人造卫星，灿烂巡天

王煜

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+海事卫星电话的功能，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。endprint

“悟空”的“神通”在哪里？它的工作原理是：通过探测宇宙中高能粒子的方向、能量以及电荷大小来间接寻找和研究暗物质粒子。

在对高能电子和光子的测量方面，它的三大本领是：最高的能量分辨率，最宽的能量范围，最好的本底抑制能力。本底抑制，就是把观测到的信号与大量的宇宙射线区别开来，降低宇宙射线背景。这三个物理指标上，“悟空”达到了世界领先水平。在这样的技术优势下，“悟空”的研制费用仅是美国FERMI望远镜和阿尔法磁谱仪的1/7和1/20。

“悟空”这次执行任务计划工作3年，有望在轨工作5年。它将围绕地球旋转，四层科学探测器将面朝太空，全面接受来自宇宙四面八方的高能电子和伽马射线。这相当于科学家在宇宙中放置了一台“除去大气层面纱”的“超高清望远镜”。

“悟空”每天接收的数据大约是16G，所有收集到的科学数据将完整保存，并实时传回地面。一旦用这些原始数据勾勒出的“伽马射线能谱”反映出谱线极段等特征信号，科学家就获得了暗物质粒子存在的强有力证据。

像在《西游记》里一样，“悟空”也将进入一个未知的旅程。暗物质卫星首席科学家、中国科学院紫金山天文台副台长常进说：“暗物质的物理性质还没有弄清楚，没有人能百分之百保证卫星一定能找到暗物质。但只要它工作正常，就为我们打开了一扇新窗口。”

暗物质是一项纯基础科学研究，如果“悟空”有所发现，将会改变什么？

“不好说有什么具体的应用，但是会极大地改变我们对世界的认识。”紫金山天文台助理研究员冯磊说，“毕竟，我们现在对占宇宙百分之二十七的暗物质是一无所知的。”

像“悟空”一样对宇宙探测拥有“火眼金睛”的，还有2017年6月15日发射升空的我国首颗X射线空间天文卫星“慧眼”号。

“慧眼”全称“硬X射线调制望远镜卫星”（HXMT），装载高能、中能、低能X射线望远镜和空间环境监测器等4个探测有效载荷。在4年中，它将不间断地监控各类天体的一举一动，帮助人类进一步揭开宇宙的神秘面纱。它也改写了我国在空间高能天体物理领域没有自主数据的历史。

“‘慧眼能观测黑洞和中子星附近物质变化的情况，通过观测它们的X射线辐射，研究我们在地球实验室环境里无法研究的科学规律。”该卫星首席科学家、中国科学院粒子天体物理重点实验室主任张双南介绍。

宇宙中，脉冲星、伽马射线暴、超新星遗迹、黑洞等天体活动，都是以发射X射线为表征，如果能接收到这些射线加以分析，就能勾画出这些天体的轮廓，甚至能一窥黑洞的奥秘，这对人类探索太空具有重要意义。

“慧眼”是世界上探测覆盖范围最广的天文望远镜之一，可以进行全谱段观测，不仅可以将宇宙事件从发生、发展到结束全过程的壮丽景象尽收眼底，还能看到这些景象出现时的时变过程是怎样的，相比国际上同类卫星的时间分辨率有大幅提升。

“墨子号”提升量子通信

“量子纠缠”有许多奇妙的特性，因而在科学中被称为“上帝效应”，其中最有可能首先为人们实际应用的，就是可以实现信息的完全安全传递的量子通信。

中国在这一领域走在了世界前列。

2016年8月16日，我国成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。2017年1月18日，“墨子号”在圆满完成4个月的在轨测试任务后，正式交付中国科学技术大学使用。

中国科学院院士、量子卫星首席科学家潘建伟在接受采访时说，通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本需求。千百年来，人们对于通信安全的追求从未停止。然而，传统加密技术，主要是基于计算复杂性，在原理上就存在被破译的可能。事实上，随着数学的发展和电脑计算能力的不断提升，经典密码被破译的可能性与日俱增。

量子通信的重要研究内容之一是量子密钥分发。“基于量子不可分割和无法克隆的特性，量子密钥分发通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密，这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全通信方式。”潘建伟说。

通俗地说，如果将“量子通信”比作邮寄一份信件的话，那么“纠缠光子”就是这封信的信封：纠缠光子能携带信息，并确保信息的安全。

2017 年6月16日，“墨子號”量子卫星在世界上首次实现千公里量级的量子纠缠分发，这意味着量子通信向实用迈出一大步，这项研究成果发表于国际权威学术期刊《科学》上。

2017年8月10日，中国科学院宣布，从卫星到地面的量子密钥分发，以及从地面到卫星的量子隐形传态，是“墨子号”最新实现的科学目标。中国科学技术大学潘建伟、彭承志团队联合中科院上海技术物理研究所等单位完成的上述成果，在线发表于国际权威学术期刊《自然》上。至此，“墨子号”原定于两年完成的三大既定科学目标，已用一年时间提前完成。这标志着中国在量子通信领域的研究在国际上达到全面领先的优势地位。

《自然》物理科学主编卡尔·齐姆勒斯评价道：“以前人们会说量子技术的极限在天边，但这说法其实有些保守了。最近发表的这些实验中，量子技术已经突破了天空的限制，也是中国在物理科学方面的投资及努力的证明，正因为有了这些投资与努力，该研究团队才能够将应用型量子通信技术方面的研究提升到如此的天文高度。”

潘建伟曾表示，在未来的5年内，他还希望中国能发射更多的量子卫星。他期望量子通信能在2030年前覆盖到多个国家和地区。简单来说，这意味着人们可以用量子信号来给别人发信息了。

不过，除了这点之外，专家们其实也还没搞清楚量子通信还能实际应用于哪些方面。这其中最主要的原因是，有关量子通信的许多技术目前仍处在研究的初期。科学家们还无法很好地控制和操控量子信号。例如，“墨子号”能传输和接收量子信号，但它无法真正实现量子信息储存，即便是目前最好的量子存储器，它保留信息的时间也无法超过1个小时。如何长久存储量子信息，这或许是中国量子通信研究的下一个课题。endprint