人造衛星，燦爛巡天

王煜

近年來，中國在人造衛星的研制和應用領域取得了舉世矚目的成就：北斗導航將開始全球組網；“悟空”和“慧眼”為人類探測宇宙的基礎科學研究助力；“墨子號”將神秘的“上帝效應”與人們的實際生活之間的距離又縮小了一步。

今天，在我們的天幕中，除了自然星體之外，還有千百顆人造衛星閃爍，它們為人類的科研、生活、軍事等各方面提供了強大的支持。近年來，中國在人造衛星的研制和應用領域取得了舉世矚目的成就：北斗導航已經形成自己的“星座”，具備了實際應用能力，將開始全球組網；“悟空”和“慧眼”在技術指標上領先世界，為人類探測宇宙的基礎科學研究助力；“墨子號”更是在量子通信上做出了世界第一的嘗試，將神秘的“上帝效應”與人們的實際生活之間的距離又縮小了一步。

“北斗”完善全球導航

“全球導航衛星系統”（GNSS）是一個門檻極高的俱樂部，曾經只有3個會員：美國的GPS、歐洲的伽利略（GALILEO）、俄羅斯的格洛納斯（GLONASS），而現在，中國的北斗（COMPASS）也成為了俱樂部的會員，它是最新的一個，也是發展勢頭最猛，極有可能后來居上的一個。

美國的GPS是目前公眾最為熟悉，也應用得最多的一套全球導航系統。它于1978年發射了第一顆衛星，全系統在1995年投入運行，現有衛星30顆，分為軍用和民用兩種定位模式，其中民用定位向全球免費開放。

GPS對全世界的民用導航領域來說是個福利，但在軍事方面卻是個挑戰。GPS民用領域的定位精度達不到軍事要求，更重要的是，萬一他國與美國發生戰爭，后者停止GPS服務，甚至操縱導航系統發送錯誤的定位信息，這將是非?？膳碌那闆r。所以，發展自己的全球導航系統，是維護國家利益的必然選擇。當然，要組建這樣的衛星系統，必須擁有足夠的科研水平和經濟實力。

中國建設衛星導航系統的規劃從上個世紀70年代就已經開始，“七五”計劃中提出了“新四星”計劃，隨后提出過單星、雙星、三星、三到五顆星的區域性系統方案，以及多星的全球系統設想，研究論證從未停止。

上世紀80年代初期，以“兩彈一星”元勛成芳允院士為首的專家團體提出了雙星定位方案，這是當時公認的最優方案，但因經濟條件等種種原因又擱置了十年。1991年是個重大轉折點，海灣戰爭中，美國的GPS在作戰中的應用非常成功，它在戰爭時置歐洲盟國于不顧強行關閉對歐GPS服務的做法也再度彰顯研發自主導航系統的緊迫性。這之后，北斗的推進速度加快，2000年10月，北斗一代的第一顆衛星上天。

目前的北斗系統已經是第二代，計劃總計發射35顆衛星組成導航網絡。2017年下半年北斗將正式開始全球組網，預計到2020年最終形成全球服務能力。

北斗的首次成功應用是2008年汶川地震的救援期間，那時候北斗還是一代系統，雖然當時的性能指標還比不過GPS和海事衛星，但在地震破壞地面通信基礎設施的環境下，發揮出了不受地面影響的優勢。它的定位和短信能力充分發揮了作用，成為救援指揮部隊和前線救援人員最得力的通信助手，最大限度地保證了“72小時黃金搶救時間”的有效利用。目前的北斗二代系統，結合地基增強網的使用，已經可以做到厘米級的精確定位。

除了為民眾提供一般的出行導航外，北斗二代的用途非常多，據統計有200多項。例如，遠洋漁業對導航定位的需求是剛性的，之前漁民必備的是GPS和海事衛星電話，以便遇到風險時能及時求助。北斗二代在亞太地區布網后，漁民有了一個新選擇，那就是安裝北斗衛星船載終端。北斗的雙向短信功能在漁船救險方面得到了完美應用，遇到險情后一鍵求救，終端會自動把附帶著定位信息的求救短信通過衛星發給岸上的救援隊，實現了GPS+海事衛星電話的功能，而且更加方便。

北斗的短信功能非常受歡迎，漁業省份在岸上大力建設基于北斗二代的漁業信息服務基礎設施，通過衛星給漁船發送實時的天氣、海浪、赤潮、魚汛消息，甚至還有當日漁市價格，幫助漁民決定捕撈哪種魚，漁民在海上就可以把漁獲信息傳到岸上，提前聯系好賣家。根據浙江省2011年的統計，該省漁民利用北斗衛星發短信1300萬條，其中船與船互通604萬條，船與手機互通696萬條。

再如對水壩、大橋、高速公路等巨大建筑的沉降和變形的監測。把北斗設備固定在建筑上面，令它自動接收定位信息，積累一段時間的海量定位數據后進行差分計算，就能獲取精度在毫米以下的定位數據，這比人工測量方便和準確得多。

截至2016年6月12日，北斗已經發射了23顆衛星，分布最密集處在中國上空，對亞太國家而言，相比GPS而言有覆蓋優勢。中國政府也積極推動北斗二代在亞太地區的應用。2014年7月、泰國、馬來西亞、文萊、印度尼西亞、柬埔寨、老撾等國家派出19名專家，來到中國考察北斗二代，研究討論合作的事項，并參加了“2014北斗技術與應用國際培訓班”

泰國專家表示，有些GPS衛星的信號泰國收不到，而北斗所有的衛星信號都能接收到，因此要參加北斗的“天眼”計劃；馬來西亞緊隨其后，將成為北斗“天眼”下一個落戶的國家。

不僅如此，北斗已得到了國際電信聯盟的支持和國際海事組織的認可。同時，中國政府在國內積極推動北斗的產學研聯盟，得到了各界的支持響應。

“悟空”與“慧眼”探尋太空

暗物質被比作“籠罩在21世紀物理學天空中的烏云”，它可由萬有引力定律推測存在，卻從未被直接觀測到。如果暗物質之謎能被揭開，這將是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學之后的又一次重大科學突破，能讓人類更好地解釋宇宙為什么會是當前這樣以及將怎樣演化。

為了推進這個領域的研究，中國于2015年12月17日將暗物質粒子探測衛星發射升空，它是中國科學院空間科學戰略先導專項的五顆衛星之一。在發射升空前，它得到了名字“悟空”，這是從全球范圍內的公眾征名活動中，從32000多個方案中最終選取的。endprint

“悟空”的“神通”在哪里？它的工作原理是：通過探測宇宙中高能粒子的方向、能量以及電荷大小來間接尋找和研究暗物質粒子。

在對高能電子和光子的測量方面，它的三大本領是：最高的能量分辨率，最寬的能量范圍，最好的本底抑制能力。本底抑制，就是把觀測到的信號與大量的宇宙射線區別開來，降低宇宙射線背景。這三個物理指標上，“悟空”達到了世界領先水平。在這樣的技術優勢下，“悟空”的研制費用僅是美國FERMI望遠鏡和阿爾法磁譜儀的1/7和1/20。

“悟空”這次執行任務計劃工作3年，有望在軌工作5年。它將圍繞地球旋轉，四層科學探測器將面朝太空，全面接受來自宇宙四面八方的高能電子和伽馬射線。這相當于科學家在宇宙中放置了一臺“除去大氣層面紗”的“超高清望遠鏡”。

“悟空”每天接收的數據大約是16G，所有收集到的科學數據將完整保存，并實時傳回地面。一旦用這些原始數據勾勒出的“伽馬射線能譜”反映出譜線極段等特征信號，科學家就獲得了暗物質粒子存在的強有力證據。

像在《西游記》里一樣，“悟空”也將進入一個未知的旅程。暗物質衛星首席科學家、中國科學院紫金山天文臺副臺長常進說：“暗物質的物理性質還沒有弄清楚，沒有人能百分之百保證衛星一定能找到暗物質。但只要它工作正常，就為我們打開了一扇新窗口?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2017/09/11/xmzk201735xmzk20173508-2-l.jpg" style="width: 650px;"/>

暗物質是一項純基礎科學研究，如果“悟空”有所發現，將會改變什么？

“不好說有什么具體的應用，但是會極大地改變我們對世界的認識?！弊辖鹕教煳呐_助理研究員馮磊說，“畢竟，我們現在對占宇宙百分之二十七的暗物質是一無所知的。”

像“悟空”一樣對宇宙探測擁有“火眼金睛”的，還有2017年6月15日發射升空的我國首顆X射線空間天文衛星“慧眼”號。

“慧眼”全稱“硬X射線調制望遠鏡衛星”（HXMT），裝載高能、中能、低能X射線望遠鏡和空間環境監測器等4個探測有效載荷。在4年中，它將不間斷地監控各類天體的一舉一動，幫助人類進一步揭開宇宙的神秘面紗。它也改寫了我國在空間高能天體物理領域沒有自主數據的歷史。

“‘慧眼能觀測黑洞和中子星附近物質變化的情況，通過觀測它們的X射線輻射，研究我們在地球實驗室環境里無法研究的科學規律?！痹撔l星首席科學家、中國科學院粒子天體物理重點實驗室主任張雙南介紹。

宇宙中，脈沖星、伽馬射線暴、超新星遺跡、黑洞等天體活動，都是以發射X射線為表征，如果能接收到這些射線加以分析，就能勾畫出這些天體的輪廓，甚至能一窺黑洞的奧秘，這對人類探索太空具有重要意義。

“慧眼”是世界上探測覆蓋范圍最廣的天文望遠鏡之一，可以進行全譜段觀測，不僅可以將宇宙事件從發生、發展到結束全過程的壯麗景象盡收眼底，還能看到這些景象出現時的時變過程是怎樣的，相比國際上同類衛星的時間分辨率有大幅提升。

“墨子號”提升量子通信

“量子糾纏”有許多奇妙的特性，因而在科學中被稱為“上帝效應”，其中最有可能首先為人們實際應用的，就是可以實現信息的完全安全傳遞的量子通信。

中國在這一領域走在了世界前列。

2016年8月16日，我國成功將世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空。2017年1月18日，“墨子號”在圓滿完成4個月的在軌測試任務后，正式交付中國科學技術大學使用。

中國科學院院士、量子衛星首席科學家潘建偉在接受采訪時說，通信安全是國家信息安全和人類經濟社會生活的基本需求。千百年來，人們對于通信安全的追求從未停止。然而，傳統加密技術，主要是基于計算復雜性，在原理上就存在被破譯的可能。事實上，隨著數學的發展和電腦計算能力的不斷提升，經典密碼被破譯的可能性與日俱增。

量子通信的重要研究內容之一是量子密鑰分發?！盎诹孔硬豢煞指詈蜔o法克隆的特性，量子密鑰分發通過量子態的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全通信方式?！迸私▊フf。

通俗地說，如果將“量子通信”比作郵寄一份信件的話，那么“糾纏光子”就是這封信的信封：糾纏光子能攜帶信息，并確保信息的安全。

2017 年6月16日，“墨子號”量子衛星在世界上首次實現千公里量級的量子糾纏分發，這意味著量子通信向實用邁出一大步，這項研究成果發表于國際權威學術期刊《科學》上。

2017年8月10日，中國科學院宣布，從衛星到地面的量子密鑰分發，以及從地面到衛星的量子隱形傳態，是“墨子號”最新實現的科學目標。中國科學技術大學潘建偉、彭承志團隊聯合中科院上海技術物理研究所等單位完成的上述成果，在線發表于國際權威學術期刊《自然》上。至此，“墨子號”原定于兩年完成的三大既定科學目標，已用一年時間提前完成。這標志著中國在量子通信領域的研究在國際上達到全面領先的優勢地位。

《自然》物理科學主編卡爾·齊姆勒斯評價道：“以前人們會說量子技術的極限在天邊，但這說法其實有些保守了。最近發表的這些實驗中，量子技術已經突破了天空的限制，也是中國在物理科學方面的投資及努力的證明，正因為有了這些投資與努力，該研究團隊才能夠將應用型量子通信技術方面的研究提升到如此的天文高度?！?/p>

潘建偉曾表示，在未來的5年內，他還希望中國能發射更多的量子衛星。他期望量子通信能在2030年前覆蓋到多個國家和地區。簡單來說，這意味著人們可以用量子信號來給別人發信息了。

不過，除了這點之外，專家們其實也還沒搞清楚量子通信還能實際應用于哪些方面。這其中最主要的原因是，有關量子通信的許多技術目前仍處在研究的初期?？茖W家們還無法很好地控制和操控量子信號。例如，“墨子號”能傳輸和接收量子信號，但它無法真正實現量子信息儲存，即便是目前最好的量子存儲器，它保留信息的時間也無法超過1個小時。如何長久存儲量子信息，這或許是中國量子通信研究的下一個課題。endprint