是的，在天空中，太空镜子在地球上蹦蹦跳的电话， 天上的指南针帮助我们回家——这只是其中的三个 事情 卫星 为我们做。当您凝视时 在灿烂的蓝色日子里，您可能会看到飞机或 两个留下了蒸汽痕迹。但你是 不可能 看到所有数千颗精心设计的卫星，一些 像你的手一样小，有些像 卡车，在你头顶高处的轨道上旋转。“眼不见，出去 心灵“可能是我们选择卫星的原因之一 当然，尽管它们在电视的所有内容中都起着至关重要的作用 广播和跨大陆电话到天气 预测和互联网。究竟什么是卫星以及如何 行得通吗?让我们仔细看看!

　　照片：美国宇航局的 红外天文卫星 实际上是太空中的遥控望远镜，用红外光测量天空。 除此之外，它还发现了六颗新彗星。图片由 美国宇航局在下议院.

　　什么是卫星?

　　一个 卫星 不一定是锡罐旋转 通过太空。“卫星”这个词比这更笼统：它 指在循环(轨道)中移动的较小的天体 围绕较大的物体。月球是地球的天然卫星，因为 例如，因为 重力 将其锁定在我们星球周围的轨道上。锡 我们认为卫星的罐头实际上是人造的(人造的) 以精确计算的路径移动的卫星，圆形或 椭圆形(椭圆形)，与地球距离不同，通常很好 在大气层之外。

　　我们将卫星送入太空以克服 地球的地理——它帮助我们走出地球的生活。 如果你想从北极打电话，你可以发射一个 使用通信向空间发出信号并再次返回 卫星作为镜子将信号反射回 地球及其目的地。如果您想调查作物或 海洋温度，你可以从飞机上做到，但卫星可以 捕获更多数据的速度更快，因为它更高、更远 離開。同样，如果你想开车去你从未去过的地方 以前，你可以研究地图或向随机陌生人问路， 或者你可以使用来自卫星的信号来指导你。 简而言之，卫星帮助我们精确地生活在地球的极限内 因为他们自己坐着 外面 他们。

　　照片：航天飞机于1995年通过陀螺仪旋转从其有效载荷舱发射了一颗通信卫星。你可以看到地球就在后面。图片由 美国宇航局在下议院.

　　卫星为我们做了什么?

　　我们倾向于根据卫星所做的工作对卫星进行分组 或它们遵循的轨道。然而，这两件事是非常 密切相关，因为卫星所做的工作通常决定了 它离地球有多远，它必须移动多快， 以及它必须遵循的轨道。卫星的三个主要用途是：

　　通信

　　摄影、成像和科学测量

　　导航

　　现在，我们将更详细地了解其中的每一个。

　　通信

　　照片：1980年代的典型通信卫星。蓝色方块是 太阳能电池板 提供电力。白色圆圈是发送和接收 天线.图片由 NASA Glenn研究中心(NASA-GRC).

　　通信卫星主要用于中继 无线电波 从地球上的一个地方到另一个地方，捕捉发射信号 从地面站(基于地球的卫星天线)到他们， 放大它们，使它们有足够的力量继续(和 以其他方式修改它们)，然后将它们弹回去 到其他地方的第二个地面站。这些信号可以携带 任何无线电信号都可以在地面上携带，从 电话 和 互联网 广播和电视广播的数据。通信 卫星基本上克服了发送无线电波的问题， 以直线拍摄，围绕我们的曲线 换句话说，行星——洲际信号。他们也是 适用于与普通地区的偏远地区进行通信 有线或无线通信无法到达。使用呼叫 传统的固定电话(有线电话)，你需要一个非常复杂的 电线和交换网络，以形成完整的物理电路 从发送方一直到接收方;与一个 手机你 可以在任何可以获得信号的地方进行通信，但是您和接收器 两者都需要在手机桅杆的范围内;但是，随着 一部卫星电话，你可以在珠穆朗玛峰之巅或深处 亚马逊丛林。你完全没有任何类型的 电信“基础设施”，为您提供地理 自由和即时沟通能力(您不必等待) 让某人串起电话线或设置手机桅杆)。

　　最著名的现代通信卫星系统可能是国际海事卫星组织和国际通信卫星组织。 国际海事卫星组织最初是用于船舶，飞机和其他旅行者的卫星系统， 尽管它现在还有许多其他用途。国际通信卫星组织是一个国际财团，拥有并运营着几十个 提供国际广播等功能的通信卫星 和卫星宽带互联网。

　　通信卫星如何工作?

　　他们做什么?

　　通信卫星是“太空镜”，可以帮助我们反弹无线电、电视、互联网数据和其他种类。 从地球一侧到另一侧的信息。

　　上行链路和下行链路

　　如果您想从地球的一侧发送诸如电视广播之类的东西到 其他，涉及三个阶段。首先，有 上行哪里 数据从地球上的地面站传送到卫星。接下来， 卫星使用多个机载处理数据 转发器 (无线电接收器、放大器和发射器)。这些增强传入信号和 更改它们的频率，这样传入信号就不会与传出信号混淆。 同一卫星中的不同转发器用于处理不同频率承载的不同电视台。 最后，还有 下行，在那里数据被发送回地球上其他地方的另一个地面站。虽然通常只有一个上行链路，但可能有数百万个下行链路，例如， 如果许多人同时接收相同的卫星电视信号。 虽然通信卫星可能会在一个发送方和 接收器(发射到太空并再次返回， 对于一个上行链路和一个下行链路)，卫星广播通常涉及一个或多个上行链路(对于一个或多个上行链路) 电视频道)和多个下行链路(到地面站或单个卫星电视用户)。

　　插图：通信卫星将信号从地球的一侧反射到另一侧，有点像太空中的巨型镜子。地面卫星发射碟(红色)将信号发射到卫星的接收碟(黄色)。 卫星增强信号并将其从发射盘(红色)发送回地球 地球上其他地方的接收盘(黄色)。由于整个过程使用 收音机 波浪，以 光，这种“卫星中继”通常最多不超过几秒钟。卫星上的各种发射器和接收器 在地球上是例子 天线.

　　卫星就像任何其他车辆一样，因为它们有两个 主要部分：通用车辆本身及其具体事物 携带(有效载荷)来完成其独特的工作。“车辆”部分 卫星称为总线，它包括外壳， 提供电力、遥测(a 远程控制系统，从 卫星到地球，作战指挥回到另一个 方向)，火箭推进器以使其保持在适当的位置，并反射 材料或其他系统(“热管”)以保护其免受 太阳辐射和散热。有效负载可能包括 通信卫星、计算机和原子的应答器 为导航卫星生成时间信号的时钟， 相机和 计算机将图像返回到数字数据以进行摄影 卫星，等等。

　　卫星里面有什么?

　　艺术品：通信卫星。来自美国专利：#3，559，919：有源通信卫星，由美国专利商标局提供。

　　这些是非常复杂和昂贵的机器，带有大量的电子位 和碎片塞进去，但我们不要太纠结于细节：基本思想非常简单。在这个典型卫星的外部视图中，来自德国工程师汉斯·萨斯(Hans Sass)于1968年申请的专利(美国专利：#3，559，919：有源通信卫星)，您可以看到所有主要部分，并且很容易弄清楚它们的作用。

　　我已经在图表上留下了原始数字，我不会费心将它们全部标记出来，因为有些是显而易见的，有些是其他数字的重复。最有趣的部分是为卫星供电的折叠式太阳能电池板，收集来自地球的信号并将其发送回去的发送和接收天线，以及始终使卫星保持在正确位置的电机和发动机：

　　4：用于发送/接收信号的大型抛物面碟形天线。(橙色)

　　5：用于发送/接收信号的小型抛物面碟形天线。(橙色)

　　6：降低四个太阳能电池板的太阳能“电池”。(红色)

　　7：另外四个太阳能电池板的上部太阳能“电池”。(红色)

　　8：支持卫星进入轨道后折叠下部太阳能电池板。(灰褐色)

　　9：支持折叠上部太阳能电池板。(灰褐色)

　　10：主卫星火箭发动机。(浅蓝色)

　　11, 12, 15, 17：小型控制引擎使卫星保持其精确位置、旋转和轨道。(绿色)

　　摄影、成像和科学测量

　　照片：卫星摄影帮助科学家了解我们的变化 行星。这张图片显示了阿拉斯加的哥伦比亚冰川。通过将其与 从同一视角拍摄的早期图像，我们可以测量速率 哪 气候变化 正在发生。 图片由Lauren Dauphin使用美国地质调查局的Landsat数据提供。 图片由 美国宇航局地球天文台.

　　不是很多年前，报纸曾经是恐慌的 关于太空中可以阅读报纸的间谍卫星的故事 在你的肩膀上。如今，我们都可以访问卫星照片， 尽管不是那么详细：它们内置于搜索引擎中 像谷歌和必应一样，它们经常出现在新闻中(给 我们即时的视觉印象，例如 消失的热带雨林 或 海啸破坏)和天气预报。科学卫星在 与摄影方式相似，但不是捕捉简单的 视觉图像，系统地收集大量其他类型的数据 全球地区。

　　有许多有趣的科学 过去几十年的卫星任务。美国宇航局的 托佩克斯/波塞冬 和杰森 例如，卫星定期测量海平面 自 1990 年代初以来。 海维 (有效至2010年)扫描颜色 海洋测量浮游生物和海洋中的营养活动。 顾名思义，一颗气象卫星叫做 三元 (热带 降雨量测量任务)从1997年开始监测赤道附近的降雨 到2015年。截至2016年，美国宇航局列出了25个正在进行的卫星任务 其网站，包括 卡利普索 (研究云和气溶胶如何相互作用); 雨云 (利用卫星数据对天气和气候进行长期科学研究);并且， 运行时间最长，也许是最著名的科学卫星 史无前例， 陆地卫星，由八颗卫星组成的系列，自 1972 年以来一直在不断绘制和监测地球土地利用的变化。

　　照片：美国宇航局的 杰森-3 卫星于2016年1月发射，是一个长期运行的项目的一部分，该项目旨在监测地球海洋表面的高度，产生 研究地球气候的宝贵数据。它的主要仪器是非常复杂的 雷达 高度表.艺术家印象由 美国宇航局喷气推进实验室.

　　导航

　　最后，我们大多数人都拥有支持GPS的手机和“卫星导航” 我们汽车中的设备熟悉卫星像天空一样的行为方式 圆规;你会发现GPS，Glonass和类似的系统在讨论 在我们的文章中有更多详细信息 卫星导航.

　　卫星轨道

　　关于卫星最令人惊讶的事情之一是 它们在地球上空非常不同的高度遵循不同的路径。 如果任其自生自灭，发射到太空的卫星可能会退回 对地球来说，就像一块石头被抛向空中一样。为了阻止它 发生时，卫星必须一直保持移动，因此即使 尽管重力在拉扯着他们，但他们从未真正过。 坠回地球。有些以与地球相同的自转速度转动 所以它们有效地固定在我们头顶的一个位置;别人 走得更快。虽然有很多不同类型的卫星 轨道，它们有三种基本品种，低、中、高——它们 分别在地球上空的短距离、中距离和长距离。

　　低地球轨道

　　科学卫星往往离地球很近——通常只是 几百公里，沿着一条几乎是圆形的路径行驶 称为低地球轨道(LEO)。由于他们必须非常移动 快速克服地球引力，而且它们有一个相对较小的 轨道(因为它们太近了)，它们覆盖了大面积的 地球很快，永远不会停留在地球的某一部分 超过几分钟。有些遵循所谓的极地轨道， “循环”地越过北极和南极 只需一个半小时即可完成。

　　中地球轨道

　　卫星越高，它在任何卫星上花费的时间就越长 地球的一部分。这就像喷气式飞机飞过你的 头：它们在天空中移动的速度越慢，它们就越高。一个 中地球轨道(MEO)比LEO高约10倍。全球定位系统 导航星卫星位于MEO轨道上，距离我们的轨道约20，000公里(12，000英里) 头，需要 12 个小时才能“循环”地球。它们的轨道是 半同步，这意味着，虽然它们并不总是完全 在我们头顶的同一个地方，它们经过相同的点上方 赤道在每天的同一时间。

　　高地球轨道

　　许多卫星的轨道距离地面约36，000公里(22，000英里)。 这个“神奇”的位置确保它们只用一天的时间绕地球运行，并始终返回同一位置 在它上面，在一天中的同一时间。像这样的高地球轨道被称为地球同步(因为它与地球的自转同步)或地球静止轨道(如果卫星一直停留在地球上的同一点上)。 通信卫星——我们的“太空镜”——通常是 停在地球静止轨道上，因此它们的信号始终到达卫星天线 指着他们。气象卫星经常使用地球静止轨道，因为它们需要 不断从同一广泛部分收集云或降雨图像 地球从小时到小时，从一天到一天(与LEO科学不同 卫星 通过 周期相对较短的地球静止气象卫星 在较长时间内从较小的区域收集数据)。

　　小型卫星

　　想想一颗太空卫星，你可能会想到一个巨大的闪亮 可以大致相当于卡车的大小。但并非所有卫星都那么大。 在过去的二十年里，聪明的工程师一直在试验 使用更小、更简单、更便宜的微型太空仪器， 更大胆、更具实验性、更低的发射风险。 1999年， 鲍勃·特维格斯, 当时斯坦福大学的一位教授，开启了这种下行趋势 当他提出CubeSat时，这是一种由10厘米立方体的标准化模块建造的卫星，尽管从那时起已经建造了更小的卫星。今天，阅读有关皮卫星(通常重达1公斤)，纳米卫星(重达10公斤)，微型卫星(重达100公斤)和迷你卫星(重达500公斤)的信息是很常见的。 2017年，美国宇航局发射了世界上最小的皮碳卫星，重量仅为64g，装在一个3.8cm立方体中， 并完全使用 3D打印机. 未来卫星会变得更小吗?没那么快!人们严重担心皮萨特 太小而无法正确监测，可能对其他航天器构成重大风险 如果它们变成不可预测的空间碎片。

　　艺术品：最小的卫星与方形网球的大小大致相同。这 稍大一点的有小型天线，相机，太阳能电池和火箭。 包装在一个尺寸为 13 × 13 × 25 厘米(5 ×5 × 10 英寸)且重 3.7 千克(8 磅)的盒子中。 这是亚特兰蒂斯号航天飞机发射的最后一颗卫星，当时它飞行了 最后一次任务，STS-135，2011年7月。照片由美国宇航局提供。

　　谁发明了卫星?

　　插图：苏联工程师是第一个建造工作卫星Sputnik的人，并于1957年将其送入太空。 像这样的邮票庆祝了这一惊人的成就。被认为属于公有领域的艺术品，由 维基共享资源.

　　使用卫星作为太空中的镜子的想法 - 从一侧反射信号 地球到另一个——由科幻小说作家于1945年“发射” 亚瑟·克拉克 (1917-2008)，他写了两部极具影响力的作品 详细阐述他的计划的文章(一篇未发表，另一篇发表为“外星中继：火箭站能否提供全球无线电覆盖吗?”，发表在《无线世界》，1945 年 10 月)。他的建议是放置三颗卫星 在地球上空35，000公里(23，000英里)的地球同步轨道上，均匀间隔以覆盖大约 地球各占三分之一：一个将覆盖非洲和欧洲，第二个将覆盖中国和亚洲，三分之一将专门用于美洲。虽然克拉克没有为地球静止通信卫星申请专利，但他的发明通常被认为是他的发明，尽管其他太空先驱(特别是德国战时先驱 赫尔曼·奥伯斯)多年前就提出了类似的想法。

　　照片：历史的回声：由美国宇航局设计的回声通信卫星是一个巨大的聚酯薄膜气球，直径约30米(100英尺)，设计用于坐在太空中并像镜子一样将信号反射回来。你可以从大小看出它有多大 车和底部的人，我把它涂成红色，以帮助你挑选它们。图片由 美国宇航局在下议院.

　　又过了十年，克拉克的大胆计划才走向现实。首先，卫星本身必须是 证明是可行的;这发生在俄罗斯的发射上 人造卫星 1 1957年10月。三年后，当 回波 通信卫星发射后，工程师们成功地证明了无线电通信信号可以像克拉克预测的那样被中继到太空并返回。 泰斯达第一颗通信卫星于1962年7月发射，并立即彻底改变了跨大西洋电信。在1960年代中期，11个国家聚集在一起组成了INTELSAT(国际电信卫星联盟)，该联盟发射了世界上第一个 商业通信卫星INTELSAT 1(“早鸟”)，在地球同步轨道上，1965年4月。 这个不起眼的小型太空机器是一个微小的电子奇迹：重量只有35公斤(76磅)，它可以传输240部电话。 同时通话或单个黑白电视频道。