航天颠覆性技术之载荷篇

摘要：对地观测卫星的发展，经历了一个从胶片走向数字传输的过程。在对地观测卫星技术发展早期，主要是为了军事侦察服务。美国先后实施了科罗娜、发现者侦察卫星计划，终极产品就是锁眼7卫星，也称为“大鸟”。苏联先后发射过多颗“天顶”系列卫星。这些卫星的主要特点，是携带大量胶片

对地观测卫星的发展，经历了一个从胶片走向数字传输的过程。在对地观测卫星技术发展早期，主要是为了军事侦察服务。美国先后实施了科罗娜、发现者侦察卫星计划，终极产品就是锁眼7卫星，也称为“大鸟”。苏联先后发射过多颗“天顶”系列卫星。这些卫星的主要特点，是携带大量胶片上天，拍完一卷之后返回地球。早期卫星只有一个胶卷舱，拍完之后，相机就成了“没有子弹的枪”，只能报废。为了解决这个问题，美苏都研发了多舱卫星，一颗卫星携带好几个胶卷舱，拍完一个返回一个。“大鸟”卫星就携带了4个胶卷舱。

大鸟卫星及其返回舱

但是，胶卷再多，也有用完的时候。更重要的是，地面上的用户单位必须等到胶卷返回，才能看到信息。有些时效性比较强的需求，就指望不上卫星了。

其实，早在1926年，人类就发明了电视。1936年，英国广播公司就开始了电视节目的播放。但是要把电视摄像技术搬到卫星上，尝试着取代胶卷，就要等到1960年了。那一年，美国发射了气象卫星泰罗斯一号。它携带了两部电视摄像机，把大气层的活动情况拍摄下来，传输回地球。虽然分辨率很低，但是对气象的应用已经可以提供宝贵信息了。重要的是，泰罗斯一号回传图像的时效性很高，让人们看到了传输型卫星的价值。

采用传输技术的泰罗斯卫星

1966年，美国宇航局发起地球资源卫星计划，打算研制一系列传输型对地观测卫星。卫星不再采用电视摄像机，而是专门研制的光谱扫描仪。这项工程的产物，就是著名的陆地资源卫星系列。1972年7月23日发射的陆地资源卫星一号，可以认为是人类第一颗传输型遥感卫星。它的观测对象不是大气，而是地表，包括陆地、水体。这类卫星的分辨率需求要比气象卫星高得多。陆地资源卫星的数据广泛发放给世界各地的研究机构，促成了遥感事业的大发展。

陆地资源卫星五号采用传输技术

受到陆地资源卫星的鼓舞，法国在上世纪80年代推出了SPOT卫星系列，把传输型对地观测卫星的服务商业化，并且提供了较高分辨率的图像。

法国SPOT-1卫星采用传输技术

在军用领域，传输型卫星的发展其实还略晚一些。这主要是因为军事情报对分辨率的要求比较高，即使陆地卫星的时效性比较好，图像的分辨率也无法满足军事需求。美国和苏联都考虑过，用载人空间站携带侦察员，到太空观察地面军情，然后打电话汇报。这催生了美国的“天空实验室”和苏联的“钻石”空间站。但是载人飞行的庞大成本，让美苏先后放弃了太空侦察兵的想法。美国转向了研究传输型侦察卫星KH-11。这个型号1976年首次发射就大获成功，让美军坚定了放弃胶片型卫星的决心。

人们普遍推测哈勃望远镜与KH-11传输型侦察卫星结构相同

苏联/俄罗斯因为电子技术落后，直到21世纪还在发射返回式卫星,但近年来也已经完全转向传输型卫星，无论军民都是如此。

如今，传输型卫星已经成为对地观测卫星的唯一技术路线。

卫星通信发明之初，都是为政府或者大型机构服务的。虽然广大电视观众也能享受到卫星转播的节目，比如奥运会，不过卫星天线都属于电视台之类的媒体机构，而不是装在观众家里。在很长一段时间里，只有很少数居住在边远地区的普通人，或者卫星通信爱好者，才拥有自己的卫星天线，可以接收电视节目,其他人都要依靠有线电视来享受视频内容。

但是在很多国家的很多地方，有线电视的覆盖范围是有限的。一大批居住在农业区、牧区、山区和海岛上的人们，无法接入有线电视网，所以他们几乎是看不成电视的。这些人不用卫星天线来接收电视节目，主要是因为传统的卫星信号功率不算很强，需要大口径天线才能接收；这样的天线比较昂贵，安装使用都比较复杂，一般人买不起也玩不转；卫星通信模式是为电视台服务的，并不是我们熟悉的、编辑好的电视节目。

1994年6月，美国DIRECTV公司开张营业，这家企业采用当时非常先进的休斯HS-601平台，研制了3颗卫星，实现了直接向普通用户投送卫星电视节目。

卫星直播的原理

DIRECTV公司能做到这一点，是因为突破了几项关键技术。例如，每颗卫星装有16个Ku频段转发器，功率达到空前的120瓦，这样在地球表面接收到的信号强度就比较大，用几十厘米口径的天线就能接收到，而且信号质量不错。另外，DIRECTV公司采用了当时较为先进的MPEG-1数字压缩技术，每个转发器都能传送4~8个电视频道，整颗卫星能容纳175个数字频道。这样一来，每个频道需要分摊的卫星建造和运行费用就大幅降低，体现到电视用户身上，就是每个频道的费用都不算太贵。小口径的用户终端价钱也相当便宜，电视台为了扩大用户，甚至发起了充年费送终端的活动，于是电视直播产业一炮打响。今天，电视直播已经成为卫星通信广播行业主要的收入来源。

DIRECTV 开创了卫星通信广播新时代

高通量卫星出现在2011年，由美国卫讯公司第一个实现。它的主要特点就是把天地通信的波束控制得非常狭窄，每个覆盖区的面积都很小，集中了大数值的频率和功率，让地面终端可以实现很高的通信速率。此前的通信卫星因为技术发展的阶段性问题，只能用比较宽大的波束覆盖广阔的地面，因此要把优先的频率资源和发射功率分散给大量用户，每个人只能分到一点点，通信速率很低。高通量卫星解决了这个问题，具体来说，要突破多点波束、码分多址、频率复用和高波束增益等关键技术，把优先的频率资源用更高的效率让更多的人分享，就像高速公路上的车道一样。

高通量卫星的多点波束覆盖

卫讯公司的第三代卫星卫讯 -3

直播卫星属于广播服务，用户单向接收信息。而高通量卫星技术属于接入服务，用户可收可发，这给卫星宽带互联网的普及创造了条件，也把卫星通信产业向前推进了一大步。但有趣的是，这项创新却在一段时间里让卫星制造和运营产业自身陷入了麻烦。一颗高通量卫星可以抵得上好几颗传统通信卫星，有人甚至认为抵得上20颗。于是，市场不再需要那么多卫星、那么多轨道位置了，这迫使卫星制造商纷纷转型。世界上最大的卫星运营商国际通信卫星公司手里的50多个轨道位置，一下子从炙手可热的资源变成了待盘活资产。但是我们相信，随着人们对通信带宽无止境的需求，高通量卫星的发射数量会越来越多，轨道位置的价值依然是有很高含金量的。

无论美国还是苏联，早期卫星都是采用蓄电池供电的，包括“斯普特尼克”和“探索者一号”都是如此。然而，早在1945年，著名科学家和科幻作家亚瑟·克拉克就认为，人类在宇宙里长期活动，最终还是要靠太阳直接提供能量。到了1955年，有人把这句话重新说了一遍，从而催生了第一颗使用太阳电池的卫星，也就是“先锋一号”。说话的这个人，是德国工程师齐格勒。

先锋一号卫星携带了最早的硅太阳电池

1940年，美国贝尔实验室就推出了硅基太阳能电池，比亚瑟·克拉克的预言还早5年。但是早期太阳电池的效率很低，只有1%。后来，贝尔实验室把效率提高到6%，却又无法解决成本问题，找不到用途。

1947年，齐格勒跟随冯·布劳恩抵达美国，加入了美国陆军通信兵实验室，并于1954年成为美国公民。此后，他一直在美国陆军电子领域担当重要角色，于1963年成为美国陆军电子司令部科学副部长和首席科学家，1971年开始担任美国陆军电子技术和设备实验室主任，直到退休。

齐格勒一直主张大力应用太阳能电池，根据他的计算，硅太阳电池的效率在太空中可以达到10%左右。这样算来，和蓄电池相比，卫星上的太阳电池可以用更轻的发射重量提供相同的电力。至于太阳电池的寿命，当时还没人敢下结论。不过“先锋一号”入轨之后，太阳电池的必要性就再也没人质疑了。“先锋一号”在星体外侧的太阳电池一直工作到1965年。而在它之前发射的美国第一颗卫星，也就是“探索者一号”，仅仅工作了一个月。从那之后，美国发射的卫星都以太阳电池为电力来源。

虽然美国在硅太阳电池时代取得了第一个突破，但换代技术，也就是砷化镓太阳电池，却是苏联突破的。

1965年，苏联发射的金星三号探测器采用了砷化镓电池。根据有关文献记载，这个选择的主要理由是砷化镓在高温环境中的表现更好。在探测器上，安装了两块2平方米的太阳能电池板。

金星三号是第一个采用砷化镓电池的航天器

不过砷化镓电池第一次引发轰动，是在月球车1号上。这是人类第一个成功软着陆外星的无人驾驶漫游车。相比之下，阿波罗计划的漫游车不但要靠人驾驶，还使用了蓄电池，只能承担短期任务。

月球车1号在顶部安装了一大块砷化镓电池，就像锅盖一样，落月之后展开，为设备发电。月球车1号携带了大量仪器设备，8×8的驱动结构也比较耗电，因此一块砷化镓电池并不能提供充裕电力。即使在阳光炙烈的白天，月球车1号偶尔也要停下来，用太阳电池把蓄电池充满。到了夜间，太阳电池就没法工作了。月球车1号内部还安装了同位素核热发电设备，在月夜期间，靠它来发热，保证电子设备的健康以及持续运行。两套发电设施的共同使用，让月球车1号持续工作了一年多，也为砷化镓太阳电池的应用前景奠定了基础。