精彩纷呈的中国人造卫星

庞之浩 贺勋（北京空间科技信息研究所 北京空间飞行器总体设计部）

航天器是开发太空资源的利器，目前主要有3类，即人造地球卫星、载人航天器和空间探测器。它们各有所长，不能相互替代。从1970年4月24日我国第1颗人造地球卫星东方红一号升空到现在，我国现已能够独自研制、发射和应用这3类航天器。在这3种航天器中，人造地球卫星的数量和种类最多，用途最广。按用途分，它又可分为试验卫星、科学卫星和应用卫星3种。至今，我国一直在研制、发射和应用这3种人造地球卫星，创造了很大的社会效益、经济效益和科技成就。

1 试验卫星当先锋

航天器技术非常复杂，且常采用许多新概念、新技术、新材料和新型设备等，所以在刚开始研制新型卫星时必须反复试验。一般是先发射技术试验卫星，再发射业务卫星。我国航天在发展初期发射过多颗“实践”系列试验卫星。而近年来，随着空间技术的发展，我国又陆续发射了多种新型试验卫星。

2012年发射的实践九号A、B卫星是我国民用新技术试验卫星系列的首批卫星，主要用于进行卫星长寿命、高可靠、高精度、高性能、国产核心元器件和卫星编队及星间测量与链路等试验。同年发射的“新技术验证卫星”和“蜂鸟”试验载荷主要用于对新型航天器件、设备、材料、方法和微小卫星平台等进行在轨验证试验。2015年，我国发射了通信技术试验卫星一号和吉林一号技术验证星等。

2016年6月25日，长征七号火箭发射了6种试验载荷。其中，多用途飞船缩比返回舱用于获取新型返回舱飞行气动力和气动热数据，验证可重复使用设计等关键技术；遨龙一号空间碎片主动清理飞行器装载了1台机械臂，用于模拟在太空抓取废弃卫星和其他大块碎片，验证碎片清除关键技术；2个“天鸽”飞行器的主要作用是验证空间组网通信技术，在轨开展信息中继技术试验；在轨加注实验装置主要是验证我国的太空加注燃料技术，延长航天器寿命。

2016年11月3日，我国发射了实践十七号新技术验证卫星。它验证了30余项新技术，包括东方红五号卫星平台关键技术、新型电源、新型测量、新型测控、新型电推和新型热控等技术，其中包括世界上第一套完成在轨飞行验证的磁聚焦霍尔电推进系统。

2016年11月10日，我国“脉冲星试验卫星”升空，它是世界首颗尝试、验证脉冲星导航技术体制可行性的卫星，为深空探测器导航奠定基础。

2018年2月2日发射的张衡一号是我国首颗电磁监测试验卫星。它是通过监测全球空间电磁场、电离层变化，来探索、研究与地震前兆相关的空间环境信息，用于开展我国及周边区域的地震前兆跟踪和空间电磁环境监测数据应用服务,为未来建立地震电磁监测卫星业务化系统进行技术准备。

多用途飞船缩比返回舱返回地面

测试中的“脉冲星试验卫星”

2 科学卫星正崛起

科学卫星用于科学探测和研究。它可以不受大气层的限制和影响，通过卫星上的各类遥感器了解高层大气、地球辐射带和极光等空间环境，观察太阳和其他天体。科学卫星又细分为空间物理探测卫星、天文卫星、实验卫星和生物卫星等。随着我国经济与科技的迅速发展，从“十二五”起，我国开始实施空间科学战略性先导科技专项，使科学卫星有了较大的发展。

探测卫星

2003年12月30日、2004年7月25日，我国成功实施了“地球空间双星探测计划”，先后发射了探测一号和探测二号卫星。它们分别对地球近赤道区和极区2个地球空间环境变化最为重要的区域进行宽能谱粒子、高精度磁场及其波动的探测。这2颗小卫星构成具有明显创新特色的星座式独立探测体系，对地球空间暴发生机制和发展规律进行了立体探测。

天文卫星

2015年12月17日，我国发射了第一颗天文卫星—“悟空”暗物质粒子探测卫星。该卫星是目前观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器，超过国际上所有同类探测器，而且成本较低。

2017年6月15日，我国发射“慧眼”硬X射线调制望远镜。它可实现宽波段X射线（1～250keV）巡天，探测大批超大质量黑洞和其他高能天体；定点观测黑洞和中子星、活动星系等高能天体。“慧眼”曾在2017年10月观测到中子星及其产生的引力波。

实验卫星

2016年4月6日,我国首颗微重力科学实验卫星—实践十号升空。它是单次搭载空间实验项目最多的卫星，开展六大领域19项实验，专门用于微重力科学和空间生命科学实验研究。

2016年8月16日，我国发射墨子号量子科学实验卫星，是国际上首次在空间大尺度下实现星地自由空间量子纠缠分发、量子隐形传态等实验。它运行于600km太阳同步轨道，设计寿命2年，装有量子密钥通信机、纠缠发射机、纠缠源及实验控制与处理机，现已进行了1200km量子纠缠传输和白天远距离53km自由空间量子密钥分发。

目前，我国正在研制5颗新的科学卫星，计划2021年前后发射。这5个项目分别是“太阳风-磁层相互作用全景成像”卫星计划、“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划、“全球水循环观测”卫星、“爱因斯坦探针计划”和“先进天基太阳天文台”。

“慧眼”硬X射线调制望远镜飞行示意图

组装完毕的实践十号卫星

3 应用卫星闪金光

通信卫星

通信卫星已成为现代通信的重要手段。按业务种类分，通信卫星可分为固定通信卫星、移动通信卫星、电视广播卫星和跟踪与数据中继卫星等。我国已先后研制、发射和应用了三代固定通信卫星、两代数据中继卫星和一代移动通信卫星。

（1）固定通信卫星

第一代固定通信卫星采用东方红二号小容量卫星平台，采用自选稳定方式，装有2～4台转发器，寿命4年。它于1984年4月8日首次成功发射并运行，后来又发射了多颗，大大改变了当时我国边远地区收视难、通信难的状况。

墨子号量子科学实验卫星

东方红二号试验通信卫星在轨飞行示意图

第二代固定通信卫星采用东方红三号中容量卫星平台，可装24台C频段转发器，工作寿命达8年，采用了许多当时的新技术。它于1997年5月12日成功发射并运行，此后陆续用于“中星”、鑫诺三号、天链一号等通信卫星甚至“北斗”导航卫星和嫦娥一号、二号绕月探测器等。我国还研制了更先进的东方红三号A、B卫星平台，填补了东方红三号中容量与东方红四号大容量卫星平台之间的空白。

第三代固定通信卫星采用东方红四号大容量卫星平台，具有输出功率大、承载能力强和服务寿命长等特点，达到国际同类通信卫星的先进水平，设计寿命15年。我国现已用东方红四号卫星平台打造、发射了多颗通信卫星，如尼日利亚通信卫星一号等。目前，我国正在研制东方红四号E（增强型）、东方红四号SP（全电推）等新型卫星平台。

（2）数据中继卫星

数据中继卫星被称为“卫星的卫星”，主要用于转发低轨航天器与地面之间的实时数据。2008年4月25日，我国成功发射并运行了第一颗数据中继卫星天链一号的01星，此后又发射了3颗第一代数据中继卫星天链一号,使我国测控覆盖率接近100%，并能提供百兆以上的高数据传输速率。2019年3月31日，我国又发射了首颗第2代数据中继卫星天链二号，具有更高传输速率，服务多目标。

（3）移动通信卫星

2016年8月6日，我国首颗移动通信卫星—天通一号01星升空。该卫星能够达到国际第三代移动通信卫星水平，能够满足用户多样化通信需求，可以为车辆、飞机、船舶和个人等移动用户提供话音、数据等通信服务，并可以实现用户终端的小型化、手机化。它标志着我国正式加入地球同步轨道移动通信卫星俱乐部。

（4）高通量卫星

2017年4月12日，我国首颗高通量通信卫星—实践十三号/中星十六号卫星升空。该卫星采用了Ka频段、激光通信和电推进等新技术。这是我国首颗高通量通信卫星，通信总容量达20Gbit/s。该卫星一举突破了我国高轨卫星领域电推进、Ka频段多波束宽带通信系统、激光通信等多项关键技术。

（5）电视直播卫星

2017年6月19日，我国首颗自制电视直播卫星中星九号A升空。它采用东方红四号卫星平台，装有24台Ku频段转发器，5副天线。主要用于广播和电视直播业务服务，覆盖中国大陆本土、海南岛、港、澳、台和南海等地区，增加了南海区域波束天线，填补了电视直播卫星在南海区域覆盖的空白。

（6）未来通信卫星

今后，我国还将研制宽带多媒体卫星、东方红五号超大型卫星平台等，还将建造“鸿雁”全球移动宽带卫星互联网系统，可在全球范围内提供移动终端通信、宽带互联网接入、物联网、热点信息推送、导航增强、航空航海监视等六大应用服务。2018年12月29日，“鸿雁”星座首颗试验星成功发射，标志着“鸿雁”星座的建设全面启动。此前的2018年12月22日，“虹云”工程的首颗卫星也成功发射并进入预定轨道，这是我国首颗低轨宽带通信技术验证卫星，同时也是首次将毫米波相控阵技术应用于低轨宽带的通信卫星。

遥感卫星

遥感卫星站得高、看得远，是一种利用卫星上所装载的各种遥感器对地球进行连续、快速、大面积地详细观测的应用卫星。遥感卫星又叫对地观测卫星，根据用途又分为陆地卫星、气象卫星和海洋卫星等，它们的主要区别在于时间、空间和光谱分辨率及谱段不同，因而用途不同。

（1）陆地卫星

如图1，在△ABC中，AB=AC，点D在△ABC外，AD=CD，若∠CAD=11°，∠ABD=30°，求∠ACB的度数.

返回式卫星。这是中国最早的应用卫星，先后有24颗入轨、23颗回收。用这些返回式卫星不仅进行了遥感、微重力实验和新技术试验，还为掌握载人飞船返回技术提供了重要借鉴。

我国早期返回式卫星在轨飞行示意图

资源卫星。这是当代最先进的勘测手段，具有大范围、快速、定期和综合观测等优点，从而发现了许多以前因人迹未到或手段落后而没有找到的自然资源。中巴已合作研制并发射成功了4颗资源一号卫星，最高分辨率为2.36m。我国独自研制了3颗资源二号和2颗资源三号卫星，其中资源三号是我国民用立体测绘卫星，2016年发射的资源三号02星分辨率为2.5m。

高分卫星。2013年4月26日,我国发射了高分辨率对地观测系统的首发星—高分一号。2014年8月19日，我国发射了首颗分辨率为亚米级的高分二号，装有2台分辨率优于1m/4m的全色/多光谱相机，总幅宽45km。2015年12月29日，高分四号升空，是我国“高分”专项中首颗高轨道高分辨率光学遥感卫星。2016年8月10日发射的高分三号分辨率1m，是世界上性能最先进的C频段多极化合成孔径雷达卫星。2018年5月9日发射的高分五号是我国首颗高光谱综合观测卫星，且拥有多部大气环境和成分探测设备，可间接测定PM2.5的气溶胶探测仪。高分六号于2018年6月2日成功发射，其载荷性能与高分一号相似，在此基础上实现单相机大视场成像功能，并增加了2个红边谱段。即将发射的高分七号是高分辨率空间立体测绘卫星。“高分”系列卫星覆盖了从全色/多光谱到高光谱，从光学到雷达，从太阳同步轨道到地球同步轨道等多种类型，构成了一个具有高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率能力的对地观测系统。

高分五号高光谱综合观测卫星

商用卫星。2015年10月7日发射的吉林一号组星是我国首批开发的商用遥感卫星。此后，吉林长光卫星技术有限公司、长沙天仪空间科技研究院有限公司等民营公司又研制、发射了多颗商业遥感小卫星。2016年12月28日和2018年1月9日，中国航天科技集团有限公司先后发射了两批（每批2颗）0.5m分辨率商用遥感卫星高景一号。这4颗卫星在同一个轨道平面运行，之间相位差为90°，实现了非常高的观测效能。

高景一号拍摄的香港中远货运中心（码头集装箱排列规整；一艘300余米长的货船正在行驶，船上装载各色集装箱；港区内交通标识清晰可见）

环境卫星。2008年9月6日，我国环境与灾害监测预报小卫星星座的首批卫星——环境一号A、B卫星升空。前者有2台CCD相机和1台超光谱成像仪；后者有2台CCD相机和1台红外相机。它们可获高时间分辨率、中等空间分辨率观测数据, 对我国大部分地区实现每天一次重复观测。2012年11月19日，环境一号C卫星升空。该卫星是我国首颗民用雷达卫星，与环境一号A、B组成“2＋1”星座。

（2）气象卫星

我国是世界第三个同时拥有极轨气象卫星（风云一号、三号）和静止气象卫星（风云二号、四号）的国家。目前，我国已成功发射17颗“风云”气象卫星，其中8颗在轨稳定运行。

中国第一代极轨气象卫星风云一号

我国自主研制的首颗全球大气二氧化碳观测科学实验卫星（简称“碳卫星”）于2016年12月22日发射。该卫星用高光谱二氧化碳探测仪、多谱段云与气溶胶探测仪以高空间分辨率和高光谱分辨率监测全球二氧化碳，为我国政府开展气候变化谈判和环境外交提供重要支撑。

到2025年，我国还计划发射12颗大气观测卫星，包括3颗风云三号卫星，3颗风云四号卫星，2颗降水测量雷达卫星以及晨昏轨道卫星、静止轨道微波探测卫星、高精度温室气体综合探测卫星、大气环境监测卫星各1颗。

（3）海洋卫星

我国现已发射了3颗海洋一号水色卫星、2颗海洋二号海洋动力环境卫星和1颗“中法海洋卫星”。海洋一号卫星载有1台10频段海洋水色扫描仪和1台4频段CCD海岸带成像仪，用于探测叶绿素浓度，悬浮泥沙含量等。海洋二号集主、被动微波遥感器于一体，载有雷达高度计、微波散射计、微波辐射计和校正辐射计四部微波遥感器，同时搭载了用于星地激光通信试验任务的激光通信终端，用于探测海面风场、海面高度、浪场、流场以及温度场等协动力环境要素。

2018年10月29日，首颗“中法海洋卫星”成功发射。该卫星是由中国和法国联合研制的首颗用于海洋动力环境监测的卫星。该卫星装有全球首台新型体制的微波散射计和全球首台新型体制的雷达波谱仪，可实现海风和海浪同步观测。

“中法海洋卫星”进行质量特性测试

导航卫星

目前，60%以上的信息与定位和时间有关，卫星导航与互联网、移动通信已成为21世纪信息技术领域的三大技术之一，是当今社会重要的空间信息基础设施。我国很重视卫星导航系统的建设，并分三个阶段实施。

1994－2000年为第一阶段。我国先后发射了2颗北斗一号导航卫星（后来又发射2颗备份星），它们运行在经度相距60°的地球静止轨道，建成了世界首个有源区域卫星导航系统，我国成为世界第3个拥有卫星导航系统的国家。该系统不仅可提供区域导航定位，还能进行双向数字报文通信和精密授时，特别适用于需要导航与移动数据通信相结合的用户。

2004－2012年底为第二阶段。我国陆续发射了16颗北斗二号导航卫星，最终建成了由14颗卫星（5颗地球静止轨道卫星＋5颗倾斜地球同步轨道卫星＋4颗中圆轨道卫星）组成的、采用无源与有源卫星导航方式相结合的区域卫星导航系统。它以倾斜地球同步轨道卫星和地球静止轨道卫星为主，从而具有最佳的“鲁棒性”和经济性。

2009－2020年为第三阶段。我国将先后发射30颗北斗三号导航卫星（3颗地球静止轨道卫星＋3颗倾斜地球同步轨道卫星＋24颗中圆轨道卫星），建成采用无源与有源导航方式相结合的全球卫星导航系统。其中，中圆轨道卫星主要用于增加覆盖面，可提供全球服务。

从2017年11月5日发射首批北斗三号卫星起，我国正式开始建造“北斗”全球卫星导航系统。与北斗二号相比，除了服务区域由区域覆盖扩大到全球覆盖外，北斗三号在精度和可靠性上都有很大的提高。2018年12月27日，北斗三号完成基本系统建设，向全球提供服务。截至2019年6月25日，我国已发射了18颗北斗三号中圆轨道卫星、1颗北斗三号地球静止轨道卫星和2颗北斗三号倾斜地球同步轨道卫星。

“北斗”发展蓝图是构建国家综合定位、导航与授时（PNT）体系建设，以“北斗”系统为核心，建成天地一体（包括太空、地面、水下、室内）、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的国家综合定位、导航与授时体系，显著提升国家时空信息服务能力，满足国家安全和国民经济需求，为全球用户提供更为优质的服务。