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1、第十五章 航天器的有效载荷及其应用第十五章 航天器的有效载荷及其应用（概念）有效载荷：在航天器发射过程中，执行任务的系统叫有效载荷。航天器的有效载荷有：遥感系统、武器系统、导航定位系统、通信系统、载人系统。15.1 遥感技术的基本原理15.1 遥感技术的基本原理遥感的英文是：“Remote Sensing”，意思是：“遥远的感知”。人和动物都具有一定的遥感本领。现代遥感技术就是模仿自然界中的遥感现象和过程而产生的。遥感技术的基本过程是遥感技术的基本过程是遥感是一个接收、传送、处理和分析遥感情息，并最后识别目标的复杂技术过程。如图所示。现代遥感技术系统的组成现代遥感技术系统的组成现代遥感技术系统
2、一般由四部分组成：遥感平台、传感器、遥感数据接收与处理系统、遥感资料分析解译系统。其中遥感平台、传感器和数据接收与处理系统是决定遥感技术应用成败的三个主要技术因素，遥感分析应用工作者必须对它们有所了解和掌握。传感器是获取遥感数据的关键设备，因设计和获取数据的特点不同，传感器的种类也不同，目前遥感中所使用的传感器大体上可分为摄影类型、扫描成像类型、雷达成像类型和非图像类型的传感器。例如，以地球资源遥感与专题制图为目的的Landsat仪器舱中，通常以多光谱扫描仪或专题制图仪为主要传感器；在以军事侦察为目的的军事卫星中，以高分辨率的对地摄影机与对空摄影机为主要仪器。数据经编码、调制、变频和功放。由天
3、线发射出射频信号，在卫星经过地面站上空时，被地面站接收。15.2 空间遥感仪器空间遥感仪器分类：从航天器上对地观测的遥感系统分为摄影系统和扫描系统（非摄影系统）两大类。15.2.1摄影遥感系统摄影遥感系统用于摄影遥感的照相机有：画幅式、全景式、航线式以及CCD照相机（电耦合器件照相机）。15.2.2 非摄影遥感仪器非摄影遥感仪器红外辐射计： 红外辐射计是测量入射到探测器上的辐射通量的仪器。用三棱镜、光栅、分色镜或滤光器，将不同波长的辐射分开，然后用若干探测器来测量不同波段的辐射强度。（测量对探测器的红外辐射强度）微波辐射计：微波是波长很短的无线电波，微波的方向性很好，速度等于光速。微波辐射计由
4、定向天线、接收器（用于选择和放大）和探测器构成。 （测量对探测器的微波的辐射强度）微波雷达：微波雷达是一种主动式微波遥感系统。自动发射雷达波和接收回波。 （发射雷达波并测量雷达回波的频谱特性）激光雷达：激光雷达技术的技术原理来自于雷达，并借助了激光和类似望远镜的检测器。其工作方法是，将紫外线脉冲发射到大气层，沿着它的轨迹，光被小颗粒散射开。空气中颗粒物越多，所反射的光越多。而反射到激光雷达系统的光被望远镜和敏感的检测器接收。15.3 空间遥感仪器的应用15.3 空间遥感仪器的应用15.3.1侦察卫星15.3.1侦察卫星包括：照相侦察卫星、电子侦察卫星、海洋监视卫星、导弹预警卫星。15.3.1.
5、1 照相侦察卫星15.3.1.1 照相侦察卫星照相侦察卫星它是依靠装有光学成像的空间遥感设备进行侦察，获取军事情报的人造地球卫星，常用的遥感设备有可见光照相机、电视摄像机、红外照相机、多光谱照相机和微波遥感设备等。照相侦察卫星按侦察信息的返回方式分为：返回型和传输型。世界上第一颗照相侦察卫星是美国的 “发现者”1号卫星，它于1959年2月28日发射成功。“发现者”1号是一颗试验性侦察卫星。1960年8月10日，美国又发射了“发现者”13号试验侦察卫星。8月11日，“发现者”13号接受地面指令控制，弹射出一个装有照相胶卷的密封舱，再入大气层，并在海上回收成功。这是人类从太空收回的第一卷照相胶卷。
6、15.3.1.2 电子侦察卫星15.3.1.2 电子侦察卫星电子侦察卫星是专门用来侦测对方预警、防空、反导弹等雷达雷达的位置及信号特征，也可测定对方军事通信和无线电台位置，为本国战略轰炸机、弹道导弹和巡航导弹执行突防和攻击任务提供数据，也可用以侦察对方军事演习时的指挥、通信信号，并予截获。截获的信号记录在磁带上或存储在计算机里，在卫星飞经本国上空时发送到地面接收站。电子侦察卫星通常运行于300500公里，甚至10001400公里的近圆轨道。电子侦察卫星按侦察任务分为雷达侦察型、无线电通信侦察型和弹道导弹试验侦察型三种。最有代表性的电子侦察卫星是美国1985年1月24日用航天飞机发射的侦察卫星，
7、它重13.6吨，星上载有两种直径为22.9米的天线，卫星上的大型天线可截获100兆赫到20千兆赫之间的所有频率。美国在早期的 “发现者”系列卫星上曾进行过电子侦察的试验，1962年5月发射的 “搜索者”号是世界上最早的实用侦察卫星，在现代战争中，电子侦察卫星已成为获得情报所不可缺少的手段。1991年海湾战争中，美国在空袭伊拉克前几个月就开始通过电子侦察卫星搜集掌握了大量的伊军电子情报。利用这些情报在空袭前几十分钟开始对伊展开电子战，使伊大部分雷达受到强烈干扰而无法正常工作，无线电通信全部瘫痪，连巴格达电台的广播也因干扰而无法听清。据报道，萨达姆与前线作战指挥官的通话，甚至战场分队之间的通话，均
8、被美国的电子侦察卫星所窃听。因此，电子侦察卫星的做用在战争中的作用是极其重要的。15.3.1.3 海洋监视卫星海洋监视卫星海洋监视卫星是用于探测、识别、跟踪、定位和监视全球海面舰艇和水下潜艇活动的卫星，它能提供舰船之间、舰岸之间的通信，是年代发展起来的十分先进的卫星技术。由于它所覆盖的海域广阔，探测目标多而且是活动的，所以它的轨道较高，并且多采用多星组网体制，以保证连续监视。海洋监视卫星分为电子型和雷达型两类，它是军事预警和侦察卫星发展的一个重要分支。海洋监视卫星问世以来，广泛用于发现和跟踪海上军用舰船，探测海洋各种特性。海浪的高度、海流强度和方向、海面风速、海水温度和含盐量等等数据，都是极为
9、宝贵的军事情报。苏联和美国都先后发射了这种卫星。美国的“海洋号”卫星能利用其侧视雷达全天候地监视海上小型船只、侦察舰艇雷达信号和无线电通信的侦察卫星，它还能探测出高度不超过10厘米的海浪。世界上第一颗海洋监视卫星是苏联于1967年12月27日发射的 “宇宙”198号卫星 ，这是一颗试验卫星。苏联的海洋监视卫星自1973年后进入实用阶段。15.3.1.4 导弹预警卫星导弹预警卫星用于监视和发现敌方战略弹道导弹并发出警报的侦察卫星。通常被发射到地球静止卫星轨道，由几颗卫星组成预警网。利用卫星上的红外探测器探测导弹在飞出大气层后发动机尾焰的红外辐射，并配合使用电视摄像机跟踪导弹，及时准确判明导弹并发
10、出警报。15.3.2 测地卫星15.3.2 测地卫星专门用于大地测量的人造地球卫星。测地卫星用于测定地面点位坐标，地球形体和地球引力场参数。测地卫星的贡献：测地卫星的贡献：提供了在全球范围内进行大地联测的全球统一地心坐标系；人造卫星轨道运动反映了地球引力场的各种摄动，通过长期观测可精确测定地球引力场参数；用卫星进行大地联测，基线长达数千千米，因此控制点位的定位精度比常规大地测量网的精度高一个数量级；测地卫星还可用来测量平均海平面高度的变化，研究地壳运动和大陆漂移，并能预测地震和海啸等。15.3.3 气象卫星15.3.3 气象卫星用于气象观测的卫星，可连续、快速、大面积地探测全球的气象卫星是用于
11、气象观测的卫星，可连续、快速、大面积地探测全球的大气变化情况。气象卫星实质上是一个高悬在太空的自动化高级气象站，是空间、遥感、计算机、通信和控制等高技术相结合的产物。由于轨道的不同，可分为两大类，即：太阳同步极地轨道气象卫星和地球同步气象卫星(周期:23小时56分04秒)。（图）这是由气象卫星在无云的情况下拍摄到的一幅欧洲地貌的照片。15.4 航天武器系统15.4 航天武器系统15.4.1 拦截卫星15.4.1 拦截卫星反卫星武器的工作方式:1.实时起爆炸药装置击毁卫星；2.实时释放金属颗粒和碎片、气溶胶系干扰物，其破坏效应能使卫星上的光电器件工作失常，导致卫星星体脱离运行轨道而坠毁。拦截卫星
12、接近攻击目标卫星的方式有三种：是送入长椭圆轨道后，以极高速度接近并到达目标附近区域；是送入与目标卫星相同的轨道，以较快速度冲撞攻击目标；是由低轨道升至更容易捕捉目标的长椭圆轨道，以直接上升方式接近破坏目标。是送入长椭圆轨道后，以极高速度接近并到达目标附近区域；是送入与目标卫星相同的轨道，以较快速度冲撞攻击目标；注:攻击过程中，拦截器与目标相对速度不能过大，否则降不能保证拦截器与目标在同一轨道。是由低轨道升至更容易捕捉目标的长椭圆轨道，以直接上升方式接近破坏目标。15.4.2 动能拦截飞行器动能拦截飞行器一种精确制导的导弹，弹头不装填炸药，依靠精确制导技术使弹头与空间目标碰撞，利用巨大的动能来击
13、毁目标，故称动能拦截器。15.5 导航卫星导航卫星15.5.1 卫星导航系统的组成卫星导航系统的组成卫星导航系统实际上是以卫星作为导航平台的无线电导航系统，主要由空间卫星、地面监测网和用户设备三大部分组成。卫星导航系统是在准确已知卫星的运行轨道(即已知每一时刻卫星的位置和速度)的基础上，以卫星为空间基准点，通过测量站的接收设备，测定测量站至卫星的距离或多普勒频移等观测量来确定被测站（人）的位置、速度。导航系统举例导航系统举例NNSS(Navy Navigation Satellite System) 海军导航卫星系统1958年美国海军为了军事上的需要，开始研制NNSS(Navy Navigat
14、ion Satellite System) 海军导航卫星系统，系统研制历时5年多，先后发射了9颗试验卫星，试验、研究和解决了星载高稳定度时钟、卫星能源、卫星消旋、卫星姿态稳定、工作卫星的可靠性等一系列关键技术问题。1964年NNSS正式投入军事应用，1967年美国政府宣布开放该系统，允许用于非军事目的。NNSS是世界上第一个投入使用的卫星导航系统，它由空间部分、地面监控部分和用户部分三大部分组成。空间部分由6颗工作卫星组成，分布在6个轨道面内，卫星轨道为高度约1100km的近圆极地轨道。应该指出的是，由于NNSS采用的是一种“单星、低轨、测速”体制，它只能提供二维导航解，不能三维定位，不能为用
15、户提供连续、实时的导航定位。15.5.3 全球定位系统（GPS）15.5.3 全球定位系统（GPS）美国国防部于1973年12月批准由陆海空三军联合研制新一代卫星导航系统，制订了发展导航星全球定位系统计划，该系统全称为“授时与测距导航系统/全球定位系统”(Navigation System Timing and RangingG1obal Positioning System) ，简称为“全球定位系统”(GPS)。美国从70年代开始研制,历时20余年,耗资200亿美元,于1994年全面建成。具有海陆空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。全球卫星定位系统以全天候、高精度、自动
16、化、高效益等特点,成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影、运载工具导航和管制、地壳运动测量、工程变形测量、资源勘察、地球动力学等多种学科,取得了好的经济效益和社会效益。GPS主要由空间星座、地面监控系统和用户设备三大部分组成。24颗卫星均匀分布在等间隔的6条近圆轨道上，轨道高度约2200km，轨道倾角55度。每条轨道上均匀配置4颗工作卫星，相邻轨道面的邻近卫星的相位差为30。此外,还有4颗有源备份卫星在轨运行。美国GPS卫星15.5.6中国的第四代(COMPASS)系统15.5.6中国的第四代(COMPASS)系统自2000年，中国开始发射第一颗北斗卫星，至2009年，中国已经发射了19颗北
17、斗卫星，中国还计划继续发射北斗卫星，进而建成有5颗人造卫星在地球同步轨道上运行，另有30颗卫星在中层轨道上运行的卫星定位系统。组成的新一代的全球卫星导航系统。届时解放军将有自主的全球卫星导航手段，应用范围涉及单兵、车辆、军舰、飞机和导弹，将会成为具有重大战斗意义的战斗倍增器。15.5.7欧洲伽利略卫星导航系统15.5.7欧洲伽利略卫星导航系统伽利略系统构想图2002年3月26日，欧盟运输部长们一致同意正式批准研制“伽利略”导航卫星的计划。此举在全世界产生巨大反响，因为它标志着欧洲将拥有自己的卫星导航定位系统，并将结束美国GPS在世界独占鳌头的局面，并能军民两用。“伽利略”系统将建造大约30颗卫
18、星，这30颗卫星将运行在3个高23616千米、倾角为56度的圆形中地球轨道之上。由于“伽利略”的定位精度可达到厘米级，因此通过“伽利略”系统，汽车和火车可以在没有司机的情况下自动行驶；飞机能在任何机场降落；轮船即使在大雾中也可以安全航行；等等。有人称，通过GPS只能找到街道，而利用“伽利略”则能找到车库门。除了能提供精确的定位信号以外，它还可为移动电话业务服务，故能用于救生行动，如接收到失事飞机的求救信号后迅速通知附近的救援部门。这些都是GPS望尘莫及的，同时对GPS也提出了强有力的挑战。对此，美国惊恐万分，并一直横加阻挠。15.5.3 GLONASS导航定位系统15.5.3 GLONASS导
19、航定位系统GLONASS（GLobal Navigation Satellite System）(全球导航卫星系统)是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成（25颗，其中一颗为备用星），均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度1910公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8。截至2009年， GLONASS系统共发射了18颗卫星。俄罗斯“GLONASS”导航卫星俄罗斯GLONASS导航系统GLONASS卫星导航系统15.6 通信广播卫星15.6 通信广播卫星15.6.1 卫星广播方式15.6.1 卫星广播方式通信卫星工作的基本原理如图所示15.6.1 星上通信系统的组成15.6.1 星上通信系统的组成卫星上的通信系统由天线和转发器组成。天线用来接收地面站的电波信号;转发器将天线接收到的电波信号变换成发射频率并放大信号又经天线往地面发送。