地球大气质量进行监测，可长期预报气候变化。在陆地资源开发，海洋资源利用等方面，也都会从中受益。

国际空间站在天文观测上要比其他航天器优越得多，是了解宇宙天体位置、分布、运动结构、物理状态、化学组成及其演变规律的重要手段。因为有人参于观测，再加上空间站在太空的活动位置和多方向性，以及机动的观察测定方法，因而可充分发挥仪器设备的作用。通过国际空间站，天文学家不仅能获得宇宙射线，亚原子粒子等重要信息，了解宇宙奥秘，而且还能对影响地球环境的天文事件（如太阳耀斑、暗条爆发等）作出快速反应，及时保护地球，保护在太空飞行的航天器及其成员。

国际空间站上的生命科学研究，可分为人体生命与重力生物学两方面：人体生命科学的研究成果可直接促进航天医学的发展，例如，通过多种参数来判断重力对航天员身体的影响，可提高对人的大脑、神经和骨骼及肌肉等方面的研究水平。重力生物学和材料科学的研究与应用有广阔的前景，而国际空间站的微重力条件要比和平号空间站和航天飞机优越得多，特别是在材料发展上可能起到一次革命性的进展。

仅就太空微重力这一特殊因素来说，国际空间站就能给研究生命科学、生物技术、航天医学、材料科学、流体物理、燃烧科学等提供比地球上好得多、甚至在地球无法提供的优越条件，直接促进这些科学的进步。同时，国际空间站的建成和应用，也是向着建造太空工厂、太空发电站，进行太空旅游，建立永久性居住区（太空城堡），向太空其他星球移民等载人航天的远期目标接近了一步。

和平号空间站

和平号空间站前苏联建造的轨道空间站，是人类第一个第三代空间站，以及历史上的第9座空间站，也是迄今为止体积最大、应用技术最先进、设施最完善、太空飞行时间最长的空间站。和平号空间站全长32.9米，体积约400立方米，重量为137吨，运行轨道高度为350至450公里，约90分钟绕地球一周。苏联在1976年2月决定研发第三代空间站，取代礼炮系列DOS-17K空间站。核心舱为量子1号和量子2号舱，由质子K运载火箭送入轨道，两个主要舱室质量为10吨和19吨，是和平号主要部件。核心模块质量为20吨，为宇航员生活区，还有晶体号地球物理试验舱，质量19吨，光谱号舱19吨，对接舱6吨，自然号遥感模块舱19吨，19吨接近质子火箭运载能力的上限。

和平号空间站是一个重要的里程碑，苏联科学家在空间站上进行了涉及各个学科的科学实验，设计寿命为5年，但运行了15年，也暗示苏联制造的产品耐用性也很强。苏联也通过和平号建立起对接技术、太空行走技术、航天医学、天体物理学等轨道科研体系，扩展了对宇宙的认识。和平号虽然运行了15年，但整个技术水平不断老化，可以认为2000年的和平号几乎无法对宇航员安全进行保障，电池板已经无法正常供电，内部固件也严重老化，坠毁是唯一的选择。莫斯科时间2001年3月23日9时0分12秒（北京时间14时0分12秒），俄罗斯地面控制中心宣布，“和平”号所有残片已成功、安全地坠入预定的南太平洋海域。至此，坠毁“和平”号的工作圆满地画上了句号。

虽然 “和平号”已成为历史，但其探索宇宙所取得的经验与教训不仅是俄罗斯的财富，也是全人类的财富。

礼炮号空间站

礼炮号空间站是苏联迄今为止历时最长的一项载人航天计划。自1971年4月19日至1982年4月11日，前苏联一共发射了7座礼炮号空间站。前5座只有一个对接口，即只能与一艘飞船对接飞行。因站上携带的食品，氧气，燃料等储备有限，在太空寿命都不很长。经过改进的礼炮6号和7号空间站为第二代，增加了一个对接口，除接待联盟号载入飞船外，还可与进步号货运飞船对接，用以补给宇航员生活所需的各种用品，上述三者组成航天复合体，是从事宇宙物理、地球大气现象、医学—生物学、地球资源调查等各种科学研究和工艺试验的航天实验室。

天空实验室

天空实验室，美国第一个环绕地球的航天站。用“土星5号”运载火箭发射。轨道高度约435公里，运行周期93分钟，倾角50度。由轨道工作舱、过渡舱、多用途对接舱、太阳望远镜和“阿波罗”飞船5部分组成，全长36米，最大直径6.7米，重约80吨。航天员由“阿波罗”飞船接送。自1973年5月到1974年2月先后接纳过3批航天员，每批3人，在站分别工作了28天、59天和84天，进行了270多项研究实验，拍摄了18万张太阳活动的照片、4万多张地面照片，还进行了长期失重人体生理学试验和失重下材料加工的试验。1979年7月11日进入大气层烧毁。

麦哲伦号金星探测器

1989年5月5日，“麦哲伦”号金星探测器，由美国航天飞机“阿特兰蒂斯”号携上太空。它是是从航天飞机上发射的第一个担负这种任务的探测器。

“ 麦哲伦”号探测器经过15个月的航程，行程约13亿公里，于1990年8月飞入金星引力圈内，最后点燃火箭发动机，进入一条周期约为3小时的绕金星轨道。

“麦哲伦”号探测器的主要使命包括了解金星的地质情况，如表面构造，电特性等。研究火山和地壳构造以及形成金星表面特性的原因；了解金星的物理学特性，如密度分布和金星内部的力学特性等。

“麦哲伦”号探测器上采用了先进的合成孔径雷达，以金星进行探测，并绘制金星图像。

1990年8月10日，“麦哲伦”号探测器顺利到达金星。8月16日，探测器上的合成孔径雷达开始对金星表面进行探测，虽然只获得金星表面的一小部分资料，但图像非常清晰，可以清楚地辨认出断层、火山熔岩流、火山口、高山、峡谷和陨石坑。之后“麦哲伦”号探测器继续利用先进的成像雷达系统对金星全球进行了详细的拍摄，还对金星95%的地区进行了高分辨率的重力测量。整个拍摄和测量过程历时4年，取得了丰硕的科学成果。

1994年10月12日，“麦哲伦”号探测器进入金星稠密大气层，以试验一种新颖的空气制动技术，并获取金星稠密大气的数据。探测器在进入金星大气后烧毁。这是第一次利用一个行星际探测器进行这种破坏性试验。

尤里西斯号星际探测器

尤利西斯探测器，是1990年由美国发射的太阳探测器，尤利西斯探测器发回的数据进一步加深了科学家对太阳各方面的认识，对探测太阳两级作出了重要贡献。

1990年10月6日， 美国发现号航天飞机将尤利西斯号太阳探测器送入太空，把对太阳的探测活动推向一个新的阶段。 该探测器重385千克，靠钚核反应堆提供工作能量，共装有九台科学仪器，其任务是探测太阳两极及其巨大的磁场、宇宙射线、 宇宙尘埃、γ射线、X射线、太阳风等。 探测器1994年8月飞抵太阳南极区域并绕太阳运转，横跨太阳赤道后到达太阳北极。它绕太阳飞行的轨道呈圆形， 离太阳最远时为8亿公里，最近时为1.93亿公里。尤利西斯号绕太阳飞行时，可以对太阳表面一览无余，能够全方位地观测太阳。

通过研究“尤利西斯”号发回的数据，研究人员大大扩展了对由带电粒子组成的太阳风的认识。研究人员发现，太阳发出的太阳风有快、慢之分，不同纬度上太阳风的速度不同。最为显著的是，南半球高纬度上太阳风速度大约为每秒750公里，而南半球接近赤道部分太阳风的速度大约为每秒钟400公里。

除此之外，“尤利西斯”还为研究人员提供了大量关于太阳磁场以及太阳表面活动情况的新信息。它对宇宙射线的探测也为人类提供了不少新知识与新课题。

在飞经木星附近时，“尤利西斯”号还6次探测到了源于木星或木星周围卫星以28天为周期的尘埃爆发。它还意外地于2000年和2007年分别经过百武彗星和麦克诺特彗星的彗尾，催生不少惊人发现，例如百武彗星的离子彗尾长度超过5亿公里，是迄今发现的最长彗尾。

“尤利西斯”号太阳探测器在服役17年后燃料冻结,但令人惊奇的是它竟在遭此劫难之后又顽强地支撑了一年，并传回不少有价值的科学数据，最后，尤里西斯的通信能力逐渐减弱，于2008年6月30号被正式关闭，结束“英雄”的使命。

旅行者号空间探测器

旅行者号探测器是1977年美国发射的两颗行星探测器。两颗探测器原来名称为“水手计划”的“水手11号”和“水手12号”。它们巧妙地利用巨行星的引力作用，使它们适时改变轨道，从而达到同时探测多颗行星及其卫星的目的。两探测器各重815千克，结构大体相同，带有宇宙射线传感器、等离子体传感器、磁强计、广角、窄角电视摄像仪、红外干涉仪等11种科学仪器，耗资3.5亿美元。1号发射前出现故障而延期，结果延至1977年9月5日发射，2号按预定计划在1977年8月20日发射。

旅行者1号原先的主要目标，是探测木星与土星及其卫星与土星环。任务现已变为探测太阳风顶，以及对太阳风进行粒子测量。两艘旅行者号探测器，都是以三块放射性同位素温差发电机作为动力来源。这些 发电机已经大大超出了起先的设计寿命，一般认为它们在大约2020年之前，它们仍然可提供足够的电力令太空船能够继续与地球联系。

在顺利地借助了木星的引力后，太空船朝土星的方向进发。旅行者1号于1980年11月掠过土星，于11月12日最接近土星，距离土星最高云层124,000公里以内。太空船探测到土星环的复杂结构，并且对土卫六上的大气层进行了观测。由于发现了土卫六拥有浓密的大气层，喷气推进实验室的控制人员最终决定了让旅行者1号驶近一点土卫六进行研究，并随之终止了它继续探访其余两颗行星。结果造访天王星和海王星的任务只得交予旅行者2号。这次靠近土卫六的决定使太空船受到了额外的引力影响，最终使太空船离开了黄道，终止了它的探索行星任务。

2012年8月25日，“旅行者1号”成为第一个穿越太阳圈并进入星际介质的宇宙飞船。截至2018年1月2日止，旅行者1号正处于离太阳211亿公里的距离。

一旦进入星际空间，“旅行者1号”将需要4万年的时间才能抵达下一个恒星系。

至于“旅行者1号”上的电池，科学家说，探测器上携带三枚核电池，能够保证它继续飞行至2025年。一旦电池耗尽，“旅行者1号”将继续向银河系中心前进，再也回不来了。

“旅行者”2号探测器被誉为最有价值的探测器，因为它探访了众多行星及其卫星：它在1979年7月9日最接近木星，多发现了几个环绕木星的环，并拍摄了木卫一的照片，显示其火山活动。它在1981年8月25 日最接近土星。之后，利用土星的引力，像“打弹弓”一样在1986年1月24日最接近天王星，并发现了10个之前未知的天然卫星。 “旅行者”2号探测器在1989年8月25日最接近海王星。2018年12月10日，“旅行者2号”探测器已飞离太阳风层，成为第二个进入星际空间的探测器。

两个“旅行者”号探测器都携带着镀金的铜唱片，以备太空船被外太空智慧生物捕获时与他们沟通。上面记录着鸟鸣、风声、人类的谈话声等。

洞察号火星探测器

“洞察”（Insight）是“INterior exploration using Seismic Investigations，Geodesy and Heat Transport”的缩写，意思是“借助地震，大地测量以及热流手段进行内部探测”。属于NASA“发现”（Discovery）项目。

“洞察号”飞船和着陆器基本基于成功的“凤凰号”任务开展，并加装了来自MRO和GRAIL的最先进电子设备。发射时整个Insight飞船质量694公斤，其中包括着陆器（358公斤），隔热罩（189公斤），巡航级（79公斤），以及推进剂和压缩气体共计67公斤；其中各类载荷总质量大约50公斤。在火星表面着陆之后，由于支撑脚着陆火星后会有一定程度压缩，高度在83~108厘米之间，太阳能帆板展开后翼展6米，平台宽度1.56米，机械臂长度2.4米。

2018年5月5日，“洞察号”从加州范登堡空军基地发射升空，这也是第一次从美国西海岸，而不是东海岸的卡纳维拉尔角发射行星际探测器。发射时还搭载了两颗立方体小卫星“MarCO”，分别命名为“瓦力”和“伊娃”。这两个小卫星非常小，每个均为36.6厘米，24.3厘米，11.8厘米，但却发挥了重大作用，在“洞察号”着陆时提供了实时的信号中继服务。第一幅传回的火星地表图像，就来自于这两颗小卫星的数据中继。事实上，这也是人类航天史上首次将立方体小卫星发射到火星，代表了未来的某种技术趋势。

“洞察”号火星无人着陆探测器着陆火星之后将在火星表面安装一个火震仪，并使用钻头在火星上钻出迄今最深的孔洞进行火星内部的热状态考察。因此，“洞察号”携带的科学载荷主要有两种，分别对应于地震探测，以及地热流测量。这些都是了解火星内部状况的重要手段。

“洞察”号的八项第一

1）“洞察号”是第一个专用于研究火星深部地下的探测任务；

2）“洞察号”是第一个将地震仪直接放置在火星地表的探测器；

3）“洞察号”将第一次在另一颗行星上探测地震现象；

4）“洞察号”是第一个使用自钻式钻头，深入火星地下的探测器，钻进深度比以往任何探测器深15倍以上，最深达到5米；

5）“洞察号”是第一个从美国西海岸发射升空的行星际探测器（发射时美国西海岸正值黎明破晓时分）；

6）“洞察号”是第一个使用机械臂将设备直接布放到其他行星地表的探测器；

7）“洞察号”将首次在火星表面使用磁强计；

8）搭载发射的MarCO小卫星是首次在深空任务中使用的立方体卫星；

好奇号火星车

好奇号火星探测器是美国国家宇航局研制的一台探测火星任务的火星车，于2011年11月发射，2012年8月成功登陆火星表面。它是美国第七个火星着陆探测器，第四台火星车，也是世界上第一辆采用核动力驱动的火星车，其使命是探寻火星上的生命元素。项目总投资26亿美元，是截至2012年最昂贵的火星探测项目。

命名

由儿童和青少年命名火星车是NASA的惯例。2008年11月18日，一项面向全美五岁至十八岁学生的为火星车命名的比赛开始。2009年3月23日至29日，普通公众有机会为九个进入决定的名字进行投票，为火星车的最终命名作为参考。2009年5月27日，NASA宣布六年级的华裔女生马天琪（Clara Ma）的“好奇”最终赢得了胜利。

日偏食

好奇号火星车拍到的日偏食2012年9月，好奇号火星车拍摄了大量火星日偏食的照片。地球上的日食由月球在太阳和地球之间穿过形成，火星上的日食则由火星的两颗卫星所致。照片中，太阳被火卫一遮住，好像被“咬”了一口。

古河床

2012年9月27日，美国宇航局的科学家称，他们在“好奇号”传回的火星照片上发现，在盖尔陨石坑（ Gale Crater）北部边缘和夏普山（Mount Sharp）之间有许多已经聚合成砾岩的碎石，这些碎石应该是非常湍急的河水流过时带到这里的。根据这些碎石的大小和形状，科学家估算出这条古老火星河流的流速为大约0.9米/秒，深度大概相当于人的脚踝到臀部之间的高度。一些碎石已经被磨得十分圆滑，证明它们是经过了漫长的旅程到达这里的。

不明碎片

2012年10月7日，在首次收集火星土壤样本时，好奇号火星车发现地面上存在一个尺寸很小的不明物体，好似银片或者其他某种物品的碎片。10月8日，由于发现地面上的一个明亮物体——可能是从“好奇”号上脱落的碎片——项目组决定不使用机械臂。“好奇”号拍摄了这个物体的照片，以帮助项目组进行鉴别并评估可能对样本收集带来的影响。

证明有水

2013年9月，美国航天局“好奇”号火星车发现，火星表面土壤按重量算约2%是水分，这意味着每立方英尺（不到0.03立方米）的火星土壤能够获得约1升的水。美国伦斯勒理工学院和美国航天局等机构研究人员2013年9月26日在《科学》杂志上报告说，他们利用“好奇”号携带的样本分析仪，将其登陆火星后获得的第一铲细粒土壤加热到835摄氏度的高温，结果分解出水、二氧化碳以及含硫化合物等物质，其中水的质量约占2%。论文第一作者、伦斯勒理工学院的劳里·莱欣说，“现在知道火星上应该有丰富的、可轻易获得的水”，这是“最令人激动的结果之一”。今后如果有人登上火星，只需在火星表面铲起土壤，然后稍稍加热，就可获得水。

神秘亮光

2014年4月，好奇”号探测器从火星上发回的最新照片中出现一抹神秘的亮光，引发外界热议。有人说，亮光看起来很像人造光，不排除这个红色星球上“存在智能生命的可能”。

从照片上看，这是一个很诡异的白色“亮点”。由于在周围暗灰色的背景中显得很突兀，因此有猜测称，这很可能暗示火星上存在地下智能生命形式。

不过，也有分析认为，更大的可能是照片成像过程中出现了小问题，以前有很多类似的“火星生命论”都被证实是错误的。

曾有湖泊

“好奇号”探测器在夏普山采集到的信息表明，火星曾在较长的时间里存在过比较温暖的气候，平均温度高于零摄氏度，这给湖泊等水循环系统的出现提供了环境。在这段时间内，盖尔陨石坑可能多次变成湖泊又多次蒸发干涸，湖泊中的沉淀物经历不断的风化，层层交替累积形成了夏普山。

发现有机物

好奇号上的一台设备探测到空气重甲烷含量的异常升高，科学家们认为甲烷的形成可能与细菌类生命体的活动有关——如果被证实，那么这将是我们首次探测到另一颗星球上的生命迹象。

纳米布沙丘

2016年1月4日，NASA公布火星探测器“好奇号”（Curiosity）传回的360度“纳米布沙丘”（Namib Dune）照。这也是好奇号自2012年8月登陆火星以来，人类首度近距离目睹火星风采。

海盗号火星探测器

海盗号探测器是美国于1975年8月20日和9月9日发射的两个火星探测器，用于探索火星上有无生物。这两个探测器由轨道飞行器和登陆舱组成，长为5.08米，重3530千克，其中轨道飞行器重2330千克，登陆舱重1200千克，用三脚支撑，装有生物化学实验箱、测量挖掘设备、两台电视摄像机、机械手和电源。海盗1号和2号分别于7月20日和9月3日在火星表面软着陆成功。

两艘“海盗号”的探测表明，火星是一个荒凉的世界。其表面也有环形山，但比月面上要少得多，还有大峡谷、山脉以及蜿蜒曲折、外貌酷似河床的结构物。由于火星表面大气极其稀薄，紧挨固体表面处的大气压相当于地球上海拔3万米高度处的大气压，一旦有液态水存在，就会立即蒸发光。所以现在这些“河床”中肯定没有液态水。火星表面的水，很可能与固态二氧化碳一样，被冻结在南北两极的极冠中。

两艘“海盗号”着陆器都有一个重要任务，即进行生物探测实验。它们都装有一个可以挖取火星表面之下土壤的手臂，把挖得的土壤放到着陆器的特殊实验室中，用碳14作示踪原子，并用气相分析分光仪来寻找有机化合物的痕迹，结果未能找到有微生物存在的迹像。但是，火星表面大量酷似干涸河床的结构物似乎表明，火星在过去遥远的地质年代中，当时表面大气压比现今高得多，表面温度也比现今高，很可能有大量的液态水在这种“河床”中流动。现今观测到的河床结构物很可能正是那时火星上汹涌澎湃的江河。有人认为，那个时候火星上是一个有生命的世界。至于目前火星上是否还有生命存在，尽管在两艘“海盗号”之后，美国又多次发射探测器探测火星，但这个问题至今还没有确切的结论。

海盗号计划结束于1983年5月21日

人造卫星组成 – 推进分系统

推进分系统是为姿态和轨道控制分系统提供所需动力的卫星分系统，包括单组元推进、双组元推进、双模式推进、冷气推进及电推进等。

人造卫星结构 – 强度和刚度

强度是材料在外力作用下抵抗破坏（变形和断裂）的能力称为强度，是衡量卫星本身结构承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形（当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性）的能力，是卫星弹性变形难易程度的表征。卫星的强度和刚度主要靠卫星的结构材料来保证。

人造卫星的结构材料大多采用镁合金和铝合金，对于高强度的零部件则采用不锈钢和钛合金。为了提高刚度，同时减轻重量，也开始采用新型复合材料。卫星上的大面积太阳能帆板早期为铝合金加筋板或夹层板结构，后来改为采用石墨纤维复合材料作面板的铝蜂窝夹芯结构，更加先进的轻型太阳能帆板则采用石墨纤维复合材料作框架，在上面蒙上聚酰胺薄膜。面积更大的柔性太阳能帆板则全部由薄膜材料制成。大型抛物面天线过去多采用玻璃钢或铝合金制造，不过随着天线指向精度的提高，现已改用热膨胀系数极小的一些轻质复合材料，例如石墨和芳纶在一定温度范围内，其膨胀系数是负的，因此可以通过材料的铺层设计制造出膨胀系数接近于零的复合材料。

航天器的概念

航天器（spacecraft）又称为空间飞行器，是按照天体力学的规律在太空中运行，用于执行探索、开发以及利用太空和天体等特定任务的各类飞行器。

大家平时熟悉的飞机属于航空器，这里首先跟大家介绍一下航天器和航空器的区别。航空器与航天器的飞行环境、飞行速度、工作时限均有所不同。

飞行环境：所有航空器都是在地球稠密的大气层中飞行的，其工作高度有限，现代飞机的飞行高度最高约距离地面30多千米；航天器则是在绕地球轨道上或地球外层空间中运行的，当航天器冲出稠密大气层后，其运行轨道的近地点高度至少也在100千米以上。

飞行速度：航空器，例如军用飞机，最快速度也就是音速的三倍多。至于较为常见的客机，都是以亚音速飞行的；航天器为了不致坠落，都是以极高的速度在太空运行的。如在距地面600千米高的圆形轨道上，航天器的运行速度是音速的22倍。

工作时限：航空器中无论是军用飞机还是民用飞机，最大航程大约2万千米，最长飞行时间则不超过一昼夜；航天器在轨道上可持续工作非常长的时间，如航天飞机可以在轨道上飞行7-30天，约1.5小时就可围绕地球飞行一周。载人航天器运行时间最长的当属和平号空间站，它在太空一共飞行了将近20个年头。至于无人航天器，例如各种应用卫星，一般都在绕地轨道上工作很多年。有的深空探测器，如先驱者10号，自从1972年3月发射，已在太空飞行超过45年，现在正在飞出太阳系向银河系遨游。

航天器分类

航天器通常按照应用领域进行分类，根据是否载人又可分为无人航天器和载人航天器。

无人航天器按是否环绕地球运行可分为人造地球卫星和空间探测器，它们按照用途和飞行方式还可以进一步分类。

人造地球卫星，简称人造卫星，是数量最多的一类航天器，约占所有航天器总数的90％以上。按照用途可分为科学卫星、应用卫星和技术试验卫星三种。科学卫星用于科学研究和探测，主要包括天文卫星和空间物理探测卫星等。应用卫星是直接为经济、军事等提供服务的人造卫星，它的种类最多，数量也最大。技术试验卫星则是进行新技术试验或者为应用卫星进行试验的卫星。

无人航天器的另一种类就是空间探测器，用于对月球和月球以外的天体和空间进行探测，又称深空探测器，按探测目标不同可分为月球探测器、行星探测器和行星际探测器。目前，各种行星和行星际探测器主要用于探测水星、金星、火星、土星、木星和行星际空间等。

与无人航天器相对应的是载人航天器，按照飞行和工作方式可分为载人飞船、航天飞机和空间站。

载人飞船又称载人航天飞船，它借助于运载火箭发射进入太空，绕地球轨道运行或进行轨道机动飞行；飞船内有适合人类工作和生活的人造环境；完成任务后，飞船的一部分可以返回大气层，并用降落伞和缓冲装置实现软着陆。

空间站是一种大型的、能够在轨道上长期运行的载人航天器，一般在轨道上运行数年或数十年，然后再入大气层中烧毁。空间站上宇航员的接送及物资补给，由飞船或航天飞机承担。

航天飞机是一种有人驾驶并可重复使用的航天器，它既能像火箭一样垂直起飞，又像太空飞船一样在轨道上运行，还能像飞机一样水平着陆。它是航空器、火箭和航天器的综合产物。

航天器之人造卫星

人造地球卫星是指环绕地球飞行，并且运行圈数超过一圈的无人航天器，简称人造卫星。人造卫星是数量最多，用途最广，发展最快的航天器，主要作用是通信、导航、科学探测和研究、土地资源调查、土地利用、区域规划、天气预报等各个领域。

人造卫星按运行轨道不同可分为低轨道卫星、中高轨道卫星、太阳同步卫星、极轨道卫星、地球同步卫星、地球静止卫星和大椭圆轨道卫星等；按用途分类，人造卫星又可分为通信卫星、导航卫星、气象卫星、测地卫星、侦察卫星、截击卫星等。

人造卫星绕地球飞行的速度非常快，低轨道和中高轨道卫星一天就能绕地球飞行几圈甚至十几圈，而且不受领土、领空和地理条件的限制，视野广阔，能快速与地面进行信息交换、包括地面信息的转发，也可以获取地球的大量遥感信息，一张地球资源卫星的照片所遥感的面积就可达几万平方千米。这些种类繁多、用途各异的人造卫星在各个方面都为人类做出了巨大的贡献。

1957年10月4日，前苏联发射了世界上第一颗人造卫星。这颗卫星的主要仪器设备是采用化学能电池供电的无线电发报机。之后，美国、法国、日本和中国也相继发射了人造卫星。

航天器之空间探测器

空间探测器，又名“深空探测器”或“宇宙探测器”，它是人类研制的用于对远方天体和空间进行探测的无人航天器，在现阶段，它是人类空间探测的主要工具。

空间探测器装载科学探测仪器，由运载火箭送入太空，飞近月球或地球外的其他行星进行近距离观测。空间探测器按照探测对象的不同可以划分为月球探测器、行星和行星际探测器以及小天体探测器等。

空间探测器的显著特点是，在空间进行长期飞行，地面不能进行实时遥控，所以必须具备自主导航能力；向太阳系外行星飞行，远离太阳，不能采用太阳能电池阵，而必须采用核能源系统；承受十分严酷的空间环境条件，需要采用特殊防护结构；在月球或行星表面着陆或行走，需要一些特殊形式的结构。

1959 年1月前苏联发射了第一个月球探测器——月球1号，此后美国发射了徘徊者号探测器、月球轨道环行器、勘测者号探测器。目前，行星和行星际探测器有美国的“水手”号、“旅行者”号、“先驱者”号以及苏联的“火星”号等。

航天器之货运飞船

货运飞船是一种专门运送货物到达太空一次性使用的航天器，主要任务是向空间站定期补给食品，货物，燃料和仪器设备等。它不仅是空间站补给物资的重要运输工具，同时也是空间站的地面后勤保障系统。货运飞船与空间站对接后，将根据空间站的需求分次进行推进剂补给，实现航天员生活用品、维持舱压气体的补给，存储空间实验设备和用品，收集废弃物，完成任务后坠人大气层烧毁。各国的货运飞船包括俄罗斯的进步号货运飞船、渡船号货运飞船，日本的空间站转运飞行器，欧洲的自动货运飞船（ATV），中国的天舟号货运飞船。

航天器之空间站

空间站是一种可在近地轨道长时间运行、并可供多名航天员巡访、工作和生活的载人航天器，又称太空站、航天站。空间站分为单模块空间站和多模块空间站两种。单模块空间站可由航天运载器一次发射入轨，多模块空间站则由航天运载器将各模块分批送入轨道，并在轨道上将各模块组装而成。在空间站中要有人能够生活的一切设施，空间站不具备返回地球的能力。各国的空间站主要包括前苏联的礼炮系列空间站、美国的天空实验室号、前苏联的和平号空间站、美国、俄罗斯、日本、加拿大和欧洲等共同建造的国际空间站以及中国的天宫1号目标飞行器和天宫2号空间实验室。

航天器之航天飞机

航天飞机是一种有人驾驶、可重复使用的、往返于太空和地面之间的航天器。它既能像运载火箭那样将人造卫星送入太空，也能像载人飞船那样在地球轨道上运行，还能像滑翔机那样在大气层中滑翔着陆。

航天飞机为人类自由进出太空提供了很好的工具，是航天史上的一个重要里程碑，最早由美国研发。它是往返于地面和近地轨道之间运送人和有效载荷的飞行器，兼具载人航天器和运载器功能，并按飞机方式着陆的航天系统。迄今只有美国与前苏联曾经制造能进入近地轨道的航天飞机，并曾实际成功发射并回收，而美国是唯一曾以航天飞机成功进行载人任务的国家。美国一共有5架航天飞机进行了上百次飞行，其中包括哥伦比亚号、挑战者号、发现号、亚特兰蒂斯号和奋进号。

人造卫星用途

人造卫星是环绕地球在空间轨道上运行（至少一圈）的无人航天器，同时是发射数量最多、用途最广、发展最快的航天器。人造卫星发射数量约占航天器发射总数的90 %以上。月球围绕着地球旋转，它是地球的卫星，而“人造卫星”就是我们人类“人工制造的卫星”。人类利用火箭把它发射到预定的轨道，使它围绕着地球或其他行星运转，进行探测或科学研究。发射成功一颗人造卫星，实际上就相当于人类在太空设立了一个实验室或通信情报站。地面上的人类通过遥控这颗人造卫星来完成宇宙观测、广播通信等工作。

人造地球卫星按照用途可以分成三大类：科学卫星、技术试验卫星和应用卫星。科学卫星是用于科学探测与研究的卫星，主要包括天文卫星和空间物理探测卫星，可以用来研究高层大气、地球磁层、地球辐射带、太阳辐射、宇宙线等，也可以观察其他星体。技术试验卫星是用于进行新技术试验或为其他应用卫星进行试验的卫星。航天技术中有很多新原理、新材料、新仪器需要验证，必须在天上进行试验；一种新型卫星的性能如何，也只有把它发射到太空中实际测试，测试成功后才能应用；把人送上太空之前，也必须先进行动物试验……这些都是技术试验卫星的使命。应用卫星是直接为人类提供服务的卫星，种类最多，数量最大，包括：通信卫星、导航卫星、气象卫星、测地卫星、地球资源卫星、侦察卫星、截击卫星等。

人造卫星 – 通信卫星介绍

通信卫星是世界上应用时间最早、应用范围最广的卫星之一，也是发射数量最多的一类卫星，美国、俄罗斯、中国、日本、法国等众多国家都发射了通信卫星。顾名思义，通信卫星就是用来进行信息传递的，是一个摆渡站。类似于手机通信中的地面基站，用来作为中继转发信号。只是这种信息通信利用卫星来作为中继，因此传递的信号更远、覆盖范围更大，目前多种电视信号、广播信号以及国际手机通信信号都可以通过通信卫星来实现。

通信卫星作为无线电通信中继站，就像一个国际信使，它收集来自地面的各种“信件”，然后再把这些信件“投递”到另一个地方的用户手里。由于它位于36000 千米的高空，所以它“投递”的覆盖范围特别大，一颗卫星就可以负责地球表面1/3范围内的通信。在地球静止轨道上均匀地放置三颗通信卫星，就可以实现全球通信（南北极除外）。当通信卫星接收到从一个地面站发过来的微弱无线电信号后，会自动对它进行放大处理，使其变成大功率信号，然后发送到另一个地面站，或传送到另一颗通信卫星上，再由这颗卫星将信号发送到地球另一侧的地面站上，如此，我们就收到了从很远的地方发出的无线电信号。

下面我们来看一下通信卫星的分类，通信卫星按照轨道的不同可以分为低轨道通信卫星、中轨道通信卫星、大椭圆轨道通信卫星和地球静止轨道通信卫星，由于运行轨道不同，它们的通信覆盖范围也会随之不同；按照服务区域不同可以分为区域通信卫星、国内通信卫星和国际通信卫星；按照用途不同可以分为商业通信卫星、民用通信卫星和军用通信卫星；按照通信业务种类的不同可以分为电视广播卫星、固定通信卫星、移动通信卫星、跟踪和数据中继卫星和海事通信卫星等；按照用途多少的不同可以分为专用通信卫星和多用途通信卫星。

通信卫星一般采用地球静止轨道。我们再来复习一下什么是地球静止轨道，地球静止轨道是指人造卫星位于地球赤道正上方的正圆形地球同步轨道，是地球同步轨道的一种，这条轨道位于地球赤道上空 35786千米处。卫星在这条轨道上以3075米/秒的速度自西向东绕地球旋转，环绕地球一周的时间是 23小时56分4秒，正好等于地球自转一周的时间。从地面上看，卫星就象挂在天上一样，一点也不动，这就使得地面接收站的工作方便了很多，因为接收站的天线可以固定对准卫星，不必像跟踪那些移动不定的卫星一样四处“晃动”，进而可以昼夜不间断地进行通信。目前，大部分洲际通信业务和电视传输都是由通信卫星承担的。

人造卫星 – 导航卫星介绍

导航卫星是指从卫星上连续发射无线电信号，为空间、空中、海洋和地面用户提供导航定位的人造卫星。相信现在每个人的手机里都会有一个导航软件，导航软件能实现定位导航靠的就是导航卫星。那么导航卫星是靠什么原理来进行定位导航的呢？

卫星定位导航，是由地球或空间用户通过卫星发射无线电信号确定自己与卫星之间的距离，再通过距离变化率计算出自己在地球或空间的位置，进而确定自己航向的方法。这些位于天上的无线电导航台，就是导航卫星，也可以说是当今的“罗盘”。

科技工作者对卫星导航技术的研究和应用，开启了人类利用人造卫星进行定位导航的新纪元。1958年初，美国科学家在跟踪第一颗人造卫星时，无意中发现收到的卫星无线电信号具有多普勒效应，也就是说当卫星飞近地面接收机时，收到的卫星无线电信号频率逐渐升高；当卫星远离地面接收机时，卫星无线电信号的频率就变低。这一发现对之后导航技术的研究起到了很大帮助。

导航卫星按轨道不同可分为低轨道导航卫星、中高轨道导航卫星和地球同步轨道导航卫星；按导航方法不同可分为时差测距导航卫星和多普勒测速导航卫星；按是否接收用户信号可分为主动式导航卫星和被动式导航卫星。

目前，世界上四大卫星导航系统是美国的GPS 全球定位系统、前苏联/俄罗斯的GLONASS全球导航卫星系统、欧洲航天局的GALILEO 卫星定位系统和中国的北斗（BDS）导航卫星定位系统。

下面来简单介绍一下这四大卫星导航系统。

GPS是目前应用最广泛的卫星定位导航系统，它是在美国海军导航卫星系统的基础上发展起来，具有全球性、全天候、全能性、连续性和实时性的定时、定位和导航功能，能为用户提供精密的时间、速度和三维坐标。

GLONASS是继GPS后的第二个全球卫星导航系统，由前苏联国防部于20世纪70年代开始独立研制，1984年发射首颗卫星入轨。GLONASS系统由分布于3 个轨道平面上的21颗工作星和3 颗备份星组成，每个轨道面有8 颗卫星，轨道高度19000千米，运行周期为11小时15分。和GPS相比，GLONASS系统的抗干扰能力更好，但是它的单点定位精确度不如GPS系统。

伽利略卫星导航系统（GALILEO)是世界上第一个基于民用的全球导航卫星定位系统。该系统由欧盟和欧空局共同研制和建立，系统由30颗卫星组成，包括27颗工作星和3颗备份星。卫星轨道高度为 23616千米，位于3个倾角为56°的轨道平面内。

北斗卫星导航系统（BDS）是由中国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。该系统计划由35颗卫星组成，包括5颗地球静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星以及3颗倾斜同步轨道卫星。

人造卫星 – 遥感卫星介绍

近年来，卫星地图已渐渐融入到大众的网络生活中。无论是运营商还是普通大众，都对实景卫星影像有了新的认识和使用习惯。国内知名的百度、腾讯、高德、搜狗、360等多家地图服务商都上线了卫星地图，通过图上的影像，用户可以清晰看到建筑物、街道、园林景观。相信大家的电脑、智能手机中都会有一款地图软件，而地图软件靠的就是遥感卫星。

遥感卫星的主要作用是对地球和大气的各种特征和现象进行遥感观测。这种卫星是利用遥感器从空中来探测地面物体性质的，它根据不同物体对波谱产生不同响应的原理，利用遥感器收集地球和大气目标辐射或反射的电磁波信息，并由传输设备发送回地面进行处理分析，进而判读地球环境、资源和景物等信息。

所有的遥感卫星都需要有遥感卫星地面站，卫星数据可监测到农业、林业、海洋、国土、环保、气象等情况，遥感卫星主要包括气象卫星、地球资源卫星、海洋观测卫星和侦察卫星等。

气象卫星是指从太空对地球及其大气层进行气象观测的人造地球卫星。卫星所载各种气象遥感器，接收和测量地球及其大气层的可见光、红外光和微波辐射，并将其转换成电信号传送给地面站。地面站将卫星传来的电信号复原，绘制成各种云层、地表和海面图片，再经进一步处理和计算，得出各种气象资料。气象卫星观测范围广，观测次数多，观测时效快，观测数据质量高，不受自然条件和地域条件限制，它所提供的气象信息已广泛应用于日常气象业务、环境监测、防灾减灾、大气科学、海洋学和水文学的研究。我们平常最常见的天气预报，靠的就是气象卫星的功劳。气象卫星也是世界上应用最广的卫星之一。

地球资源卫星是勘探和研究地球自然环境和资源的人造卫星，简称资源卫星。随着遥感技术的发展，现在的地球资源卫星具有全天时、全天候、高精度的特点。地球资源卫星能迅速、全面、经济地提供有关地球资源的情况，对土壤水分监测、农作物生长、土地利用、森林资源调查、海洋观测、地质勘探、油气资源勘查、全球环境监测和灾害监测等地球资源开发和国民经济发展具有重要作用。美国、前苏联/俄罗斯、欧洲航天局、法国、印度、加拿大和中国等相继发射了地球资源卫星。

海洋观测卫星是用遥感器感测海面的电磁辐射，以监视、分析和研究海洋环境的人造地球卫星。海洋观测卫星经过多年的发展，已经完成了探索、试验阶段，并进入了实际业务应用阶段。世界上主要的航天大国都已经具备了完善的海洋立体观测体系，而海洋观测卫星具备的全天候、全天时、大面积、高时效的观测优势，使其成为海洋立体观测体系中最重要组成部分。海洋观测卫星对于研究大面积的海洋动态现象，开发海洋资源，发展海运事业和沿岸及近海工程建设，提高海洋水文气象预报的准确性，乃至检测海洋污染等都具有重要意义。

侦察卫星是用于获取军事情报的军用卫星，又称间谍卫星。侦察卫星利用所载的雷达、光电遥感器或无线电接收机等侦察设备，从轨道上对地球表面的目标实施监视、侦察或跟踪，以获取其辐射、发射或反射的电磁波信息，并通过无线电传输方式发送到地面接收站，在地面站通过计算机进行加工处理，从中提取有价值的军事情报。

人造卫星 – 科学实验卫星

科学与技术试验卫星是人类最早研制的卫星类型之一，在人类叩开太空之门、探索认识广袤宇宙、解释验证重大理论、加速技术成熟与成果转化方面发挥重要作用。从应用角度上划分，科学与技术试验卫星主要分为技术试验卫星和科学卫星两类。技术试验卫星主要用于航天技术的飞行试验与验证；科学卫星主要用于人类对空间科学的探索研究。前段时间我国发射的“墨子号”卫星就是一颗典型的科学实验卫星。

科学卫星

空间科学是随着空间技术的发展而逐渐发展起来的一门新兴的综合交叉学科，主要利用航天器来研究发生在宇宙空间的物理、天文、化学和生命等自然现象及其规律，是当代科学的前沿阵地。以空间科学研究为主要目标的科学卫星，主要包括空间物理探测卫星、天文卫星和生物卫星等几种类型。半个多世纪以来，人类利用科学卫星获得了宇宙天体、空间物理等方面的丰硕科学探测和科学实验成果，促进了航天器技术的快速发展，也极大地激发了人类对未知领域的探索和创新精神。

科学卫星的发展最早可以追溯到20世纪50年代末期。1957年，苏联发射了人造地球卫星-2，是世界第一颗把动物送入轨道的卫星。1961年，美国发射了世界第一颗天文卫星—探险者11，用于伽马射线探测。在20世纪60~70年代，美国相继发射了“轨道天文观测台”系列天文卫星和“高能天文观测台”系列天文卫星，成为空间天文发展的主要国家。欧洲在空间天文方面也取得显著成果。1968年欧洲发射了欧洲空间研究组织-2B卫星，用于宇宙射线和太阳X射线探测。

20世纪90年代以来，美国、欧洲的空间天文活动更为活跃，日本、俄罗斯也发射了天文卫星。这一时期最为著名的是美国“大型空间天文台”系列的四大空间望远镜：1990年发射的“哈勃空间望远镜”、1991年发射的“康普顿伽马射线天文台”、1999年发射的“钱德拉X射线天文台”和2003年发射的“斯皮策空间望远镜”。特别是“哈勃空间望远镜”取得了极为丰硕的成果，截至2010年已拍摄恒星、行星、星云、类星体、褐矮星和超新星等90多万张宇宙图像，对2万多个天体进行了研究，成功测定了宇宙的年龄约为137亿年，证实了星系中央存在大质量黑洞。这些成果大大促进了人类天文学的进步，开阔了人类的视野，也激励了更多的年轻人投身于天文领域。

技术试验卫星

航天具有高技术、高风险的特点，这就要求航天发展中产生的新技术、新材料、新方案和新仪器在进行空间飞行试验验证后，才能投入实际应用。技术试验卫星就是专门承担此类任务的卫星类型。尽管技术试验卫星不直接服务于人类的生产和生活，但却在推动通信广播、导航定位等应用卫星技术发展，支持载人航天、空间探测技术突破等方面发挥着不可或缺的作用，不断开拓着航天器的应用领域。

技术试验卫星的发展经历了两个高速发展阶段。1957年到20世纪70年代中期，全球空间技术处于探索阶段。这一时期，苏联、美国、法国、英国、德国等国家发射了数量众多的技术试验卫星，开展卫星技术验证、新应用领域的概念与技术验证以及空间环境探测。例如，美国的“应用技术卫星”系列，包括6颗卫星，开展了多个应用领域的技术验证，显著推动了美国通信、导航、对地观测等应用卫星技术的发展。这一时期，经过大量的技术飞行试验，主要航天国家掌握了航天基础技术，开拓了新的空间应用领域，满足了人类空间探索和空间资源利用的早期需求。

从20世纪90年代中期开始，随着科学技术特别是信息、电子、新材料技术的飞速发展，出现了大量可提高航天器性能水平的新技术、新材料和新设备，世界各国又开始了新一轮的技术试验卫星研制热潮。美国制定了“新盛世计划”，通过一系列小型低成本航天器任务，降低未来空间科学任务采用新技术的风险。日本的“工程试验卫星”系列、欧洲的“星上自主项目”系列也开展了多项成功的飞行任务，推动了航天器小型化、激光通信、在轨服务等众多技术领域的发展。

未来，随着人类航天发展速度加快和活动领域拓展，科学与技术试验卫星将在人类探索、认识宇宙，推动航天技术发展过程中发挥更为重要的作用。

人造卫星组成 – 基本组成

人造卫星无论从外形还是内部结构上讲，都是千差万别的，但是它们在系统组成上却是一致的，都包括两大部分，即公用系统和专用系统。公用系统是指所有卫星都必须配备的基本系统；而专用系统则是指不同用途的卫星，为了完成其特有的任务而配备的专有系统。

公用系统一般包括以下几个系统：结构分系统、电源分系统、热控制分系统、无线电测控分系统、姿态和轨道控制分系统和数据管理分系统等。卫星的专用系统又常被称为卫星的有效载荷，也就是说，它是卫星专门用于完成特定任务的专有部分。不同用途的卫星携带有不同的有效载荷。例如，资源卫星的有效载荷就是各种遥感器，它包括多光谱相机、多光谱扫描仪、可见光照相机、红外相机、微波扫描仪、微波辐射计以及合成孔径雷达等；气象卫星的有效载荷包括红外分光计、扫描辐射计、大气温度探测器和垂直大气探测器等；通信卫星的有效载荷主要是通信转发器和通信天线；天文卫星的有效载荷就是各种类型的天文望远镜，包括可见光天文望远镜、红外天文望远镜和紫外天文望远镜等。返回分系统是返回式卫星特有的部分，其任务是将卫星准确推离运行轨道转入返回轨道，再入大气层并安全返回地面。

人造卫星组成 – 结构分系统

结构分系统用于支撑、传递和承受载荷以及固定卫星上各种仪器设备，并能保持卫星的完整性以及完成各种规定的动作功能，主要包括卫星本体的架构、板面（多半为蜂巢板）、各种形式的支撑体以及释放和展开体（太阳能电板、天线）等机构。

人造卫星组成 – 热控制分系统

热控制分系统用于控制卫星内外热量的交换过程，使其平衡星体内的温度并处于要求范围内，卫星的热控制分为被动热控制和主动热控制两类，例如电热调节器、散热板、电热片、导热管等。

人造卫星组成 – 电源分系统

电源分系统用于产生电能、储存电能和变换电能，长期运行的卫星一般采用蓄电池和太阳能电池联合供电系统，短期运行的卫星多采用蓄电池供电系统。

人造卫星组成 – 姿态和轨道控制分系统

姿态与轨道控制分系统是姿态控制分系统和轨道控制分系统的总称，用于控制卫星姿态和卫星轨道，例如地平线感测仪、星光感测仪、陀螺仪、制动轮等。

人造卫星组成 – 测控分系统

测控分系统包括遥控、遥测和跟踪测轨三个部分。遥控用于接收地面测控站发出的遥控指令，进行分析处理并加以执行，实现地面测控站对卫星的控制；遥测用于采集卫星上各类工作参数，实时或者延时传送给地面测控站，实现地面测控站对卫星工作的监视；跟踪测轨部分则用于协同地面测控站，测定卫星实际运行的轨道参数，以保证卫星的轨道正确。

人造卫星组成 – 数据管理分系统

数据管理分系统用于储存各种程序、数据以及协调管理卫星各分系统正常工作。

人造卫星结构 – 基频

基频是指研究对象的固有频率。卫星结构基频就是卫星结构本身最小的那个固有频率。卫星结构基频是一个非常重要的数据，该数据关系到卫星是不是易于遭受某种频率外载荷的共振破坏。当卫星所受激励的频率与该系统的基频相接近时，卫星振幅显著增大，对卫星会造成极大的破坏。因此，在卫星设计时，应尽量避免卫星所受的激励频率与其基频接近。

人造卫星结构 – 质量特性

卫星的质量是卫星十分重要的一个参数。卫星的重量一般都是不同的，是根据卫星的功能设计来确定重量。卫星的重量越大，发射到预定轨道所需的运载火箭的运载能力就越大，所需的运载技术和成本就越大。因此，在满足规定的功能的基础上，一般卫星的重量越小越好，减重是卫星设计中的一项重要任务。

在进行卫星方案可行性论证和总体方案设计时，都要进行质量特性的设计和计算。根据航天任务的要求和采用的技术途径，确定卫星的总质量，然后将总质量进行分配，其中有一项就是有效载荷质量。在某种意义上说，一个卫星有效载荷的质量占卫星总质量的比例愈高，它的效益就愈高。目前，一般近地轨道卫星的有效载荷质量占卫星总质量的30%以上。提高有效载荷质量与卫星总质量的比，是卫星设计的主要努力方向之一。

国际上通常规定重量在1000Kg以下的人造卫星统称为“微小型卫星”，进一 步可细分为：“小卫星”(smallsat)重100～1000Kg；“微卫星” (microsat)重10～100Kg；“纳卫星” (nanosat)重1～10Kg；“皮卫星” (picosat)重0.1～1Kg；“飞卫星” (femtosat)重0.1Kg以下。

人造卫星结构 – 机械接口

卫星上的设备众多，设备之间需要进行多种能量或运动的传递，因此设备之间需要进行有效的连接。为了实现这种连接，卫星设备之间必须设计有效的机械接口以保证连接的可靠性和有效性。影响卫星内设备的机械接口设计的因素包括：星内设备的布局安装空间要求及散热面积要求，星外天线的安装位置、安装精度和视场要求，电磁兼容性要求．力学环境要求等。同时为了实现人造卫星的发射，还需考虑人造卫星与运载火箭之间的连接，即工程大系统接口。

人造卫星电源 – 供电原理

卫星电源分系统为人造卫星上所有仪器设备提供电源，它由发电装置、电能存储装置、电压变换装置、功率调节装置等部件组成。其基本功能是通过物理过程或化学过程，将太阳光能、核能或化学能转化为电能，并根据星内设备的需求对电能进行储存、变换和调节，然后向星内设备不间断供电。卫星的电源及其供电原理主要分为以下几种：

1）化学电池：主要有锌银电池组和锂/亚硫酸氯电池，主要通过化学反应来输出电能。其中锂/亚硫酸氯电池能量很高，达到450wh/kg以上，但由于采用金属锂作为负极，高倍率放电时的安全性问题比较突出；锌银电池组能量在200wh/kg以上，注入电液后需在6至12个月内使用。这两种电源在轨道寿命少于30天的卫星（例如返回时卫星）上使用。

2）核电源：核电源根据热源和热电转换器的不同，分为三种，分别是核反应堆热离子发电器、放射性同位素温差发电器和核反应堆温差发电器。

3）燃料电池：通常采用氢氧燃料电池作为卫星的燃料电池，该电池以氧气为氧化剂，以氢气为燃料，以Pt作为催化剂，在约80℃的条件下产生化学反应，从而释放出电能。

4）太阳能热动力系统：该系统采用热能转化为机械能再转化为电能的转化方式，是一种用热能储存系统代替化学能储存系统的方案。在光照期，卫星把一部分太阳热能储存在蓄热器的熔融盐中。当卫星进入地影时，储存的热能继续为涡轮发电机提供动力，从而生成电能。

人造卫星电源 – 太阳能电池

太阳能电池是一种光电半导体薄片，它可以利用太阳光直接发电。只要被满足一定照度条件的光照到，太阳能电池瞬间就可输出电压，并在有回路的情况下产生电流。太阳能电池发电的原理是光电效应或光化学效应。晶硅太阳能电池就是基于光电效应而工作的，是目前太阳能电池的主流，而基于光化学效应工作的太阳能电池目前处于萌芽阶段。

目前绝大多数卫星都采用基于光电效应原理工作的太阳能电池，可以工作几年甚至几十年。

经过多年的探索和研究，太阳能电池的技术和应用都得到了很大的提高，早期的太阳能电池片采用半导体硅材料，光电转换效率低，现在广泛采用砷化镓材料，光电转换效率大大提高，达到30%以上。早期的卫星应用中，太阳能电池一般被贴在卫星星体表面，面积较小，数量不多，所以发电功率不高。现在，中大型卫星多采用太阳翼，面积巨大，太阳能电池片的数量也大大增加，同时极大的提高了发电功率。

太阳翼只有朝向太阳时，才能获取电能，当太阳光垂直于太阳翼时，获取的电能最多。为了给卫星提供充足的电源，很多卫星都采用了一些先进的技术，一是通过太阳敏感器获取太阳的方位，二是增加驱动机构，根据太阳的方位，通过驱动机构转动太阳翼，使其尽可能垂直于太阳光入射的方向，以获取足够的能源。

人造卫星电源 – 化学电池

化学电池是将化学能和电能相互转换的装置。为了使通信卫星在星蚀期间也不会中断工作，一般常用可以充放电的化学电池作为二次电池与太阳能电池并用。即当卫星没发生星蚀时，太阳能电池为化学电池充电；而当卫星处于星蚀期间时，则由化学电池供电。化学电池应具有充电效率高、充电和放电性能好等特点。为了防止蓄电池因放电引起温度变化从而导致电压变化，蓄电池也需要采用温度控制和稳压器等设备。

化学电池分为多种。其中锌银电池负极为锌，正极为氧化银，主要作为主电源用于短期飞行的卫星，也可以作为应急电源或火工装置的辅助起爆电源。锂电池的负极为金属锂，正极为液体亚硫酸氯，其具有高放电倍率、长寿命、低维修费用、低重量、高能量比等优点，但是使用锂电池要十分注意安全。

人造卫星电源 – 电源调节与分配器

太阳能电池本身由于受到诸多因素的影响，包括太阳入射角的变化、太阳紫外辐射以及空间各种高能带电粒子的轰击等，其输出特性都会发生变化，包括电流和电压。同时，由于卫星负载功率经常变化，在轨道某个时间太阳能电池输出功率富余、输出电压很高是不可避免的。采用电源调节与分配器就是为了解决这一问题，一方面可以稳定电池的输出电压，另一方面可以把太阳能电池多余的功率变成热能辐射到太空中。

电源调节与分配器的种类很多，一般有顺序线性分流调节器：该分流器发热量大，但具有良好的电磁兼容特性和较少的纹波电压，适用于中等功率水平（2000W左右）的电源系统；还有顺序开关分流调节器：和顺序线性分流调节器相比，其调节级不会处于线性工作状态，而是处于开关工作状态，其优点是发热量少，可以安装在星内，实现一体化结构设计，便于热设计，缺点是纹波电压较大，电磁兼容性差。

人造卫星姿态确定

卫星姿态是指卫星星体在轨道上运行时所处的空间指向状态。直角坐标系的原点置于星体上，指向地面的Z轴反映偏航方向，Y轴反映俯仰方向，X轴反映滚动方向，通常采用三轴稳定、自旋稳定、重力梯度稳定等方式保持姿态的稳定。

姿态对于卫星是十分重要的，因为很多任务需要具备一定的姿态才能完成，例如，通信卫星的天线要对准地球上的服务区，遥感卫星的遥感器要对准地面，太阳电池帆板要对准太阳，返回式卫星再入大气层时其制动防热面要对准迎面的气流方向。

要完成以上任务，就必须对卫星的姿态进行控制，而控制姿态的前提是确定姿态，如何确定卫星的姿态呢？主要是利用星上的各种姿态敏感器得到姿态信息，然后经过计算处理，从而获得卫星本体的坐标系相对于空间参考坐标系的姿态。如果参考坐标系是当地轨道坐标系，则称为对地姿态；如果参考坐标系是某个惯性空间中定向的坐标系，则称为惯性姿态。对地观测卫星、通信广播卫星等都要求对地定向，因此采用对地姿态，天文卫星一般要求对日或某颗恒星定向，那么采用惯性姿态比较方便。

姿态确定系统由姿态敏感器和姿态确定算法组成，而姿态敏感器的精度和姿态确定算法的精度也就决定了姿态确定系统的精度。

姿态敏感器主要包括以下几类：

1）利用天体位置的敏感器，例如太阳敏感器和星敏感器；

2）利用地球物理特性的敏感器，例如磁强计、陆标跟踪器、红外地平仪、地球反照敏感器等；

3）利用无线电信标的射频敏感器；

4）利用惯性信标的敏感器，例如陀螺仪和角加速度计。

人造卫星姿态控制

与姿态确定系统类似，姿态控制系统也是由硬件部分和算法部分组成的，硬件部分主要是指执行机构，算法部分主要是指控制规律设计问题。相应的，姿态控制系统的精度也取决于执行机构的精度和控制规律的精度。

姿态控制系统根据执行任务的不同，可以分成姿态稳定和姿态机动两个方面。姿态稳定是指使卫星姿态保持在给定的方位上，例如对日定向，对地定向等。姿态机动则是指不同姿态之间过渡的再定向过程。

根据控制方法的不同，姿态控制系统可以分为被动姿态控制和主动姿态控制两类。被动姿态控制是利用诸如地磁场、重力梯度、自旋或气动力矩等自然环境力矩或物理力矩源以及他们之间的组合来控制卫星姿态的方法。这种方法不需要电源，不需要姿态敏感器，不需要控制逻辑线路，控制精度中等，一般适用于试验性小卫星。主动姿态控制是利用卫星上飞轮装置、喷气装置以及地磁力矩装置等执行机构来控制卫星姿态方法。这种方法需要电源，需要姿态敏感器，需要逻辑控制线路，控制精度高，主要用于有效载荷需要精确指向的卫星，目前绝大多数的应用卫星和科学探测卫星都采用这种姿态控制方法。

人造卫星轨道控制

轨道控制的作用

地球周围存在的大气层，一直延伸到两、三千公里的高度上。假如把海平面上的空气密度作为1，那么在240公里的高空，大气密度还有它的一千万分之一；到了1600公里的高空也有它的一千万亿分之一。所以卫星所在的三、四百公里高度上，仍然存在极其稀薄的大气，科学上被称为高层大气。即使是这样的稀薄空气，它同样会对飞行中的卫星产生阻力作用，其阻力与卫星的运动速度方向相反，它使卫星动能减少，卫星飞行的高度下降，发生轨道衰变，轨道高度不断降低，最终会坠入大气层被烧毁，没有烧尽的碎片会坠落地面，如果凑巧，就可能造成人类生命财产的安全威胁。为了维持卫星的正常轨道，必须定期或不定期的进行轨道调整，使它回到正常运行的轨道上去。所以人造卫星在设计时，就要根据卫星完成航天任务的时间，来确定它的飞行寿命，参考对飞船轨道空间的大气阻尼预报来设计卫星自身需要携带多少助推燃料，以便在空间飞行期间，进行轨道调整，抵消轨道的衰变。

轨道的确定和预报

卫星在广袤的太空中高速飞行，地面如何知道卫星现在在哪里，将来又飞向何处呢？这就要谈到测控网的一项重要职能，即卫星轨道的确定和预报。

卫星的轨道确定就是估算卫星沿着什么轨道飞行，即估算卫星的6个轨道参数。轨道估算出来后，就可以知道卫星现在的位置和速度。通过轨道预报，还可以知道卫星将来任一时刻的位置和速度。当然，实际问题中由于影响卫星运行轨道的因素很多，要想准确预报卫星轨道，不仅需要估算卫星的轨道参数，还需要估算很多影响轨道的其他参数。

那么，地面是如何估算卫星轨道的呢？首先通过地面测控站测量卫星相对于地面测控站的距离、距离变化率和角度等测量信息。仅有这些测量信息我们还无法直接得到卫星的轨道，但我们可以对卫星的受力进行较为准确的建模，如建立高阶的地球引力场模型、大气模型、太阳光压模型和第三体引力模型等。据此，给定一个卫星的初始状态后，就可以较为准确地计算相应的卫星轨道，当卫星轨道对应的理论量与实际观测量出现偏差时，根据这个偏差修正卫星的初始状态，直到偏差足够小为止，这就是轨道确定的过程。完成轨道确定后，根据卫星动力学模型进一步计算未来时刻卫星的位置和速度，就是轨道预报。

卫星轨道确定的精度

卫星轨道确定和预报是对卫星现在和未来的位置、速度的估算，既然是估算，就有一个精度问题，这个精度称作卫星的定轨预报精度。

定轨预报过程中涉及很多因素，各因素都将对定轨预报精度产生影响。总体而言，定轨预报精度主要与观测时长、观测数据的精度及力学模型的准确度有关。

什么样的观测数据比较好呢？当然是观测数据越多越好，观测精度越高越好。不过，这些特性又与投入和代价紧密相关。比如观测时长的问题，如前所述，对于300多千米高的卫星轨道，要想增加对卫星的观测时长，就需要增设测控站（船）。而建立测控站需要高额费用，布设测量船代价更昂贵。对于测量精度问题，在卫星与地面之间往返的电波信号要受大气层的影响，直接影响测量精度。测控站本身的定位精度，测量设备的测量精度，当地的温度、湿度和压强等因素也会对测量精度产生影响。另外，时频统一精度、站址的大地测量精度也是影响测量精度的重要因素。

什么样的力学模型比较好呢？当然是力学模型准确度越高越好，但要建立准确的力学模型也不是一件容易的事。经过科学家多年的探索，地球引力模型已经达到了很高的精度，而对于大气，由于其本身复杂多变和高度的不确定性，且受太阳和地磁活动的随机变化影响，很难建立准确的模型。

人类至今已先后将各种卫星、飞船、航天飞机和空间站等6000多个航天器送入太空。越来越拥挤的太空之所以没有变得杂乱无序，是因为有一张神奇的网始终引导着这些航天器按照自己的轨道飞行，即使偶尔偏离轨道也能很快“迷途知返”。它能够时刻知道这些航天器是否工作正常，也了解航天器在执行哪些使命。一旦航天器发生了故障，能得到及时抢救和精心照料。即使意外失控陨落，人们也能及早发现，以防止或尽量减轻其对地面生命财产的损害。这张神奇的网就是庞大的航天测控网。

人造卫星有效载荷定义

有效载荷是指人造卫星上装载的直接实现卫星在轨运行要完成的特定任务的仪器、设备、人员、试验生物及试件等。卫星有效载荷是卫星在轨发挥最终航天使命的最重要的一个分系统。

人造卫星有效载荷分类

卫星的有效载荷随着任务的不同而不同，故其种类繁多，有多种不同的分类。按照卫星及有效载荷的用途，大致可分为遥感类（或称为信息获取类）、通信类（或称为信息传输类）、导航类（或称为信息基准类）、科学类、对抗类及其他。

卫星上一般都会搭载很多仪器设备，每种仪器设备都有各自的用途，其中，那些直接用于执行特定卫星任务的仪器设备或者分系统就被称为有效载荷。有效载荷不仅种类很多，其性能差别也很大，描述有效载荷性能差别的物理量被称为有效荷载能力，也就是指这些执行特定任务的仪器、设备或者分系统的性能和探测能力。

遥感类卫星有效载荷是指对地观测的各种遥感器，包括可见光遥感器（利用胶片和光电）、多光谱扫描仪、红外遥感器、微波辐射计（无源）、雷达或散射计等。这些遥感器可以获得地面（水面）或大气、空间等的各种军用或民用信息。

通信类卫星有效载荷是一种典型的有效载荷，主要由转发器和天线组成。这类有效载荷可用于军用或民用卫星通信，也可用于遥感类航天器的信息对地传输，在商业和军事航天活动中占有统治地位。

导航类卫星有效载荷是指提供空间基准和时间基准信息的各种仪器和设备。这类有效载荷可用于卫星导航。

科学类卫星有效载荷包括太阳光学望远镜、X射线望远镜分光仪、X射线分光计、离子质谱仪以及各种空间环境测量和监测装置等。这类有效载荷可用于天文观测、空间环境探测和空间科学试验等。

对抗类卫星有效载荷包括激光、微波、粒子束、动能、电子干扰、机器人抓捕或吸附、计算机病毒、污染等工具或设备。这类有效载荷可用于空间攻防对抗。

其他有效载荷主要包括新技术试验有效载荷和特殊有效载荷两类。新技术试验有效载荷是指一些未得到在轨考验的新的航天器、分系统和仪器设备乃至元器件等技术，通过专门的新技术试验卫星发射到某种轨道上进行试验，以验证其原理、方案、可行性、兼容性和可靠性等。特殊有效载荷是指非技术性的有效载荷，例如，太空旅游（有效载荷是旅游者）、太空纪念品（有效载荷是信封、旗帜等）。

一颗卫星上可以搭载一种有效载荷，也可以搭载多种有效载荷，这主要由卫星的用途决定。把多种有效载荷安装在一颗卫星上，用于完成不同的任务，是提高效费比的一种发展趋势。有效载荷的另一个发展趋势则是向低功耗、小质量和小体积方向发展。

人造卫星有效载荷作用

有效载荷在卫星设计中占据主导地位，是人造卫星的核心。

1）从应用功能看

从应用功能层面来看，有效载荷之所以是人造卫星的核心，是因为有效载荷决定了人造卫星的性质和功能。卫星在太空中完成任务、实现功能主要是靠有效载荷来完成的，卫星平台的其他分系统，例如电源系统、热控系统、姿态控制系统等，全都是为有效载荷提供服务和支持的，用来帮助有效载荷完成卫星任务。对于通信广播卫星来说，它的有效载荷就是转发器和天线；对于气象卫星来说，它的有效载荷就是各种辐射计和合成孔径雷达；对于地球资源卫星，它的有效载荷就是CCD相机和红外相机等；对于海洋卫星，它的有效载荷就是海洋水色仪、雷达高度计和成像光谱仪等设备。

2）从研制难易看

卫星平台功能单一，需求稳定，经过几十年的发展，现在已经比较成熟了。而有效载荷却因其航天任务的多样性，致使种类繁多，仪器复杂，现已成为人造卫星研制中的瓶颈所在。要满足新的任务要求，就要研制新的仪器设备，而每种新设备的开发，都要从需求入手，经过方案论证、可行性研究、技术攻关、测试调试、试样生产等各个环节，到最后发射上天，需要经过很长的周期，短则几年，长则几十年，难度很大。

3）从研制经费看

通常，人造卫星的有效载荷与平台研制经费比例约为3:1，有效载荷占有明显的优势。这也从一方面说明了有效载荷在整星研制中的份量和重要性。

因此，要使有效载荷能够在轨正常发挥航天使命，就必须要求航天器各个保障分系统在轨全寿命周期内都要正常工作，向有效载荷提供必要的支持和保障，否则再好的有效载荷也不能发挥最终的作用。这就要求航天器的电源分系统向有效载荷提供足够的电源；热控分系统要保证有效载荷有合适的工作温度；结构分系统要保证有效载荷有足够的强度和刚度；控制分系统要向有效载荷提供轨道保持和高精度的指向；测控、数据管理分系统要向有效载荷提供足够的遥测参数和遥控指令等。这里要补充一点说明，上述各保障分系统不仅要为有效载荷提供必要的支持和保障，而且要为各保障分系统之间相互提供必要的支持和保障。所以，在系统设计时，组成卫星平台的各分系统既要以有效载荷的需要作为它们最基本的设计要求，同时有效载荷对平台各分系统提出的设计要求，也应符合卫星功能实现和整体优化的原则，通常是在卫星系统总设计师主持下，经有效载荷和平台各分系统充分协商后确定的。

人造卫星管理 – 星务处理单元

卫星事务处理单元是人造卫星实现自主运行管理的综合自动化系统。它主要是由星上电子计算机系统来实现的，通过计算机组成星上局域网，对星上各种事务综合判断后进行处理。卫星事务处理利用计算机硬件和软件技术对星上各类数据进行有效的采集、存储、处理和应用，充分发挥数据的作用，实现星上设备的综合集成，从而使卫星可靠的运转。

人造卫星管理 – 星务处理单元

卫星事务处理单元是人造卫星实现自主运行管理的综合自动化系统。它主要是由星上电子计算机系统来实现的，通过计算机组成星上局域网，对星上各种事务综合判断后进行处理。卫星事务处理利用计算机硬件和软件技术对星上各类数据进行有效的采集、存储、处理和应用，充分发挥数据的作用，实现星上设备的综合集成，从而使卫星可靠的运转。

人造卫星管理 – 遥测和遥控单元

遥测从字面理解就是实现“遥远的测量”，是将测量对象的近距离测量值传送至远距离的测量站来实现远距离测量的技术。遥控从字面理解就是实现“遥远的控制”，通过通信媒体对远距离被控对象进行控制的技术。

由于卫星运行在几百公里、上千公里的太空，而对卫星的应用基本在地球表面，为了实时监视卫星及其内部主要设备的工作状态和性能，就必须利用遥测技术；而为了根据实际需要对卫星实施有效控制，就必须利用遥控技术。卫星的遥控遥测都是通过无线电波作为载体来实现的，通过星上和地面测控站的天线实现无线电波的收发。

卫星遥测站通常采用高增益的大型自动跟踪天线，这是因为卫星距离遥测站一般都非常遥远，至少几百公里，更远的达到几千公里甚至几亿公里，而卫星上面由于条件的限制，不可能安装高增益的天线，发送的信号相对而言比较微弱，同时，卫星是运动的。卫星的遥测参数不仅路数非常多，而且有些参数变化频率极高，因此遥测的信息量很大，通常需要多套遥测设备并行工作才能完成数据的记录和处理。有时需要在卫星上用磁记录器记录数据，待卫星返回后回收磁带，获取遥测数据。

人造卫星工程系统 – 定义

人造卫星能够成功执行预定任务，单靠卫星本身是不行的，在它背后，还有一套完整的卫星工程系统：

1）发射场系统

2）运载火箭系统

3）测控系统

4）地面应用系统

5）卫星系统

6）回收区系统（限于返回式卫星）

人造卫星工程系统 – 发射场系统

发射场系统的主要任务是负责火箭、卫星、有效载荷等在发射场的测试和发射，并提供相应的保障条件。

发射场系统是发射航天器的特定区域，通常由测试区、综合测量设施、发射区、发射指挥控制中心、勤务保障设施以及一些管理服务部门组成。测试区有整套试验设施和设备，用以装配、贮存和检测火箭以及航天器；发射区用来发射航天器；发射指挥中心以及各勤务保障单位则对整个发射过程进行指挥控制，测量飞行轨道，接收和处理遥测信息等。航天器发射场通常建在地势平坦、视野开阔、人烟稀少、气候和气象条件适宜的地方，并且需要考虑火箭发射方向上的主动航段内没有大城市及重要工程等。

比较著名的航天发射场包括美国的肯尼迪航天中心、西部航天和导弹试验中心；俄罗斯的拜科努尔发射基地、普列谢茨克基地；我国目前有四个航天发射场，分别是酒泉卫星发射中心、太原卫星发射中心、西昌卫星发射中心和海南文昌卫星发射中心。

人造卫星工程系统 – 运载火箭系统

运载火箭指的是将人们造的各种航天器推向太空的运输工具，它一般为2—4级， 用于把人造地球卫星、载人飞船、航天站或行星际探测器等送入预定轨道。它的每一级都由箭体结构、推进系统和飞行控制系统组成，末段连接级还有仪器舱，里面装有制导系统、控制系统、遥测系统和发射场安全系统等，仪器舱的上面是有效载荷，外面套有整流罩。火箭的级与级之间靠级间段进行连接的。

运载火箭为了把航天器推向太空，需要很高的速度。物体要绕地球飞行作圆周运动，其速度需要达到第一宇宙速度，也就是7.9千米/秒。而物体要脱离地球引力束缚所需的最小速度，则需要达到第二宇宙速度，即11.2千米/秒。由于空气阻力的影响，从地面起飞的火箭，速度必须达到9.5千米/秒以上，其飞行速度则根据轨道的不同而不同。一般情况下，对于500千米的太阳同步轨道，火箭入轨时的速度为7.6千米/秒；对于地球同步转移轨道，火箭入轨时的速度为10.1千米/秒；对于地月转移轨道，火箭入轨时的速度是10.8千米/秒。

人造卫星工程系统 – 测控系统

测控系统是对运行中的人造卫星进行跟踪、测量和控制的大型电子系统。航天测控系统包括以下各种系统，前3个系统，由地面的和装在卫星上的两部分电子设备组成。

1）跟踪测量系统：跟踪卫星，测定其弹道或轨道。

2）遥测系统：测量和传送卫星内部的工程参数和用敏感器测得的空间物理参数。

3）遥控系统：通过无线电对卫星的姿态、轨道和其他状态进行控制。

4）计算系统：用于弹道、轨道和姿态的确定和实时控制中的计算。

5）时间统一系统：为整个测控系统提供标准时刻和时标。

6）显示记录系统：显示卫星遥测、弹道、轨道和其他参数及其变化情况，必要时予以打印记录。

7）通信、数据传输系统：作为各种电子设备和通信网络的中间设备，沟通各个系统之间的信息，以实现指挥调度。

卫星导航系统 – GPS

GPS导航系统是以24颗人造卫星为基础，采用时间测距定位原理，向全球各地全天候地提供实时的高精度三维定位测速和精确授时的一种无线电导航定位系统。它由三部分构成，一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成。二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面。三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星接收天线组成。民用的定位精度可达10米内。

美国“全球定位系统”（GPS），是目前世界上技术最成熟、应用最广泛的导航定位系统。GPS空间部分目前共有4种型号、30颗的导航卫星。1994年3月，由24颗卫星组成的导航“星座”部署完毕，标志着GPS正式建成。

GPS的前身是美国军方研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit)，它于1958年开始进行研制，研制成功后于1964年正式投入使用。该系统利用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，尽管如此，该系统却并不完善，它无法提供高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。

子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，在子午仪卫星定位系统研究的基础上，美国海军和空军分别采取了改进，具体改进情况如下所示：

美国海军研究实验室(NRL)提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于1967年、1969年和1974年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是GPS精确定位的基础。

美国空军提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道，该计划以伪随机码(PRN)为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS得以取得成功的一个重要基础。

海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，

所以1973年美国国防部将二者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局(JPO)领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处，并进行进一步的研发。

最初的GPS计划在美国联合计划局的领导下诞生了，该方案将24颗卫星放置在互成120度的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6至9颗卫星。这样，粗码精度可达100m，精码精度为10m。由于预算压缩，GPS计划不得不减少卫星发射数量，改为将18颗卫星分布在互成60度的6个轨道上，然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988年又进行了最后一次修改：21颗工作星和3颗备用星工作在互成60度的6条轨道上。这也是GPS卫星所使用的工作方式。

卫星导航系统 – GALILEO

伽利略系统是一个欧洲的全球导航服务计划。它是世界上第一个专门为民用目的设计的全球性卫星导航定位系统。该系统由30颗卫星组成，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补卫星。卫星高度为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外，还有2个地面控制中心。

伽利略卫星导航系统与现在普遍使用的GPS相比，它将更显先进、更加有效、更为可靠。它的总体思路具有四大特点：

自成独立体系；

能与其它的GNSS系统兼容互动

具备先进性和竞争能力；

公开进行国际合作

“伽利略”系统是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统，于2008年开始投入运行。它的优点和好处可以总结为以下几方面：

精度提高。由于全球的用户将使用多制式的接收机，可以获得更多的导航定位卫星的信号，将无形中极大地提高导航定位的精度

信息反馈。伽利略系统可以发送实时的高精度定位信息，能够保证在许多特殊情况下提供服务，如果失败也能在几秒钟内通知客户。

促进竞争。由于全球将出现多套全球导航定位系统，从市场的发展来看，将会出现GPS系统与“伽利略”系统竞争的局面，竞争会使用户得到更稳定的信号、更优质的服务。

丰富全球卫星导航定位系统。世界上多套全球导航定位系统并存，相互之间的制约和互补将是各国大力发展全球导航定位产业的根本保证。

卫星导航系统 – 北斗（BDS）

中国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)和欧洲的伽利略（Galileo）卫星导航系统之后第四个成熟的卫星导航系统。

北斗卫星导航系统的建设与发展，以应用推广和产业发展为根本目标，不仅要建成系统，更要用好系统，强调质量、安全、应用、效益。

建设目标：独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠并覆盖全球

组成部分：北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。

其中空间段计划由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球轨道卫星运行在3个轨道面上，轨道面之间为相隔120°均匀分布。

具备能力：可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力。

已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。

遵循原则：开放性原则。北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务，积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航技术与产业的发展。

自主性原则。中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务

遥感卫星 – 遥感工作原理

遥感卫星是用作外层空间遥感平台的卫星。这种卫星是利用遥感器从空中来探测地面物体性质的，它根据不同物体对波谱产生不同响应的原理，在外层空间利用遥感器收集来自地面或大气目标辐射或反射的电磁波信息，记录、储存并传送回地面接收站进行加工和处理，以此判读地球环境、资源和景物等信息。遥感卫星一般分为气象遥感卫星、陆地遥感卫星、海洋遥感卫星、资源遥感卫星等。这些卫星可以对天气、陆地、海洋进行不间断观测。

在遥感卫星应用领域中，对地监视与观测是遥感卫星的主要任务。1972年，美国发射了世界上第一颗对地观测卫星，开启了遥感卫星发展的序幕。上世纪80年代开始，遥感卫星商业化开始起步。目前，以美国、俄罗斯、法国为代表的西方航天大国通过积极的政策导向和资金扶持，迅速开展了高性能遥感卫星的研制和商业化运营，形成了政府监督管理引导、企业自主运营的良性循环商业模式。

遥感卫星 – 地球资源卫星

地球资源卫星（earth resources satellite）简称资源卫星，是指勘探和研究地球自然资源和环境的人造地球卫星。卫星所载的多光谱遥感设备获取地物目标辐射和反射的多种波段的电磁波信息，并将其发回地面接收站。地面接收站根据各种资源的波谱特征，对接收的信息进行处理和判读，得到各类资源的特征、分布和状态资料。

自身特点：全天候、全天时、高精度观测。能迅速、全面、经济地提供有关地球资源的情况。

所配设备：随着遥感技术的发展，地球资源卫星多配备有合成孔径雷达（是一种高分辨率成像雷达，可以在能见度极低的气象条件下得到类似光学照相的高分辨雷达图像）和光学遥感器。

应用领域：土地利用、土壤水分监测、农作物生长、森林资源调查、地质勘探、海洋观测、油气资源勘查、灾害监测和全球环境监测等。

地球资源卫星利用所载多光谱遥感设备获取地物目标辐射和反射的多种谱段的电磁波信息。信息转换成电信号后，通过数据传输系统发送到地面站。卫星在地面站接收范围以外时有两种办法：一是电信号存入星上数据存贮器、在卫星飞经地面站时发送；二是由数据传输系统将无线电信息发送给中继卫星，再由中继卫星将信息送回地面站。遥感数据处理中心根据事先掌握的不同地物目标的波谱特性，对地面接收站所收到的数据进行处理和判读。

美国1972年7月发射了陆地卫星1号，为地球资源卫星的早期应用试验卫星。80年代美国又发射了陆地卫星4号、5号，法国1986年2月发射SPOT1号，均采用可见光多光谱遥感器。1991年 7月欧洲空间局发射了ERS-1地球资源卫星，1992年2月日本发射了JERS-1地球资源卫星均载有合成孔径雷达和光学遥感器。

截至目前，美国、前苏联/俄罗斯、法国、欧洲航天局、加拿大、印度和中国等相继发射了地球资源卫星。

遥感卫星 – 气象卫星

气象卫星（meteorological satellite）是从太空对地球及其大气层进行气象观测的人造地球卫星。卫星所载各种气象遥感器，接收和测量地球及其大气层的可见光、红外和微波辐射，并将其转换成电信号传送给地面站。地面站将卫星传来的电信号复原，绘制成各种云层、地表和海面图片，再经进一步处理和计算，得出各种气象资料。气象卫星观测范围广，观测次数多，观测时效快，观测数据质量高，不受自然条件和地域条件限制，它所提供的气象信息已广泛应用于日常气象业务、环境监测、防灾减灾、大气科学、海洋学和水文学的研究。气象卫星也是世界上应用最广的卫星之一。

由于轨道的不同，气象卫星可分为两大类，即：太阳同步极地轨道气象卫星和地球同步气象卫星。前者由于卫星是逆地球自转方向与太阳同步，称太阳同步轨道气象卫星；后者是与地球保持同步运行，相对地球是不动的，称作静止轨道气象卫星，又称地球同步轨道气象卫星。

极轨气象卫星：飞行高度约为600～1500千米，卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的交角，这样的卫星每天在固定时间内经过同一地区2次，因而每隔12小时就可获得一份全球的气象资料。

同步气象卫星：运行高度约35800千米，其轨道平面与地球的赤道平面相重合。从地球上看，卫星静止在赤道某个经度的上空。一颗同步卫星的观测范围为100个经度跨距，从南纬50°到北纬50°，100个纬度跨距，因而5颗这样的卫星就可形成覆盖全球中、低纬度地区的观测网。我国研制的风云系列卫星就是专门为观测气象变化研制的，这种卫星为我国气象观测提供了坚实的支撑作用。

遥感卫星 – 海洋卫星

海洋卫星是用于海洋水色、海面温度、海冰、海流、海平面高度等的观测，为海洋和海洋生物资源开发利用、海洋环境监测、海洋科学研究等领域服务而设计发射的一种人造地球卫星。

利用海洋卫星可以经济、方便地对大面积海域实现实时、同步、连续的监测，它已被公认为是海洋环境监测的重要手段。海洋卫星与陆地卫星和气象卫星相比，具有以下特点：

1）海洋环境要素探测要求大面积、连续、同步或准同步探测。

2）海洋卫星可见光传感器要求波段多而窄，灵敏度和信噪比高（高出陆地卫星一个数量级）。

3）为与海洋环境要素变化周期相匹配，海洋卫星的地面覆盖周期要求2~3天，空间分辨率为250~1000m。

4）由于水体的辐射强度微弱，而要使辐射强度均匀，具有可对比性，则要求水色卫星的降交点地方时（发射窗口）选择在正午前后。

5）某些海洋要素的测量，例如海面粗糙的测量、海面风场的测量，除海洋卫星探测技术外，尚无其他办法。

遥感卫星 – 军事侦察卫星

军事侦察卫星是用于搜集和截获军事情报的人造地球卫星。侦察卫星利用所载的光电遥感器、雷达或无线电接收机等侦察设备，从轨道上对目标实施侦察、监视或跟踪，以获取地面、海洋或空中目标辐射、反射或发射的电磁波信息，用胶片、磁带等记录器存储于返回舱内，在地面回收或通过无线电传输方式发送到地面接收站，经过光学、电子设备和计算机加工处理，从中提取有价值的军事情报。卫星侦察的优点，是侦察范围广，速度快，可不受国界限制定期或连续地监视某个地区，对于增强国家的军事实力和综合国力具有重要意义。

军事卫星按照所执行的任务和所采用的侦察手段来加以区别，一般分为照相侦察卫星，电子侦察卫星，还有海洋监视卫星和预警卫星。早期侦察卫星最主要的侦查手段是利用可见光波段的照相机。随着科技的进步和情报种类的多样化，现在的侦察卫星使用的搜集手段可以大致上区分为主动与被动两大类。

主动手段就是由卫星发出讯号，借由接收反射回来的讯号分析其中代表的意义。譬如说利用雷达波对地面进行扫描以获得地形、地物或者是大型人工建筑等的影像。被动手段是利用被侦查的物体发射出来的某种讯号，加以搜集并且分析。这种侦查方式是最为常见的一种，包括使用可见光或者是红外线进行照相或者是连续影像录制，截收使用各类无线电波段的讯号，像是各种雷达与通讯设施等等。

哈勃望远镜

简要介绍

哈勃空间望远镜（英语：Hubble Space Telescope，缩写：HST）是以著名天文学家、美国芝加哥大学天文学博士爱德温·哈勃的名字命名，在地球轨道上围绕地球运行的太空空间望远镜，由NASA和ESA合作共同管理。

它于1990年4月24日在美国肯尼迪航天中心由“发现者”号航天飞机成功发射。

哈勃望远镜从“发现者”号航天飞机发射

哈勃空间望远镜属于光学望远镜，它的位置在地球的大气层之上，因此影像不会受到大气湍流的扰动，视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线，是天文史上最重要的仪器之一。

哈勃空间望远镜成功弥补了地面观测的不足，帮助天文学家解决了许多天文学上的基本问题，使得人类对天文物理有更多的认识。此外，哈勃的超深空视场则是天文学家目前能获得的最深入、也是最敏锐的太空光学影像。

哈勃望远镜保持着人类宇宙观测的距离记录，2016年3月4日，哈勃望远镜成功捕捉到距离地球达134亿光年的GN-z11星系发出的微光。这个名为GN－z11的星系是一个异常明亮的“婴儿星系”，位于大熊星座方向。换句话说，人们现在观测到的是它在宇宙大爆炸后4亿年时的样子。

GN-z11

哈勃望远镜的设计寿命是15年，但在不断的维护和修复后延长使用至今 ，在2009年执行的最近的一次维修任务后，哈勃太空望远镜的状态比预期的更好。2016年，NASA官网发布了新的声明，称哈勃太空望远镜将继续运营至2021年6月30日。

详细介绍

1）研制背景

哈勃空间望远镜的历史可以追溯至1946年天文学家莱曼·斯必泽（Lyman Spitzer, Jr.）所提出的论文：《在地球之外的天文观测优势》。在文中，他指出在太空中的天文台有两项优于地面天文台的性能。首先，角分辨率（物体能被清楚分辨的最小分离角度）的极限将只受限于衍射，而不是由造成星光闪烁、动荡不安的大气所造成的视象度。在当时，以地面为基地的望远镜解析力只有0.5-1.0弧秒，相较下，在天空中，只要口径2.5米的望远镜就能达到理论上衍射的极限值0.1弧秒。其次，在太空中的望远镜可以观测被大气层吸收殆尽的红外线和紫外线。

斯必泽以空间望远镜为事业，致力于空间望远镜的推广。1962年，英国发射了太阳望远镜到地球轨道上，做为亚利安太空计划的一部分，与此同时，美国国家科学院在一份报告中推荐空间望远镜作为发展太空计划的一部分。在1965年，斯必泽被任命为一个科学委员会的主任委员，该委员会的目的就是建造一架空间望远镜。1966年NASA进行了第一个轨道天文台（OAO）任务，但第一个OAO的电池在三天后就失效，中止了这项任务。第二个OAO在1968至1972年对恒星和星系进行了紫外线的观测，比原先的计划多工作了一年的时间。

轨道天文台任务展示了以太空为基地的天文台在天文学上扮演的重要角色，因此在1968年NASA确定了在太空中建造直径3米反射望远镜的计划，当时的名称是大型轨道望远镜或大型空间望远镜（LST），预计在1979年发射。这个计划强调须要有人进入太空进行维护，才能确保这个所费不赀的计划能够延续足够长的工作时间；并且同步发展可以重复使用的航天飞机技术，才能使前项计划成为可行的计划。

轨道天文台计划的成功，鼓舞了越来越强的公众舆论支持，大型空间望远镜应该是天文学领域内重要的目标。在1970年NASA设立了两个委员会，一个规划空间望远镜的工程，另一个研究空间望远镜任务的科学目标。在这之后，NASA下一个需要排除的障碍就是资金的问题，因为这比任何一个地面上的天文台所耗费的资金都要庞大许多倍。美国的国会对空间望远镜的预算需求提出了许多的质疑，为了与裁军所需要的预算对抗，当时就详细的列出了望远镜的硬件需求以及后续发展所需要的仪器。在1974年，在裁减政府开支的鼓动下，杰拉尔德·福特剔除了所有进行空间望远镜的预算。

为回应此情况，天文学家协调了全国性的游说努力。许多天文学家亲自前往拜会众议员和参议员，并且进行了大规模的信件和文字宣传。国家科学院出版的报告也强调空间望远镜的重要性，最后参议院决议恢复了原先被国会删除的一半预算。

资金的缩减导致目标项目的减少，镜片的口径也由3米缩为2.4米，原先计划做为先期测试，放置在卫星上的1.5米空间望远镜也被取消了。对预算表示关切的欧洲航天局则成为共同合作的伙伴，欧洲航天局同意提供经费和一些望远镜上需要的仪器，像是做为动力来源的太阳能电池，回馈则是欧洲的天文学家可以使用不少于15%的望远镜观测时间。在1978年，美国国会拨付了36,000,000元美金，让大型空间望远镜开始设计，并计划在1983年发射升空，空间望远镜计划正式启动。在1980年初，望远镜被命为哈勃，以纪念在20世纪初期发现宇宙膨胀的天文学家艾德温·哈勃。

2）设计原理

大气层中的大气湍流与散射，以及会吸收紫外线的臭氧层，这些因素都限定了地面上望远镜做进一步的观测。太空望远镜的出现使天文学家成功地摆脱地面条件的限制，并获得更加清晰与更广泛波段的观测图像。

空间望远镜的概念最早出现上个世纪40年代，但一直到上个世纪90年代，哈勃空间望远镜才正式发射升空，并观测迄今。

哈勃空间望远镜属于美国航空航天局(NASA)与欧洲航天局(ESA)的合作项目，其主要目标是建立一个能长期在太空中进行观测的轨道天文台。它的名字来源于美国著名天文学家埃德温·哈勃。

1990年4月25日，由美国航天飞机送上太空轨道的 “哈勃”望远镜长13.3米，直径4.3米，重11.6吨，造价近30亿美元。它以2.8万公里的时速沿太空轨道运行，清晰度是地面天文望远镜的10倍以上。同时，由于没有大气湍流的干扰，它所获得的图像和光谱具有极高的稳定性和可重复性。

哈勃空间望远镜得到的数据首先被储存在航天器中。在哈勃空间望远镜最开始发射时，储存数据设施是老式的卷带式录音机。但这些设备在之后的维修任务中得到了替换。每天哈勃空间望远镜大约分两次将数据传送至地球同步轨道跟踪与数据中继卫星系统，然后数据再被继续发送至位于新墨西哥的白沙测试设备，通过位于白沙测试设备的60英尺（18米）直径的高增益微波天线，数据最后被传送到戈达德太空飞行中心和太空望远镜科学研究所处存档。

传送来的数据必须要经过一系列处理才能为天文学家所用。太空望远镜科学研究所开发了一套软件，能够自动地对数据进行校正。然后太空望远镜科学研究所将利用STSDAS (Space Telescope Science Data Analysis System) 软件来选取所需要的数据。

3）组成部分

a）光学系统

望远镜的光学部分是整个仪器的心脏。它采用卡塞格林式反射系统，由两个双曲面反射镜组成，一个是口径2.4米的主镜、另一个是装在主镜前约4.5米处的副镜，口径0.3米。投射到主镜上的光线首先反射到副镜上，然后再由副镜射向主镜的中心孔，穿过中心孔到达主镜的焦面上形成高质量的图像，供各种科学仪器进行精密处理，得出来的数据通过中继卫星系统发回地面。

b）广域和行星照相机

广域和行星照相机（WF/PC）原先计划是光学观测使用的高分辨率照相机。由NASA的喷射推进实验室制造，附有一套由48片光学滤镜组成，可以筛选特殊的波段进行天体物理学的观察。整套仪器使用8片CCD，做出了两架照相机，每一架使用4片CCD。广域照相机（WFC）因为视野较广，在解像力上有所损失，但可对光度微弱的天体进行全景观测。而行星照相机（PC）行星照相机每个画素的解析力为0.043弧秒，拥有比WFC长的焦距成像，所以有较高的放大率，可以与广域照相机互补，用于高分辨率的观测。

在1993年12月STS-61的维修任务中，广域和行星照相机被新的第二代替换，为了避免混淆，通常WFPC就是第一代的广域和行星照相机，新机称为WFPC2。

1995年4月1日哈勃空间望远镜上的大视场和行星照相机2（WFPC2）拍摄了鹰状星云的照片。就像普通的数码相机一样，WFPC2也使用电荷耦合器件（CCD）而不是胶卷来记录影像。CCD是一个由光敏器件组成的阵列，其中最小的单元被称为“像素”。而它的作用则是把接收到的光信号转化成电信号。如下面会看到的，在得到最终绚丽图像的过程中最艰巨的工作就是从相机本身产生的干扰信号中分离出那些有用的信号，并且将这些信号转化成对天空中某一点的位置和亮度测量。

WFPC2事实上是由4架相机组成的——3架大视场照相机（WF）和1架行星照相机（PC1）。除了PC1之外，其余每架相机所拍摄的图像都占据了照片的四分之一。而PC1所拍摄的是局域的放大影像，这使得天文学家可以在右上角看到局部更微小的细节。但是最终的图像会先按比例把PC1所拍摄的图像缩小到和其他3架相机相同的程度，这就导致了“哈勃”WFPC2所拍摄的照片总会缺个角。WFPC2的视场大约包含了1600×1600个像素，这使得它大致相当于一台250万像素的数码相机。而且WFPC2所拍摄的图像也不是真彩色的，不过它所能看到的景象比起彩色胶卷来更接近于肉眼。

2009年，对哈勃望远镜进行最后一次维护时，用第三代广域照相机(WFC3)取代了WFPC2。

c）戈达德高解析摄谱仪

戈达德高解析摄谱仪（GHRS）用于紫外线波段的摄谱仪，由戈达德太空中心制造，可以达到90,000的光谱分辨率，同时也为FOC和FOS选择适宜观测的目标。它舍弃了CCD，使用数位光子计数器作为检测装置。在1997年2月的哈勃维护任务中被太空望远镜影像摄谱仪（STIS）取代。

d）高速光度计

高速光度计（HSP）能够快速的测量天体的光度变化和偏极性。它可以每10微秒在紫外线、可见光和近红外线的波段上测量一次光度，因此用于在可见光和紫外线波段上观测变星，精确度至少可以达到2%。 高速光度计因为主镜的光学问题，自升空以来一直未能成功使用。1993年12月，在第一次的哈勃维护任务中，它被用于矫正其他仪器光学问题的太空望远镜光轴补偿校正光学（COSTAR）替换掉。

e）暗天体照相机

暗天体照相机的观测波段在115至650纳米，它在2002年被先进巡天照相机（ACS）取代。

f）暗天体摄谱仪

暗天体摄谱仪是观测波长在1150至8500埃的摄谱仪。在1997年第二次哈勃维护任务中被太空望远镜影像摄谱仪（STIS）取代。FOC和FOS都是哈勃空间望远镜上分辨率最高的仪器。这三个仪器都舍弃了CCD，使用数位光子计数器做为检测装置。FOC是由欧洲航天局制造， FOS则由Martin Marietta公司制造。

g）其他仪器

由威斯康辛麦迪逊大学设计制造的HSP，用于在可见光和紫外光的波段上观测变星，和其他被筛选出的天体在亮度上的变化。它的光度计每秒钟可以侦测100,000次，精确度至少可以达到2%。

哈勃空间望远镜的导引系统也可以做为科学仪器，它的三个精细导星传感器（FGS）在观测期间主要用于保持望远镜指向的准确性， 但也能用于进行非常准确的天体测量，测量的精确度达到 0.0003弧秒。

4）性能数据

望远镜尺寸

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任务数据

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空间飞行数据

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数据数据

哈勃每周传输约120吉字节（GB）的科学数据。约合在一个书架上摆放3600英尺（1097米）高的书籍所包含的数据量。图片和数据储存在磁光盘上。

动力数据

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光学部件数据

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5）探索成果

a）海量数据

从1990年至今，哈勃望远镜在地球轨道上运行了超过15万圈，执行了120多万次观测任务，观察了超过38,000个天体。

哈勃望远镜观测到的目标中最远的是距地球130多亿光年的原始星系，这些星系的发出光芒来自大爆炸后刚刚形成的宇宙早期。

平均每个月，哈勃都会产生829G观测数据，累计已超过100T。

在执行任务的早期，哈勃望远镜证明了大质量黑洞在宇宙中普遍存在——大多出现在星系的中央位置。同时，天文学家还在它的帮助下，观测到宇宙膨胀的精确数据，从而推算出宇宙年龄为138亿年（误差不超过3%）。

在这一过程中，“暗能量”这个如今在科学界频频出现的神秘概念，逐渐为人们所知晓。而且在“大爆炸”之后，另一个非常关键的“暴涨”阶段对于我们宇宙现在的结构同样起着决定性的作用。

至今，直接或间接通过哈勃望远镜的成果而发表的科学论文数目，超过12800篇，包括几项问鼎诺贝尔奖的成果。

b）宇宙年龄

哈勃空间望远镜对造父变星的观测为哈勃常数的精确测量提供了保证。哈勃的精细导星传感器对造父变星进行了直接的视差测量，大大削减了用造父变星周光关系推算距离的不确定性。在哈勃空间望远镜之前，观测得到的哈勃常数有1-2倍的差异，但是在有了新的造父变星观测之后宇宙距离尺度的不确定性猛然下降到了大约只有10%，从而对宇宙的扩张速率和年龄有更正确的认知。

c）恒星形成

哈勃空间望远镜还有助于研究诸如猎户星云之类的恒星形成区。通过哈勃空间望远镜对猎户星云的早期观测发现，其中聚集了许多被浓密气体和尘埃盘包裹的年轻恒星。尽管已经从理论上和甚大天线阵的观测中推测出来了这些盘的存在，但是直到哈勃所拍摄的高分辨率照片才第一次直接揭示出了这些盘的结构和物理性质。

d）恒星死亡

哈勃的观测还在超新星爆发和γ射线暴之间建立起了联系。通过哈勃对γ射线暴余辉的观测，研究人员把这些暴发锁定在了河外星系中的大质量恒星形成区。由此哈勃望远镜也令人信服地证明了这些剧烈的爆发和大质量恒星死亡的直接联系。

e）黑洞

哈勃空间望远镜最早的核心计划之一就是要建立起由黑洞驱动的类星体和星系之间的关系。之后，通过它们对周围恒星的引力作用，针对“哈勃”所获得的近距星系光谱的动力学模型证实了黑洞的存在。这些研究也导致了对十几个星系中央黑洞质量的可靠测量，揭示出了黑洞质量和星系核球质量之间极为紧密的联系。2011年11月8日，借助哈勃空间望远镜，天文学家们首次拍摄到围绕遥远黑洞存在的盘状构造。这个盘状结构由气体和尘埃构成，并且正处于不断下降进入黑洞中被消耗的过程中。当这些物质落入黑洞的一瞬间，它们将释放巨大的能量，形成一种宇宙射电信号源，称为“类星体”。

f）暗物质

2012年3月，美国宇航局“哈勃”太空望远镜在距离地球24亿光年的“阿贝尔520”星系团中再次发现了一个巨大的暗物质块。这一异常发现令天文学家百思不得其解，并怀疑暗物质块中可能藏有一个神秘的“暗物质核心”。

研究人员介绍说，在距离地球24亿光年的遥远星系团“阿贝尔520”中，星系发生碰撞后，从星系中分离出来的暗物质可能在星系周围聚集形成一个“暗物质核心”。由于暗物质被认为是将星系结合成一体的神秘“胶水”，因此这种现象本不应该存在。现象的问题是，如果暗物质被认为是将星系结合成一体的神秘“胶水”，那么星系碰撞后它们仍然可以将星系“粘合”在一起。

这一异常现象最早发现于2007年。由于这一现象过于异常，因此许多天文学家都将其作为一种假象而不予理会。然而，“哈勃”太空望远镜最新的观测结果证实，“阿贝尔520”星系团中的暗物质和星系是分开的。“哈勃”太空望远镜观测图像蓝绿色区域显示，一个巨大的暗物质块位于炽热的气体附近，但该区域几乎看不到星系。

异常现象的再一次发现，让天文学家们不得不对其重视起来并重新思考它的原理。暗物质最早发现于大约80年前，被认为是将星系结合成一体的“引力胶水”。事实上，天文学家对暗物质仍然知之甚少。“哈勃”太空望远镜研究项目首席科学家、加利福尼亚大学天文学家詹姆斯-吉表示，“这一结果令人困惑。暗物质的行为无法预测，很难说清它的原理。”

对于这一异常发现，研究团队提出了数种解释，但最终每一种解释都会让天文学家更为困惑。研究团队成员、美国加州旧金山州立大学科学家安迪谢-马哈达维曾经是2007年对“阿贝尔520”星系团首次观测项目的负责人，他表示，“这会让你越来越困惑，越陷越深。”

对于这种矛盾现象，一个可能的解释就是，“阿贝尔520”星系团是三个星系团之间复杂的交互体，而不仅仅是两个碰撞系统。另一种可能就是，“暗物质核心”中包含有许多星系，但是由于它们过于暗淡而无法观测到，甚至“哈勃”太空望远镜都无法看到。

g）有水行星

2013年12月3日，美国航天局宣布，天文学家利用哈勃太空望远镜在太阳系外发现5颗行星，它们的大气层中都有水存在的迹象。此前也曾观测到少数大气层中有水存在迹象的系外行星，但这是首次能确定性地测量多个系外行星的大气光谱信号特征与强度，并进行比较。

这5颗行星分别叫做WASP-17b、HDb、WASP-12b、WASP-19b与XO-1b，它们的体积比地球大得多，属于“热木星”型行星，即大小与木星相当，但温度极高、运行轨道距其绕行恒星非常近的气态巨行星。

研究人员利用哈勃的广角照相机，观测这些行星大气层吸收光线的细节特征，结果发现，尽管5颗行星都有水存在的迹象，但信号均弱于预期，他们怀疑这是因为这些行星的大气中有一层霾或灰尘的存在，导致信号减弱。

h）宇宙学

由于宇宙学的研究对象主要来自天文观测，而这也是唯一能在宇宙演化和结构的基础上测量宇宙距离和年龄的办法。哈勃空间望远镜能够通过对造父变星距离的测量来测定哈勃常数，而这与宇宙在今天的膨胀速度有关。此外，通过对超新星的测定，可以帮助研究人员来限制超新星的亮度，从而进一步限制宇宙早期膨胀的属性，从而为暗能量模型提供一个强有力的限制。

i）哈勃深场

早在1996年，著名的哈勃空间望远镜就拍摄到标志性的哈勃深场图像，巨大数量的星系就隐藏在这片小天区中，美国宇航局计划进行一次全新的深场成像计划。哈勃望远镜在捕捉深场图像时将收集极遥远天体的微弱光线，慢慢“堆积”才能揭示宇宙大爆炸数亿年后的情景，否则由于光线太弱而看不到当时宇宙中存在的天体。在哈勃望远镜于2004年拍摄的“超深场”图像中，收集光线的时间更久，2012年拍摄的“极深场”图像则花了更长的时间才完成成像。

根据巴尔的摩空间望远镜研究所科学家丹安·科介绍：“与超深场图像类似，本次哈勃拍摄的六个超深场图像计划几乎可获得相同品质，在哈勃前沿领域的任务中，收集光线花了45个小时，描绘出宇宙大爆炸后大约五亿年的情景。”这些图像深刻揭示了宇宙最深处的景象，捕捉到年代非常久远的星系和从未见过的遥远星系。负责本项研究的科学家认为有些星系是之前尚未被发现的，比如最远的星系MACS0647-JD，就距离地球大约133亿光年处，原始深空场也显示了在仅仅2.5弧分跨度上就存在大约3000个并未被观测到宇宙星系。

作为天体观测的主力，美国宇航局希望哈勃望远镜能维持到2018年，其继任者詹姆斯·韦伯空间望远镜将在不久后发射。研究人员认为哈勃拍摄的新深场图像需要一定的运气，那片黑暗的天区包含了丰富的宝藏。

j）大胖子星系团

2014年4月，美国航空航天局(NASA)哈勃太空望远镜观测结果显示，“El Gordo”星系团(昵称为“大胖子”)所容纳的质量可能与三千万亿(3乘以10的15次方)颗太阳相当。这比原先科学家所估计的值大了43%，质量可能与3千万亿颗太阳相当，约为银河系质量的3000倍。　“大胖子”星系团的编号为ACT-CL J0102-4915，距离地球超过70亿光年。因此，天文学家观测到的信号，实际上已经有将近一半的宇宙年龄(约138亿年)。

5）部分经典拍摄作品

创生之柱

它是哈勃最经典的作品之一，张令人惊叹的照片拍摄于1995年，揭示了被老鹰星云(M16)的繁星照亮的三个冰冷气体柱。这幅哈勃影像非常受欢迎，它出现在电影和电视剧中;出现在体恤衫和枕头甚至邮票上。

伪超新星

海山二(Eta Carinae)，它是银河系中最大和最诡异的恒星系统之一，自19世纪起便令天文学家困惑不已。该系统由一对恒星构成，每颗恒星的质量都比太阳大很多，这些恒星还被混乱的巨大气体云团包围，其中一颗恒星巨大且不稳定。自19世纪以来，天文学家已经利用功能并不那么强大的望远镜窥到了海山二的暴烈行为。

黑洞相撞

要找到黑洞是件很难的事。它们的引力如此之强，即使光也无法从那里逃逸，使它们变得“不可见”。尽管目前我们还没有获得超大质量黑洞的真实图像，但这幅照片可能抓拍到了两个黑洞在一起旋转并朝宇宙释放出粒子喷流的情景。当两个星系核混合时，这些喷流会以接近光速的速度行进，延伸数千光年。

星系玫瑰

2011年4月20日，为了庆贺哈勃望远镜发射升空21周年，NASA的天文学家公布了一对相互作用的星系照片，为它庆生。这两个星系的外形好似一朵美丽的玫瑰，被称为阿普273(Arp 273)，它们位于仙女座，距地球大约3亿光年，当彼此穿越时，就形成了这一独特的现象。

恒星工厂

为了庆祝哈勃的24岁生日，科学家们发布了这张猴头星云(Monkey Head Nebula)的图片，其距地球6400光年，以“造星工厂”而闻名。NASA称，猴头星云的主要成分为氢气，它被炽热恒星喷射的紫外线所隔离。

蝴蝶星云

蝴蝶星云（M2-9）也叫巴比龙星云。巴比龙星云的法语意思是蝴蝶，它的另一个名字是N159。是蛇夫座美丽的行星状星云。大小约是150光年，位于我们的邻居星系大麦哲伦星云，和地球距离大约是17万光年。

车轮星系

很难想象宇宙竟然有如此美丽之景象，车轮星系是位于玉夫座方向的一个相互作用星系，也是一个透镜状星系，它是最近的和观察最完全的碰撞环星系。有一个明亮的核心，一个内环，外部还有一个星暴环。

蝌蚪星云

天龙座（Draco constellation）内一个小的蓝色星系穿透一个漩涡星系（Spiral Galaxy）。此碰撞使得两者变形并伸展出一条由气体、尘埃及星星组成的长达28万光年的尾巴。蝌蚪星系距离我们有四亿二千万光年远。 它引人注目的尾巴是由许多巨大明亮的蓝色星团所组成。

环状星云

环状星云（Planetary nebulae，也被称之为“Messier 57”）意为行星状星云，它就像人的眼睛一样漂亮，因此类星云中心有颗高温星，外围环绕着一圈云状物质，就好像行星绕着太阳似的而得名，也有因其形状像一个光环，所以又称为环状星云。

哈勃望远镜历时4个月拍到的珍贵太空照片

图中绿色框里边，是哈勃望远镜所对准的视角，哈勃太空望远镜将这个视角保持了四个月，尽其所能观察那儿的所有亮光，下面是哈勃望远镜所看到的……

仅仅在这么一个小小的范围类居然隐藏着如此众多的星系! 这张图片的每一个亮点，都是一个完整的星系，在这张图里，大约有1000多个星系！每个星系大约有一万亿个恒星，而每颗恒星可能都有一个行星系……

6）后继探测器

a）韦伯空间望远镜

詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）是红外空间观测站，研究人员计划用它取代哈勃望远镜，用以探索远超过目前仪器可观测到的宇宙中最远的对象。它由NASA带头，与欧洲航天局和加拿大航天局合作。曾用名为NGST。在2002年更名，用以纪念NASA的首任局长James Webb，其设计口径为6米，是哈勃望远镜的2.5倍。JWST能观测到的天体要比当前最大地面望远镜或空间红外望远镜要暗400倍。原计划2012年升空，但因为经济危机推迟，计划推迟至2018年发射。

NASA计划中将于2018年升空的詹姆斯·韦伯望远镜是被寄予厚望的哈勃望远镜继任者。在韦伯领导下的美国宇航局，成功实施了“水星”和“双子星”载人航天计划，为人类成功登月奠定了坚实的基础。

韦伯望远镜在设计时强化了其红外波段的观测能力，这将让它能够更好地看清宇宙中更遥远、更暗淡的天体。相对于哈勃望远镜，韦伯望远镜将能够进一步逼近大爆炸后的年轻宇宙的图景，科学家估计它可以看到距离200亿光年远的原始星系。

2019年，哈勃望远镜和韦伯望远镜将同时在轨道运行，帮助人类揭示宇宙的秘密。

“到那时，人类将拥有前所未有的观测能力，面对未知的宇宙，我们可以更好的观察它，理解它。”格伦斯菲尔德介绍说，“我相信，到时候一定会有”爆炸性”的新发现！”

b）大口径太空望远镜

先进的大口径太空望远镜 也已提上日程。如果该项目批准的话，它将有8至16米（320至640英寸）的光学空间望远镜。它是真正的哈勃望远镜继承人: 有能力观察和拍摄的光学，天体紫外线和红外线的波长，但更高的分辨率大大高于哈勃。

东方红一号

简要介绍

东方红一号是中华人民共和国的第一颗人造卫星，在1970年4月24日发射成功，该卫星的发射是中国“东方红”航天卫星计划的一部分。东方红一号总重173公斤，比其他国家的首颗卫星都要重。卫星携带的无线电发射机在轨道上将同名歌曲《东方红》持续播放了20天。

东方红一号是在中国空间技术研究院院长钱学森的指导下研发的，孙家栋则是东方红一号的主要技术负责人。该卫星研发的主要目的是进行卫星技术试验，并采集地球电离层和大气层的数据。卫星设计的工作寿命20天，1970年5月14日，卫星停止发射信号，与地面失去了联系，但它至今仍在轨道上运行。

详细介绍

1）研制历史

1965年1月，时任中华人民共和国国防部五院副院长的钱学森向原国防科委提出制定中国人造卫星研究计划，受到了周恩来总理、聂荣臻元帅等中央领导的高度重视。该计划被命名为“651工程”。

中国航天之父钱学森

东方红一号卫星的技术负责人孙家栋

东方红一号由以钱学森为首任院长的中国空间技术研究院研制，当时共做了五颗样星，结果第一颗卫星就发射成功。该院制定了“三星规划”：东方红一号、返回式卫星和同步轨道通信卫星，而孙家栋则是当时东方红一号卫星的技术负责人。1967年，党鸿辛等人选择了一种以铜为基础的天线干膜，成功解决在100℃至零下100℃下超短波天线信号传递困难问题。

东方红一号卫星以火车运输时，铁路沿线每两根电线杆间由一位荷枪实弹的卫兵守卫。1970年4月24日21时35分，长征1号运载火箭载着东方红一号卫星从甘肃酒泉卫星发射中心发射升空，21时48分进入预定轨道。

长征一号运载火箭

卫星的飞行轨道为近地点439公里、远地点2384公里、轨道平面和地球赤道平面为倾角68.5度的近地椭圆轨道，运行地球一圈周期为114分钟。卫星设计工作寿命20天（实际工作寿命28天）。期间，卫星把遥测参数和各种太空探测资料传回地面，至同年5月14日停止发射信号。

东方红一号卫星的发射成功标志着中国成功掌握了人造卫星的空间技术，使中国成为世界上继苏联、美国、法国和日本之后第五个完全依靠自己的力量成功发射人造卫星的国家。从此，中国在空间技术领域跻身于世界先进国家行列，正式加入了“太空俱乐部”，发射成功后，钱学森向中央提出中国应该发展载人航天，并提交发展中国载人航天事业的报告，得毛泽东亲笔批示“同意”。

2005年4月21日，中国空间技术研究院召集了当年曾参加设计、研制、生产和管理的航天科技人员，在东方红一号卫星诞生地北京卫星制造厂为纪念碑揭幕，制造厂为配合神舟5号载人飞船成功发射周年纪念，制作了一个东方红一号卫星的1：1模型，在北京天文馆展出。

2）卫星结构

东方1号卫星外形为近似球体的七十二面体，直径约1米，质量为173千克，采用自旋姿态稳定方式，转速为每分钟120转。卫星外壳表面以铝合金为材料，这些铝合金按温度控制要求进行过处理。卫星的主体上共有四条二米多长的鞭状超短波天线，底部有连接运载火箭用的分离环。

东方红一号之所以采用近似球体的七十二面体，主要有以下考虑：

a）可使卫星有较大的结构利用空间，因为我们知道，相同表面积的立体中，球体具有最大的体积；

b）不直接采用球面结构，是因为在平面上粘贴太阳电池片比在曲面上粘贴更方便可靠；

c）由于卫星采用自旋稳定方式，也就是说人造地球卫星自旋轴在空间保持不变，那么卫星自旋轴相对于太阳的取向是不断变化的，在72面球体上粘贴太阳电池片可便于太阳电池片在不同径向的面上适当地均匀布设，使任何时刻太阳电池的总输出变化很小，这对整星能源系统的设计很有利；

d）采用球形设计，可使卫星飞行时的弹道截面基本不变，所以不用在卫星上安装探测仪器，就能用卫星的测轨跟踪数据反演推算卫星飞经高度的大气密度值及其变化，从而多得到一些科学数据。

虽然后来因卫星任务和技术方案有所变化，东方红一号上最终未粘贴太阳电池片，而采用所携带的银锌电池供电，但结构设计未改动。另外，在与东方红一号相同外形的中国第2颗人造卫星——实践1号上成功地使用了这一设计方案，实践1号卫星的寿命超过8年。

基本数据

1）设备系统

东方红一号的具体任务是测量卫星本身的工作参数；探测空间环境参数；为中国奠定卫星轨道测量和无线电遥测技术基础。为了实现上述目标和达到这些要求，经专家们多次论证，最后确定东方红一号由结构、温控、能源、《东方红》乐音装置和短波遥测、跟踪、天线、姿态测量7个分系统组成。

卫星上的仪器舱装有电源、测轨用的雷达应答机、雷达信标机、遥测装置、电子乐音发声器和发射机、科学试验仪器等。

2）卫星数据

3）飞行参数

由于东方红一号卫星的近地点高度较高，因此东方红一号卫星至今仍在轨道上。其在北京时间2014年4月24日15时30分00秒 UTC07：30：00的轨道数据如下：

东方红一号的意义

“东方红一号”卫星的发射成功使中国成为世界上继苏联、美国、法国和日本之后第五个完全依靠自己的力量成功发射人造卫星的国家。虽然它比苏联发射第一颗人造卫星“斯普特尼克一号”晚了13年，但是它的质量超过了前四个国家第一颗卫星质量的总和。从此中国正式加入了“太空俱乐部”时代。

人造地球卫星1号

简要介绍

前苏联在1957年10月4日发射的世界第一颗人造地球卫星。俄语名称为Спутник-1，直译为人造地球卫星1号，音译为斯普特尼克1号，由于该名称的词源来自путник——旅行者，前面加一个c表示是путник的同行者或陪同者，因此，也被译为伴侣号。

人造地球卫星1号

人造地球卫星1号由前苏联著名的火箭和宇航设计师科罗廖夫领导的试验设计局完成，为铝制球体，直径58厘米，重83.6千克，球体，有4根鞭状天线，内装有科学仪器。1957年10月4日前苏联在拜科努尔航天中心发射升空，升空后发射了3个星期信号，在轨道中度过3个多月，围绕地球转了1400多圈，最后坠入大气层消失。斯普特尼克一号是航天启蒙时代的产物，是冷战时期太空竞争的标志。

详细介绍

1）背景

人造地球卫星1号由前苏联于1957年10月4日在拜科努尔航天中心发射升空。由于当时正值冷战，人造地球卫星1号的发射震撼了整个西方，在美国国内引发了一连串事件，如斯普特尼克危机、华尔街发生小股灾，同时亦开始了美、苏两国之间的太空竞赛。

2）构造

人造地球卫星1号主要由壳体、卫星设备和天线组成 。卫星呈球形，外径0.58米，重83.6千克。壳体由两个铝合金半球壳对接而成，借助橡胶件保持气密，内部充有0.12兆帕(1.3大气压)的干燥氮气。下半壳表面是热控制系统的辐射表面；上半壳外面加有隔热层。壳体内安装电池组、无线电发射机、热控制系统组件、转接元件、温度和压力传感器等。电池组由3个银锌电池构成。在电池组中央的矩形槽内安置两台交替工作的无线电发射机，工作频率分别为20.005和40.002兆赫。4根鞭状天线重8.4千克，长2.4～2.9米。

卫星还携带试验动物，用以考察动物对空间环境的适应能力。

3）运行

人造地球卫星1号的初始轨道参数是：近地点215千米，远地点 947千米；轨道倾角65；运行周期96.2分。

人造地球卫星1号共运行92天，绕地球飞行约1400圈。

人造地球卫星1号于1958年1月4日再入大气层烧毁。

4）意义

人造地球卫星1号升空的意义，在于通过度量其轨道变化，有助于研究高空地球大气层的密度，并为用电离层作为无线电波传递方式提供原始的资料。

由于卫星填充了压缩氮，人造地球卫星1号也因此成为了第一个用作陨石探测的人造物体，由于高温的陨石穿透了人造地球卫星1号的表面，导致其内压泄漏，因此为陨石之极端高温提供了证据。

人造地球卫星1号毫无先兆地发射成功，导致美国的极大恐慌，并造成斯普特尼克危机，因此也激起美苏两国之后持续20多年的太空竞赛，成为冷战的一个主要竞争点。