石豪：长征十一号成功发射捕风卫星——中国航天走向深蓝

【文/ 观察者网专栏作者 石豪】

2019年6月5日12时6分，我国在黄海海域用长征十一号运载火箭，将捕风一号A/B星和五颗商业卫星顺利送入预定轨道。

从这一天起，中国拥有了海上发射卫星的能力，中国航天第一次在蔚蓝的大海中构建发射阵地。

我们为什么需要海射？海射对中国有什么重大意义？笔者要先从轨道说起。

本文图片由作者收集，下同

低倾角轨道

先来看看世界地图：

世界地图 | 原图: 国家测绘地理信息局

从北纬23.5度到南纬23.5度，在笔者着重标示的南北回归线之间，有着大量的亚非拉发展中国家，同时也覆盖了大部分海上丝绸之路沿线国家。

这些低纬度国家对于环境灾害预防、国土资源监测等典型卫星应用，有着迫切的需求。

但对于传统的太阳同步轨道遥感卫星，地面轨迹的形状是这样的：

太阳同步轨道遥感卫星地面轨迹示意图

单颗卫星每天只能经过低纬度国家一两次，完成国土全覆盖需要多天，如果为了获取更及时的遥感数据，就必然要采用多颗卫星组网运行。

遗憾的是，这些发展中国家目前的经济实力普遍不足以支撑这样的星座。

换个思路，如果打一颗轨道倾角很小，甚至0度倾角的卫星，运行在赤道正上方，就像下图中蓝绿色的轨道：

0度倾角卫星（蓝绿色）与太阳同步轨道卫星（黄色）对比图

配合侧摆一定角度的相机，卫星星下点每绕赤道一周，理论上我们就能为低纬度国家成一次像，国土覆盖从几天一次变为一天几次，效率倍增。

侧摆成像示意图

但低纬度国家依然无法负担。

不是贫穷限制了他们的想象力，而是物理定律。

根据航天动力学知识，发射场的纬度就是卫星在不变轨情况下能进入的最低倾角角度。

如果有读者朋友不太理解，炎炎夏日，不妨买一个正球形的西瓜来，瓜柄是北极，瓜脐是南极，随便在瓜表面找一个点当发射场，试着用刀切出一个既通过“发射场”，又通过西瓜球心的切面来，还要尽可能贴近西瓜的“赤道面”。

这种球型的西瓜就不错

我们国家目前有四大发射基地：酒泉、太原、西昌、文昌。

中国航天发射场布局图 | 图片来源: 央广网

就算是纬度最低的文昌，也是北纬19度左右，从这个纬度变轨到0度倾角，依然需要大于1000米每秒的速度增量。

要么用火箭/上面级变轨，要么用卫星自己变轨，无论哪个方案，都很浪费钱。

这样，把火箭拉到更低的纬度发射，就成为了更好的选择。

火箭残骸落区

落区对中国航天而言，一直是个问题。

由于测控原因，酒泉、太原和西昌三个发射基地都建立在内陆地区。

这也就意味着每次发射，火箭的一级都会坠落在我国境内。

发射高分四号卫星的长征三号乙运载火箭残骸 | 图片来源: 中新网

尽管落区的规划避开了人口稠密区域，但每次发射，也免不了对落区内村镇进行疏散，残骸砸坏老乡家屋顶农田的事情也时有发生。

落区乡镇的火箭残骸回收方案 | 来源: 余庆县政府

文昌发射中心的建设，虽然很大程度缓解了落区残骸对当地人民生产生活的影响，但海上发射技术的突破，无疑为落区规划提供了更自由的选择。

海上发射低地球轨道（LEO）和太阳同步轨道（SSO）落区示意图 | 来源@CCTV

新时代的“捕风者”

突破历史的火箭发射，自然要有突破历史的卫星相伴——捕风一号A/B卫星，作为我国首次海上发射的主载荷，同样意义非凡。

这是我国第一种能够全天候探测海面风场的卫星。

捕风一号A/B卫星 | 图片来源: 航天东方红

包括我国在内的亚洲国家一直饱受台风的侵袭，每年都会遭受严重的经济损失，甚至人员伤亡。因此研究台风的早期形成，及时预测台风活动，就成为了亚洲各国共同的目标。

然而，我们对关键的海面风场一直缺乏有效的测量手段：通过卫星云图只能测云顶风，并非海面风；通过雷达散射计只能测量50m/s以上的海风，且载荷设备较大，用于多星组网探测风场则过于昂贵。

上个世纪90年代，全球导航卫星系统（GNSS）趋于成熟，科学家们发现，GNSS信号在海面发生反射（Reflection）时，会受到海浪影响产生不同的变化——具体地说，海面无风则反射信号均匀，海面有风则反射信号变化，风越大变化越剧烈。

通过测量GNSS信号在反射时发生的变化，就能精确反推海面风场的情况，这就是GNSS-R技术。

而采用这项技术的捕风一号，将在太空中大显身手。

GNSS-R示意图 | 图片来源: 中国空间技术研究院

捕风一号能够同时接收北斗和GPS的直射与反射信号，精密反演海面风场，“捕住风，捉住影”，为台风预报提供准确依据，造福包括中国在内的广大亚洲人民。由于不需要复杂的主动发射装置，因此卫星设计得小巧玲珑，大大降低了成本，也为未来的全球海洋风场星座建设奠定了坚实的基础。

在欢庆成功的同时，我们不应忘记型号背后默默奉献的研制团队，他们主导了新技术的持续突破，让我们的高科技不再受制于人，他们是新时代的“捕风者”。

捕风一号卫星总设计师白照广（右一） | 图片来源: 中国空间技术研究院

捕风一号卫星试验队 | 图片来源: 中国空间技术研究院

走向深蓝，经略海洋

海上发射的成功，除了技术突破外，还有战略突破。

正如笔者前文所述，南北回归线内的低纬度国家，多为亚非拉发展中国家，对航天应用和航天服务的需求迫切，但自身的经济水平严重制约了他们的发展。曾经有低纬度国家向我国求购对地观测卫星，但最终因发射场纬度带来的较高发射成本而却步。

中国突破海上发射技术，为这些低纬度发展中国家选择中国航天扫清了一大障碍。长征十一号火箭的总指挥李同玉在接受采访时说，未来甚至可以把火箭和发射平台驶到对方国家的港口，把他们的卫星安装在火箭上、发射到太空，提供便捷的卫星发射服务。

这可能是全世界最高端的“上门服务”，是中国与响应一带一路倡议的低纬度发展中国家实现双赢的重点工程。

这个场景未来一定会经常出现 | 图片来源: 邓烨晨@中国青年报

而在笔者看来最核心的是，通过海上发射，我们的海洋权益保护意识、海洋权益保护水平都能再上一个新的台阶，经略海洋迎来了新的机遇。

海上发射离不开海警的护航，离不开海洋机构的大力协同，每一次任务都是对中国海洋力量的的锻炼，每一次护航都是对中国海警的检验。

未来，由中国海警守护的中国海上发射平台，必将把和平利用太空、开放包容、互利共赢的理念，传播到东海、南海和太平洋。

中国航天走向深蓝，中国走向深蓝。

图片来源: 邓烨晨@中国青年报

参考资料

[1] https://mp.weixin.qq.com/s/E5tR2Hd1cGln4FJZRudwXw

[2] http://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxxw/2011xqxyw/201906/t20190605_526544.html

[3] Rose R, Gleason S, Ruf C. The NASA CYGNSS mission: a pathfinder for GNSS scatterometry remote sensing applications[C]//Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions 2014. International Society for Optics and Photonics, 2014, 9240: 924005.

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