2019年4月24日，是中國的第四個「航天日」，也是我國第一顆人造衛星「東方紅一號」發射49周年紀念日。小小的衛星，為何能受到如此「禮遇」？看完這篇文章，你就知道了。
1970年4月24日，中國第一顆人造地球衛星「東方紅一號」發射升空，標誌著中國成為世界上第五個用自製火箭發射國產衛星的國家。作為數量最多、用途最廣、發展最快的太空飛行器，各國航天事業都是以人造衛星為突破口向更高水平邁進的。首顆人造衛星的發射，無疑是中國航天史上的奠基性事件。
40多年來，中國的航天事業取得巨大發展，載人飛船、空間實驗室相繼升空，還即將在2022年迎來中國空間站。但人造衛星依然是航天科技中不可或缺的一環。
2016年3月8日，經國務院批覆同意：將每年4月24日設立為「中國航天日」。全國各地將會舉辦各種各樣的活動，讓更多人認識航天、了解航天。
今天，我們就從人造衛星入手，來了解一下中國航天科技的發展吧。
人造地球衛星簡稱人造衛星，是指環繞地球飛行並在空間軌道運行一圈以上的無人太空飛行器。
如何理解這個概念？這裡先要區分航空和航天。因為很多人會將二者相混淆。
簡單而言，航空是指載人或不載人的飛行器在地球大氣層內的航行活動，如熱氣球旅行、飛機飛行等。航天是指載人或不載人的飛行器在大氣層外空間的航行活動，如衛星拍照、新視野號飛掠冥王星等。
與之對應的，在地球大氣層內飛行的就是航空器，比如氣球、飛機；在地球大氣層外飛行（基本按天體力學規律運動）的就是太空飛行器，比如衛星、飛船。
人造地球衛星可以說是最基礎的太空飛行器。就像其他太空飛行器一樣，人造衛星需要在運載火箭的推動下獲得必要的速度進入大氣層外空間，然後在引力作用下完成類似於天體的軌道運動。
因為飛得高，飛得快，人造衛星可以突破地面地域的限制，獲得非常開闊的視野。沒有大氣層的阻礙，亦能更好地觀測地外空間（太空）。
在1957年10月蘇聯發射世界上第一顆人造地球衛星之後，我國於1958年啟動了衛星的預研工作，並在1970年4月24日成功發射第一顆人造地球衛星「東方紅」1號。該衛星用無線電波發送「東方紅」樂曲，是一顆聽得到和看得見的人造地球衛星。
至2019年，我國已經有將近200顆衛星在軌飛行並提供服務，數量位居世界第二。
早在本世紀初，我國的人造地球衛星就已形成四大應用衛星系列，即：近地軌道返回式遙感衛星、地球靜止軌道通信廣播衛星、太陽同步軌道和地球同步軌道氣象衛星、導航定位衛星。
我們或多或少都聽過它們的名字。
1、「東方紅」通信廣播衛星系列
作為衛星通信系統的空間部分，「東方紅」系列衛星無線電通信的重要中繼站，主要為通信、廣播、水利、交通、教育等部門提供各種服務。自1970年成功發射東方紅一號衛星後，我國在1984年4月8日又成功發射了東方紅二號，使中國成為了世界上第五個自行發射地球靜止軌道通信衛星的國家。這也實現了覆蓋全國的衛星信號傳輸，解決了當時的軍用通信和遠洋船隻的通信問題，改變了國內邊遠地區通信落後的狀況。
目前，具有世界先進水平的中國新一代通信衛星——超大容量寬帶通信衛星也計劃於2019年發射。該衛星採用東方紅五號衛星平臺。據悉，該平臺多項關鍵技術取得重大突破，並且，上面的絕大部分產品都將實現真正意義上的國產化。
同時，在通信衛星應用方面，中國空間技術研究院正全力推進「鴻雁星座」（全球低軌衛星移動通信與空間網際網路系統）計劃，致力於在全球範圍內提供移動終端通信、寬帶網際網路接入、物聯網、熱點信息推送、導航增強、航空航海監視等應用服務。通俗而言，鴻雁星座就是「把衛星作為網際網路的節點，把網際網路搬到天上去」，向全球用戶提供「無死角」的高速上網服務。該系統最終將包含300顆低軌道小衛星。
2、「風雲」氣象衛星系列
氣象衛星是一類可以從外層空間（太空）對地球及其大氣層進行氣象觀測的衛星，能夠向地面提供各種氣象資料。它的觀測範圍非常廣、次數多、時效快，且數據質量高，不受自然條件和地域條件限制，被廣泛應用於日常氣象業務（天氣預報）、環境監測、防災減災、大氣科學、海洋學和水文學的研究。
我國目前已發射17顆氣象衛星，包括風雲一號、三號太陽同步軌道衛星和風雲二號、四號地球靜止軌道衛星兩大類。太陽同步軌道衛星的飛行軌跡會經過地球南北兩極，能夠獲取全球觀測數據，每天掃描全球兩次。而靜止軌道衛星只能觀測地球表面1/3的固定區域，但可做到高頻次觀測（小區域觀測可達分鐘級）。
隨著觀測時間、空間解析度的不斷提高，我國的氣象衛星已經從圖像觀測逐步升級到三維探測和全天候觀測。可以想見，未來氣象衛星還將繼續在天氣預報預警和氣象研究方面發揮更大作用。
圖註：風雲二號E星拍攝印度洋兩個氣旋（2013，來自維基百科）
3、「北鬥」導航定位衛星系列
「北鬥」系列衛星是中國自主建設、獨立運行的衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施。該系統包括在中國境內服務的北鬥一號、為亞太地區提供服務的北鬥二號、以及正在建設中的為全球提供服務的北鬥三號。2018年12月27日，國務院新聞發布會宣布，北鬥三號正式提供全球服務。
除了為公路、鐵路交通及海上作業等領域提供導航定位和授時服務，北鬥系統還加入了短報文傳送（通信）功能。該功能允許用戶通過衛星傳送文字信息，讓用戶不僅知道自己的位置，還能將這個位置發送出去。這在遠洋航行中有重要的應用價值。該功能在汶川地震救援和各種災害救援中也起到了極大的作用，挽救了無數生命。
根據系統建設總體規劃，我國將於2020年前後完成5顆靜止軌道衛星（同步衛星）和30顆非靜止軌道衛星組網，全面建成北鬥三號系統。該系統使用北鬥系統獨有的、由三種不同類型的軌道衛星（傾斜地球同步軌道衛星、中圓地球軌道衛星、地球同步軌道衛星）組成的混合組網設計，將有效增加亞太地區衛星可見數，為亞太地區提供更好的服務。
4、返回式遙感衛星系列
中國的返回式衛星系列稱為FSW （Fanhui Shi Weixing）。該系列沒有響亮的名字，卻是航天家族中非常重要的成員。其特點是在軌道上完成任務後，部分結構會返回地面。我國自1966年開始研製，目前已經發射了25次，其中24顆衛星順利入軌，23顆成功回收。
這類衛星最基本的用途是照相偵察。比起航空照片，衛星照片的視野更廣闊、效率更高。早期由於技術所限，必需利用底片才能拍攝高清晰度的照片，因此必需讓衛星帶同底片或用回收筒將底片送回地面進行衝灑和分析。各個航天大國都曾利用返回式衛星作軍事偵察及國土普查用途。現在由於可從衛星上直接傳送影像數據到地面，返回式衛星的功能又演變為進行需要回收實驗品的空間試驗室。中國神舟系列飛船的返回參數就大部分來自此種類型衛星的實驗。
可以說，返回式衛星是中國最成功的航天計劃之一。中國是繼美國、前蘇聯後，第三個有能力自行研發及發射返回式衛星的國家。
除了這四大應用衛星系列，我國還有「資源」地球資源衛星系列，「實踐」科學探測與技術試驗衛星系列，海洋衛星系列等。
其中，資源衛星是用於勘測和研究地球自然資源的衛星，可分陸地資源衛星和海洋資源衛星。憑藉其上裝載的多光譜遙感設備，它能「看透」地層，發現人們肉眼看不到的礦藏、歷史古蹟、地層結構，並能普查農作物、森林、海洋、空氣等資源，預報各種嚴重的自然災害，如火山噴發、河水泛濫、海岸變遷、森林大火等。我國已陸續發射了資源一號、資源二號和資源三號衛星。
科學探測與技術試驗衛星主要目的是探測地球空間物理參數性質、深空物理參數、宇宙射線、新材料性能驗證試驗等，極大地推動了中國空間物理研究。
海洋衛星則主要用於為海岸帶資源開發、海洋生物和資源的開發利用、海洋水色色素的探測、海洋汙染監測與防治、海洋科學研究等領域服務。
還有更多人造衛星系列，比如嫦娥系列探月衛星（嫦娥一號、嫦娥二號）、高分系列對地觀測衛星等，在此無法一一列舉。
實際上，隨著衛星技術的發展和應用需求的增加，現在的人造衛星功能越來越多，用途越來越廣，已很難再簡單分類。各個衛星系列的作用也經常有重疊之處，應用衛星也可以有科研用途。我們無時無刻不在享用著衛星的服務，電話、電視、地圖、天氣預報、上網等，都有衛星在背後默默支持。
此外，我們還會在新聞中看到一些非常「硬核」的科學衛星，例如 「慧眼」硬X射線調製望遠鏡衛星、「悟空」暗物質粒子探測衛星、「墨子」量子科學實驗衛星，以及今年將發射的用於探測引力波的「天琴一號」技術驗證試驗衛星等。這些「高端」成員看似離我們的生活非常遙遠，但研究的都是我們宇宙中最基本的問題，關係著基礎科學的發展，一旦獲得突破，將對人類文明進程產生不可估量的影響。
今年的「航天日」主題是「逐夢航天，合作共贏」，旨在號召廣大科技工作者、航天工作者努力奔跑，爭做新時代的追夢人和奮鬥者，加快推動中國航天發展，並與世界各國一道，為和平利用太空、增進人類福祉貢獻更多中國智慧、中國方案、中國力量。
在此期間，全國圍繞該主題舉辦了一系列活動，覆蓋30多個省、自治區、直轄市以及香港和澳門兩個特別行政區。大批航天展館、設施、實驗室、車間集中向社會公眾和中小學生開放，一批院士專家走進大中小學，為青少年進行科普宣講。同時，來自世界50多個國家的200多位專家學者和官員參加了在湖南舉辦的主場活動，共同交流和探討後續的航天合作。
相信未來中國航天還會不斷爆發出新力量，我們會享受到越來越多、越來越好的衛星服務。
作者 | 高佩雯 凝聚態物理博士
審稿 | 張章 北京空間機電研究所 高級工程師
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參考文獻：
1、 李紅軍等，《航空航天概論》，北京航空航天大學出版社（2011）
2、 萬志強、朱斯巖等，《認識航空》，化學工業出版社（2017）
3、 宋筆鋒等，《航空航天技術概論》，國防工業出版社（2006）