1957年10月4日，正值東西方陣營冷戰巔峰時刻，斯普特尼克1號（衛星1號，Sputnik）從蘇聯拜科努爾航天中心秘密升空。在短短10餘分鐘後，人類首枚航天運載火箭將這顆衛星送入太空，鋪天蓋地的新聞瞬間從蘇聯湧向全球，震驚世人。
斯普特尼克一號衛星（圖源：公共版權）
地球從此進入了人造地球衛星時代：在此前的超過45億年內，地球只有一顆天然衛星，月球。斯普特尼克1號，成為人類這種智慧生命送給地球母親的另一顆衛星。它揭開了一個人類航天史的大幕，截至2020年，已經有超過1萬個人造物體在環繞地球。
它帶給世人的衝擊是驚人的，尤其是西方陣營的領導者，美國。衛星進入太空後，距離地球最近僅為215千米，只需要96分鐘就能圍繞地球一周，這也意味著它的軌跡之下，一定有美國本土或海外領地。從當天的紐約時報標題就可以看出這種衝擊：《蘇聯首個衛星進入太空，以18000英裡時速環繞地球，每天從美國上空經過4次！》。
轟轟烈烈的航天競賽開始。對於衛星而言，它確實擁有一系列地球表面人造飛行器遠遠不具備的優勢：
1.衛星一旦被送入軌道後，地球引力便會起到向心力效果，在沒有幹擾情況下衛星幾乎可以無限時間圍繞地球飛行。例如，中國在1970年發射的東方紅1號衛星，至今仍在飛行。
2.絕大部分衛星在太空中可以方便從太陽獲得能量，完全不受天氣等因素影響，而太陽的能量是近乎無窮的。這意味著衛星的壽命基本只取決於元器件的壽命，美國著名的GOES-3衛星曾經在太空中連續工作了38年（1978-2016）！而大名鼎鼎的旅行者一號和二號，則依靠核電池在太空已經工作了43年、且仍在工作，它們在飛出太陽系的路上！
1977年發射後，旅行者一號和二號一直工作至今（圖源：NASA）
3.衛星運動速度極快，對於環繞地球的衛星而言，一般在3.6-7.7千米/秒之間，很快就能繞地球一圈。它的高度也一般在200-36000千米之間，「站得高看得遠」。它收集信息的速度遠遠超過任何一種傳統方式。
4.衛星可以攜帶各種各樣的有效載荷，起到完全不同的功能，擴展空間極大。
早期的衛星大都處在航天技術驗證階段，它們的基本功能也僅是廣播和簡單科學實驗等。但很快它的各種潛力被開發出來，隨著人類航天走過63年，衛星的家族也越來越廣，分類方法更是多種多樣。本文主要從應用方面進行區分，目前的衛星種類主要有以下這些。
一、通信衛星
顧名思義，通信衛星就是現代社會的傳遞信息的「烽火臺」和「千裡馬」，它的本質工作是將信息高效準確在用戶之間傳遞。而人類需要的信息種類可以用海量來形容，電視和直播數據、移動通信數據、廣播數據、網際網路數據，甚至月球和火星上著陸器/巡視器的科學研究數據，都需要通信衛星負責傳遞。因而，通信衛星是人類研究最早、研究最為深入、種類最為繁多的衛星類型。
按照不同需求，通信衛星使用的軌道面也囊括了幾乎所有類型。最為人所知的是位於赤道上空35786千米的靜止地球軌道，軌道周期與地球自轉同步，從地面看來是永遠固定的「烽火臺」，適合大型通信衛星工作。且由於登高望遠，一顆可覆蓋約40%地球面積，僅需要三顆就能實現全球覆蓋，著名的中星系列、天璉系列、鑫諾系列都是做此用途。
一顆典型的Viasat2通信衛星（圖源：公共版權）
俄羅斯由於高緯度地區領土遼闊，無法通過靜止地球軌道有效服務，發射了極具特色的閃電軌道通信衛星，讓衛星長時間滯留北半球高緯度地區上空。近些年的低軌通信衛星網絡也非常火熱，SpaceX的星鏈計劃部署40000餘顆衛星提供全球網際網路服務。而中國發射到月球的鵲橋號，和即將發射到火星的天問一號任務環繞器，本質上也起到信號中繼的作用。
二、導航衛星
通信衛星是一種典型的用戶-衛星-用戶雙向信息傳遞模式，導航衛星是通信衛星的衍生應用，不過目前全球的主流導航衛星都是衛星-用戶單向信息傳遞方式。衛星僅需要向地面不斷播報自身的精確位置和時間，用戶接收到超過3顆衛星數據時，就可算出與衛星的精確距離，從而建立方程組解算出三維坐標和時間信息。由於用戶全程不需要跟衛星互動交流，理論上講用戶數量是無限的，這就好比電臺不需要在乎有多少用戶在收聽。導航衛星一般部署在距離地球20000千米附近的高空，每隔約12小時繞地球一圈，24顆足以滿足理想的定位服務要求。
導航衛星的應用價值極大，它可以實現全天候、全天時、全球覆蓋的高精度導航定位授時服務，已經完全顛覆了人類個人出行和物流的方式，人類已經完全無法離開美國GPS、中國北鬥、歐洲伽利略、俄羅斯GLONASS等著名的系統，也培養出了巨大的商業應用市場，甚至遠超通信衛星市場。
中國北鬥衛星導航系統（圖源：中國北鬥辦）
值得一提的是中國北鬥衛星導航系統，經過26年的發展，已經於2020年6月完全建成。它是唯一包括中遠地球軌道和同步地球軌道（傾斜+靜止）的系統，其中同步地球軌道可以提供類似通信衛星的雙向信息傳遞的短報文服務，獨具特色。
三、氣象衛星
地球上幾乎所有的陸地生物都只能生活在大氣層的底部，對流層，這裡的天氣雲波詭譎，變幻莫測。對於對氣象極其敏感的行業，例如農林牧漁，天氣的預報精度是決定性的。而氣象衛星有它獨到的優勢：飛得高，一覽眾山小。因而，氣象衛星幾乎是人類進入航天時代後第一時間開始研發的重要衛星類型，且經過這麼多年的發展，已經完全融入了每個人的生活，甚至當你看天氣預報時，根本沒有意識到是它的功勞。
著名的微信開機畫面「變臉」事件，右圖背景就是風雲四號A星拍攝的實景（圖源：微信）
在實際應用中，定位於赤道上空靜止地球軌道的氣象衛星極其重要，它可以穩定凝視固定的大片區域。例如，風雲四號衛星可以實時在各種波段觀測整個中國大陸，由於視角固定，任何一絲相對的變化都可以審視清楚。然而由於距離地球表面太遠（35786千米），很難觀察清楚細節。因此還需要搭配低軌極地軌道衛星，高度僅850千米左右的風雲三號系列，可以在100分鐘左右繞地球一圈，數顆衛星即可實現對中國高時效高解析度的「明察秋毫」。這些年來中國在農林牧漁和防災減災領域的極大突破，它們功不可沒。
四、遙感衛星
相比巨大的地球，人類的活動範圍實際上是微不足道的，城市建成面積甚至不足陸地面積的1%，更何況還有更為廣袤的海洋。人類的各種探索工具，汽車、輪船和飛機，也根本不可能進行全覆蓋、高時效性的全面觀測。航天時代提供了絕佳的方案，通過大量低軌衛星（300-2000千米高）攜帶各類科研儀器，它們可以在極短時間內飛過地球一圈。且衛星壽命一般可以長達數年，能長期穩定提供海量觀測數據，遠遠超過人類的任何一種其他工具。
歐洲Envisat是一顆綜合對地觀測衛星（圖源：ESA）
典型應用如高分系列、資源系列、海洋系列，它們在國土勘查、資源勘探、防災減災、農林牧漁等領域發揮了巨大的作用，是人們安居樂業生活背後的守護神。
五、科學衛星
科學是人類探索未知領域的鑰匙。由於人類有太多的未知，科學的種類也自然五花八門。航天時代的到來，也同樣顛覆了無數科學領域的發展模式。例如天文學、物理學、地球科學領域，在進行地面實驗時，它們往往深受大氣層、地球重力、地表空間環境等因素幹擾。進入太空之後則是完全不同的情況，這裡幾乎沒有重力、沒有大氣、還有最原始的太陽和宇宙輻射環境，且能夠登高望遠，最大限度記錄真實的數據。
哈勃太空望遠鏡（圖源：NASA）
例如大名鼎鼎的太空望遠鏡系列，哈勃、施皮茨、赫歇爾、蓋亞、克卜勒等，極大拓展了天文學發展。中國同樣如此，悟空和慧眼等讓我們有機會看到宇宙深處的秘密。而在地球重力場、全球磁場、大氣研究、地表地下水循環、冰架冰川變化、氣候變遷等領域，眾多科學衛星不僅實現了前所未有的覆蓋，也實現了前所未有的精度。返回式衛星的出現，也允許農業育種、高新材料製備、生物實驗等在太空進行後，返回地球進一步處理，極大豐富了相關行業的發展空間。
科學類探測器也是人類研究宇宙中鄰居的最好工具，人類把科學探索的腳步送到了月球、太陽系八大行星、眾多矮行星和小行星、彗星、太陽，甚至在飛出太陽系的旅途中。這些目標深空的科學類探測器也成為最好的人類使者。
六、軍用衛星
人類航天的出發點是服務於軍事的V2飛彈/火箭，後續的很多任務定位亦是如此，可以說軍事衛星是所有衛星種類出現的基本出發點。因而軍用衛星基本涵蓋了所有的上述種類。不過相較而言，軍事衛星的最大特點是極度昂貴，它不僅要追求極致的性能，也要追求極致的安全性，例如抗幹擾能力等，這導致軍用衛星的價格讓人咂舌。
鎖眼衛星在1984年拍攝的軍事造船廠高清圖片（圖源：公共版權）
軍用衛星也換回了相應的價值，也造福了民用領域。例如，大名鼎鼎的鎖眼系列早在70-80年代就能返回超高清的軍事基地圖片，以至於後續的哈勃太空望遠鏡就是在它的基礎上改進而來的民用版本，一直服役30年之久。而哈勃望遠鏡幾乎以一己之力，推動了人類天文學大飛躍。廣泛使用的GPS系統，直到今天依然是隸屬於美國空軍的軍用系統，只不過開放了部分民用而已。
可以說，軍用衛星，永遠代表著一個國家航天實力的最巔峰。
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本文是航天系列科普24講第9篇，全部文章將在一年內更新完畢，敬請期待！
系列文章：
[1]航天到底能做什麼？
[2]航天究竟是怎樣一個行業？
[3]火箭，擺脫地球引力的起點
[4]火箭發動機，為什麼這麼難？
[5]火箭如何選擇發射場和發射方式？
[6]土星5號，人類火箭巨無霸！
[7]「兩彈一星」孕育出的長徵火箭
[8]長徵火箭家族簡歷