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跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)
跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）進一步擴大了衛(wèi)星通信的應用范圍，使衛(wèi)星通信由作為地面遠距離通信的一種主要手段擴大為各種空間飛行器與地球站之間中繼通信的一種新手段。跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星相當于把低面上的測控站移到了中繼衛(wèi)星相當于把地面上的測控站移到了35786Km高度的地球靜止軌道，一顆衛(wèi)星可觀測到大部分在近地空域內(nèi)飛行航天器，兩顆衛(wèi)星組網(wǎng)可基本覆蓋整個中、低軌道空域。為此，兩顆TDRS衛(wèi)星和地面上單個測控終端站所組成的TDRSS系統(tǒng)，可以取代配置在世界各地由許多測控站構(gòu)成的航天測控網(wǎng)。
衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)
衛(wèi)星無線電定位業(yè)務是地面物體通過無線電和衛(wèi)星溝通進行測距或測速，計算出自己在地球上的位置，根據(jù)位置坐標及其它變化的信息，判斷自己的航向。衛(wèi)星定位系統(tǒng)的出現(xiàn)，解決了大范圍、全球性、高精度和快速定位的問題。
1960年，美國為海軍建立了子午儀（Transit）導航系統(tǒng)，利用單星多普勒頻率測量定位原理，定位一次需要的測量為2分鐘以上。定位精度對運動艦船為200m至80m；而對固定點可達100m至0.1m。在六、七十年代，子午儀導航系統(tǒng)不僅在艦船上被普遍應用，同時也用于陸地上基點的坐標測定，但是該系統(tǒng)定位次數(shù)較少，確定一次需要時間太長，不能適應快速運動的目標（如飛機），定位精度尚需提高。
1978年，美國開始實施導航星全球定位系統(tǒng)（GPS），它是一種以衛(wèi)星為基礎的無線電導航系統(tǒng)，空間段由18-24顆分布于高度為20200km的6個軌道面的衛(wèi)星組成。衛(wèi)星運行周期為11小時58分，衛(wèi)星輻射F1(1575.4MHz)及F2(1277.6MHz)兩個頻率。信號采用碼分多址。衛(wèi)星靠偽隨機碼共分，F(xiàn)1調(diào)制民用粗（CA）碼及軍用精（P）碼；F2只調(diào)制精碼。粗碼容易捕獲，定位精度30m。目前對非授權(quán)用戶施加有人為干擾（SA）技術，精度下降為100m。精碼另行加保密（AS）技術，精度高，且可用雙頻解電離層傳播誤差（約幾米），定位精度達1m。粗碼幫助精碼捕獲，使捕獲時間縮短為２ｓ。
全球各地的用戶隨時可見4顆以上的衛(wèi)星，捕獲星上發(fā)出的CA碼，計算自己的位置，定位時間短、精度高。GPS星上有準確時鐘，可同時用于定時和時間同步。但GPS主要為軍方使用，精碼度分嚴格保密。GPS于1994年3月9日正式建成。系統(tǒng)建成后美國政府許諾10年內(nèi)取消SA干擾。
俄羅斯（前蘇聯(lián)）1982年2月正式向國際電信聯(lián)盟提交通知書，宣稱GLONASS系統(tǒng)將于同年5月開始部署。其宗旨是為全世界范圍內(nèi)的飛機提供無線電導航，也可供國內(nèi)的船只導航。GLONASS的24顆衛(wèi)星分布在軌道高度為19100km的三個軌道面上，衛(wèi)星運行周期為11小時15分鐘。衛(wèi)星發(fā)射F1及F2只調(diào)制精碼。粗碼容易捕獲，定位精度30m，沒有施加人為干擾（SA）技術。
GPS和GLONASS的廣泛應用證明了衛(wèi)星導航技術成熟和可行。但各國民間用戶對依靠某一個國家軍方控制的導航系統(tǒng)（不論GPS或者GLONASS）總是不放心，因此國際民航組織設計了一種分三步走的方案設想－－－
第一步先使用GPS或GLONASS，或GPS+GLONASS；第二步由民間籌建GPS/GLONASS的廣域增強系統(tǒng)（WAAS）或區(qū)域性增強系統(tǒng)（RAAS）；第三步由民間增發(fā)多國或國際控制的導航衛(wèi)星。
這種稱為GNSS發(fā)展的“體制進程”，是在承認GPS和GLONASS已經(jīng)存在的前提下，首先把GPS和GLONASS作為主體使用，然后逐步增加民間成分，在增發(fā)民間衛(wèi)星的基礎上逐漸減少對某一國軍方控制系統(tǒng)的依賴，最終試圖實現(xiàn)一個民間化，國際化的GNSS星座。實際上這是一種國與國之間協(xié)調(diào)，軍用民間之間協(xié)調(diào)、全球性政策緩沖和國際諒解基礎上實用的可行辦法。
但是這個方案遭到美國國防部的指責。于是，美聯(lián)邦航空局（FAA）提出WAAS，但WAAS給美國和國際安全帶來威脅。后來，美國國防部表示“暫時同意按計劃實施WAAS，但WAAS能否投入使用取決于該系統(tǒng)的試驗結(jié)果和政府、軍隊高層部門和評估意見”。此外，國防部還保留根據(jù)試驗結(jié)果在戰(zhàn)時或在特定地域?qū)AAS信號進行干擾的權(quán)利。
歐盟目前在衛(wèi)星導航領域的作用只限于參與歐洲靜止軌道重復覆蓋導航系統(tǒng)（EGNOS）的新計劃。打算在兩顆Inmarsat-3衛(wèi)星中租用其導航設備包，作為GPS和GLONASS定位信息的備份信號，以提供額外的可信度。
中國的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)（北斗一號）具有將通信與導航結(jié)合在一起的能力，它是采用兩顆位于80°E和140°E地球靜止軌道衛(wèi)星雙向測距加數(shù)字化高程地圖定位，并可雙向數(shù)據(jù)報文通信，系統(tǒng)自含差分定位功能，以提高導航定位精度。用戶機與衛(wèi)星間上下行信號用國際電聯(lián)規(guī)定的衛(wèi)星無線電測定業(yè)務標準（RDSS）L/S頻段，衛(wèi)星到中心站鏈路用標準C頻段，衛(wèi)星到中心站鏈路用標準C頻段。其服務范圍包括我國大陸及東南海域，屬區(qū)域性系統(tǒng)，可以發(fā)展成為準全球性系統(tǒng)（用六顆衛(wèi)星）。這個系統(tǒng)的投資比較少，適合我國當前經(jīng)濟能力和各有關方面的需求，在需要導航定位與移動數(shù)據(jù)通信相結(jié)合的場合更是有的放矢。北斗導航定位系統(tǒng)比GPS、GLONASS多了一個數(shù)據(jù)通信的功能，所以它的用途要寬廣很多。
對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)
衛(wèi)星對地觀測技術是一種信息技術，自1959年美國水手號飛船的宇航員用手持相機在空間軌道上對地球拍攝了第一張照片以來，衛(wèi)星對地觀測技術得到了巨大發(fā)展，已成為獲取應用效益的重要領域。對于不同的觀測對象，對地觀測衛(wèi)星可分為地球資源、海洋監(jiān)測、氣象和環(huán)境監(jiān)測等門類。
最早的資源探測衛(wèi)星是美國于1972年發(fā)射的地球資源衛(wèi)星－1（ERTS-1），后來改稱Landsat-1�，F(xiàn)在正在工作的是Landsat-5和法國1986發(fā)射的SPOT，它們現(xiàn)在已成為系列。Landsat系列已經(jīng)到了Landast-7，而SPOT已經(jīng)發(fā)展到SPOT-4。除這兩個系列衛(wèi)星有代表性外，還有印度的遙感衛(wèi)星（IRS）系列和加拿大的商業(yè)化雷達衛(wèi)星（Radarsat）等。我國和巴西聯(lián)合發(fā)射的中巴資源一號衛(wèi)星（CBERS），自1999年10月14日升空入軌后，經(jīng)過100多天的在軌測試，一切正常，已于2000年3月2日在北京交付使用。中巴資源一號用一顆衛(wèi)星實現(xiàn)法國SPOT-1和美國Landsat-4兩顆衛(wèi)星的主要功能。
2000年9月1日，我國成功地將“中國資源二號”送入預定軌道，主要用于國土普查、城市規(guī)劃、作物估產(chǎn)、災害監(jiān)測和空間科學試驗。
1988年，印度首顆IRS衛(wèi)星發(fā)射成功，到1998年，印度已發(fā)射了5顆星。星上有效載荷是光學遙感器，且采用推掃方式。光學遙感器的譜段設置及采用技術等方面也具有很強的繼承性，空間分辨率逐漸提高。
1995年加拿大研制的Radasat-1發(fā)射成功，運行在太陽同步軌道上，其遙感器為合成孔徑雷達（SAR），Radasat SAR工作在C波段，Radasat的特點是其工作不受時間和氣候限制，可以全天時、全天候工作。
衛(wèi)星資源探測為地球資源大面積普查提供了一種經(jīng)濟有效的新手段。可以從地球資源衛(wèi)星的數(shù)據(jù)中提取廣大地區(qū)的地理、地質(zhì)、環(huán)境、植被的資料。這些資料包括能源、礦床和水利資源的查找和發(fā)現(xiàn)，土壤、地質(zhì)和農(nóng)業(yè)土地利用，城市和農(nóng)村的環(huán)境改變，自然災害的發(fā)生和發(fā)展等。中國國家地震局研究表明，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星熱紅外異常動態(tài)演變現(xiàn)象可以提供地震前兆信息，并在多次地震中得到了證實。
氣象衛(wèi)星在對地觀測與通信廣播應用衛(wèi)星系列中占據(jù)著相當重要的地位。氣象衛(wèi)星是對地觀測衛(wèi)星中發(fā)展最早的衛(wèi)星。
從太空觀測地球，不受地理環(huán)境，自然條件、國家與地區(qū)行政疆界的限制，可連續(xù)提供全球的、立體的。全天候觀測資料是氣象衛(wèi)星的特點。
氣象衛(wèi)星在人民生活，國民經(jīng)濟和國防建設等許多領域都有十分廣泛的應用，已遠遠超出氣象范疇。氣象衛(wèi)星資料產(chǎn)品主要有圖像、數(shù)值和水汽分布量等。除了對天氣、氣候和數(shù)值預報等氣象領域具有重要應用價值外，在海洋、水文、航空、航海、農(nóng)村牧漁和環(huán)境監(jiān)測領域亦有廣泛的應用潛力和巨大的經(jīng)濟效益。
目前，美國、俄羅斯、日本、歐空局和我國都建造和發(fā)射了氣象衛(wèi)星；印度發(fā)展了具有通信廣播和氣象多功能綜合利用衛(wèi)星，更多的國家則廣泛應用氣象衛(wèi)星產(chǎn)品。
自1960年4月1日美國發(fā)射第一顆泰羅斯一號（Tiros-1）氣象衛(wèi)星以來的40年中，氣象衛(wèi)星的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段。第一階段為發(fā)展階段，持續(xù)時間約為20年，其間進行了各種試驗研究，不斷增加新的氣象遙感儀器和提高衛(wèi)星性能。對氣象產(chǎn)品進行了試用，發(fā)發(fā)展了氣象衛(wèi)星；第二階段為應用階段，這一階段由世界氣象組織發(fā)起建立了以美國的靜止軌道環(huán)境衛(wèi)星（GOES）、日本的靜止軌道氣象衛(wèi)星（GMS）、歐洲的氣象和環(huán)境衛(wèi)星（MES）等五顆靜止軌道衛(wèi)星和兩顆NOAA極軌氣象衛(wèi)星組成的全球氣象衛(wèi)星監(jiān)測網(wǎng)，和世界各地的氣象衛(wèi)星資料接收站一起，向世界各地連續(xù)提供全球大氣和環(huán)境監(jiān)測資料，實現(xiàn)氣象資料資源共享；第三階段的特點主要是美國第三代先進的NOAA衛(wèi)星投入運行，新一代NOAA-K、L、M衛(wèi)星和NOAA-O、P、Q衛(wèi)星性能的改進，特別是1994年-1995年期間美、俄各發(fā)射新一代三軸穩(wěn)定靜止軌道氣象衛(wèi)星、日、歐提出將發(fā)展先進的對地觀測衛(wèi)星。專家們認為現(xiàn)在已進入氣象衛(wèi)星成熟發(fā)展和業(yè)務應用階段，社會經(jīng)濟效益更加顯著。
中國非常重視發(fā)展自己的氣象衛(wèi)星，先后進行了風云一號（FY-1）極軌氣象衛(wèi)星和風云二號（FY-2）靜止氣象衛(wèi)星的研制。在研制衛(wèi)星的同時建成了地面接收站和數(shù)據(jù)處理中心，并能接收國外氣象衛(wèi)星發(fā)送的云圖資料。
FY-1的可見光和紅外云圖清晰度與NOAA衛(wèi)星相當，可見光圖像地表特征清晰圖優(yōu)于NOAA衛(wèi)星，海洋遙感試驗獲得成功。
FY-2于1997年6月10日發(fā)射成功，可晝夜獲取可見光云圖及紅外云圖和水汽分布圖。FY-2和GMS-5圖像進行比較表明，衛(wèi)星圖像的空間分辨率無明顯差別，F(xiàn)Y-2經(jīng)外圖像的動態(tài)范圍比GMS-5設置合理，水汽圖像的灰級優(yōu)于GMS-5，相當國際同類氣象衛(wèi)星水平。
隨著海洋開發(fā)事業(yè)的發(fā)展，人類在海上的活動也日益頻繁。為了避免海難事故的發(fā)生，同時為了獲得最大的經(jīng)濟效益，人們非常需要了解和掌握海洋環(huán)境的現(xiàn)狀和可能的變化。通過海洋環(huán)境觀測可以在不同的時間尺度上，掌握海洋的狀況并作出預測。為此，1978年美國發(fā)射了第一顆海洋觀測衛(wèi)星（SEASAT-1），星上裝載了雷達高度表、風場散射計、合成孔徑雷達、掃描式多通道微波輻射計、可見光與紅外輻射計、對海面風向、風速、波高、波長、波譜、內(nèi)波、海洋表面溫度、大氣水含量、海冰覆蓋與海冰移動參數(shù)進行測量，同時還提供了云層位置、晴空海面溫度、云頂亮度等輔助參數(shù)，俄國、日本等國也相繼發(fā)射了海洋觀測衛(wèi)星。
由此不難看出，衛(wèi)星應用不論從國民經(jīng)濟、國防建設、文化教育、科學研究。直至人民生活都在發(fā)揮著最大效用，同時也有效地影響了一個國際、一個地區(qū)以至全球社會的進步、政治、經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展。
摘自《衛(wèi)星與網(wǎng)絡》2001.4
