火星探测、卫星搜寻、星球大战，你有怎样的“天问”？

　　

　　探测火星的“发射窗口”已经打开，

　　7月20日，阿联酋的“希望号”率先出发，

　　7月23日，中国的“天问一号”顺利发射，

　　美国的“毅力号”也将紧随其后，

　　计划于本周四发射。

　　确定火星上是否有生命，

　　是美国“火星2020任务”的科学目标之一，

　　也是科学家们一直孜孜以求的问题。

　　2020年的地球命运多舛，但灾难没有阻挡住人类探索太空的脚步，约150次的航天发射让今年成为了世界航天发射大年。而自古以来，地球上的人们对于天空的追问从未停止。当“天问一号”在火星探测时，我们能看到火星吗？马航为什么躲过了卫星的“眼睛”？北斗导航卫星如何充当福尔摩斯来“断案”？昨天（26日）晚上，文汇APP互动群刘云烨组自主策划轮值讲座、实施了线上话题分享《世界卫星发射大年——我们一起来“天问”》，满怀好奇和希望，向着火红的星球开启“天问”之旅，为学科学、讲科学、爱科学营造了浓郁的交流氛围。

　　

　　7月26日晚上，文汇讲堂听友在腾讯会议开启“天问”之旅，60余人参与

　　一问：“天问一号”为何选择在文昌而非西昌发射？

　　——低纬度、近赤道，可得到更大的地球线速度

　　我国有西昌、文昌、太原以及酒泉四大卫星发射中心。“天问一号”出征，为何会选择在文昌发射？毕业于复旦大学物理系、原上海工程技术大学副教授杨国平介绍，文昌和西昌卫星发射中心具有良好的纬度条件，主要承担地球同步轨道卫星、大吨位卫星、大吨位空间站和深空探测卫星等航天器的发射任务。其中，文昌以靠海港，运输方便，火箭可以海上运输，箭体直径不再受铁路桥梁涵洞限制、航区及落区安全性好、纬度更低（西昌北纬28度，文昌约北纬18度）等优势，在发射同类卫星时，会成为首选发射场。这次“天问一号”选择在文昌卫星发射中心发射，低纬度、近赤道是最重要因素。因为“天问一号”要从地球轨道转移到火星轨道，需要第二宇宙速度的推力（11.2km/s），在低纬度发射，可以得到更大的地球线速度（赤道的线速度是465米/秒，比音速还快），从而提高火箭的运载能力和卫星的寿命。

　　

　　文昌发射场航拍图

　　二问：“天问一号” 为何选择在今年7月发射？

　　——如“狼追兔子”，根据约定会合时间等参数倒推发射时间

　　火星轨道和地球轨道的周期不一样，地球到火星的距离是一种动态的关系，大约每26个月会接近一次。因此，火箭发射必须考虑两个重要因素。首先在路径选择方面，必须满足能量消耗最小的霍曼转移轨道（一种变换太空船轨道的方法），并约定会合策略。何为“约定会合”策略？杨国平解释，这类似于狼追兔子的问题。据说，达芬奇曾提出，假设一只兔子和一只狼同时发现对方，并开始追逐，狼直接跟在兔子后面追不一定能赶上兔子，但若计算好兔子回巢的路径，往其巢穴方向追，就一定能追上兔子了。正因如此，现在的“天问一号”并不是冲着火星去的，而是选择一条能量消耗最小的轨道，直接奔向七个月后火星要到达的轨道地点，在约定的地方同火星会合。另外，“天问一号”选择在7月下旬发射，是准确计算时间的结果。事实上，我们是根据约定会合时间和霍曼轨道路径长度、探测器速度等参数倒推发射时间，所以不是在地球离火星最近时发射，而只有在火星与地球处于一定的角度，才能满足即沿着霍曼轨道、又能同时到达这二个要求。而这个合适角度，也是每26个月才出现一次。

　　

　　地球绕日轨道与火星绕日（非精确模拟）

　　也有人疑问，当“天问一号”在火星探测的时候，我们能看到火星吗？杨国平回应，今年看火星的最佳时间是在10月14日前后，但此时“天问一号”还在飞往火星轨道的路上。7个月后，当“天问一号”到达火星时，几乎看不到火星了，如果要再次在晚上看到火星，就要到2022年年底了，这个窗口期，也是26个月。

　　至于火星对人类的意义，杨国平感言，“追溯源头，是火星的‘荧惑’改变了人类的命运。从这点上说，人类去探测拜访火星，表达感恩之情，完全是应该的。”因为古人认为，行星都是绕着地球转的，行星不应出现“逆行”的情况，火星的“逆行”行为，让他们感到困惑不解。中国古人给了它一个名字“荧惑”。 “荧惑”引发人类的好奇心，哥白尼为了解释火星“逆行”现象，提出了“日心说”，从此开启了现代科学之门。牛顿力学完全是建立在开普勒行星运动定律和“日心说”基础上的，没有牛顿力学，卫星根本上不了天，那么“天问一号”根本到不了火星。

　　三问：影响卫星定位准确的因素与解决办法有哪些？

　　——时间精度是关键技术，在实践中依靠原子钟来确定时间

　　“众所周知，平面上要确定一个点，就需要两个坐标点，而在中间确定一个点就需要三个坐标点。因此，天上至少有三颗卫星，才能确定定位。”杨国平指出，定位卫星主要做两件事，一是告诉用户它在什么地方（坐标点），二是告诉用户它在这个坐标点时的时间。据此，就可以得知卫星的距离（信号发射的速度乘以时差）。难点在何处？一是计时精度要高。1ms的计时误差就会造成300km距离误差，所以，现在都是采用原子钟来确定时间。原子钟的精度可以达到每2000万年才误差1秒。它最初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的，从未想过这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航系统上。二是由于大气中电离层、对流层地影响，卫星信号在传播途径中的信号速度并非是恒定的，为了消除信号速度延迟和其他一些因素造成的误差，我国北斗导航定位系统采用了广域差分、三频信号、星间链路和混合星座等技术提高定位精度，为全球（尤其是周边国家）提供优质定位服务。

　　

　　原上海工程技术大学副教授杨国平讲解火星探测与卫星发射原理等知识

　　四问：在激烈的太空竞争中，中国卫星目前的发展状况？

　　——探月工程循序渐进，从无人到载人，科学地发展

　　在人类尚未尽揽太空浩瀚之时，就对太空的重要性有了广泛的共识。美国参议员罗伯特·史密斯曾说，“谁控制了太空，谁就将控制地球的命运。”自1957年第一颗人造地球卫星成功发射以来，人类在探索太空的过程中虽然有国际空间站这样著名的国家合作范例，但国家间的太空竞争从未中断。

　　上海老科协科普讲师团讲师、前往文昌实地观看“天问一号”发射的高工柴忠余，在介绍上个世纪美苏太空竞争后梳理了中国卫星的发展现状，2011年9月29日，中国发射了天宫1号目标飞行器。天宫1号分别与随后发射的神舟8号、9号、10号飞船交会对接，从而使中国掌握了交会对接技术，为开展中国的空间站建设奠定了基础。神舟飞船是中国自行研制，具有完全自主知识产权，达到或优于国际第三代载人飞船技术的飞船。我国即将实施的嫦娥五号任务，则是围绕月球采样返回的主要目标打造的无人探测任务。中国探月工程循序渐进，从无人到载人，科学地发展。

　　

　　高工柴忠余（右下）分享了在文昌实地观看“天问一号”发射的见闻。左为距发射基地2.9km处的三层观摩小楼

　　五问：马航为什么躲过了卫星的“眼睛”？

　　——用高分辨率的卫星仅能重点区域搜寻，无法覆盖全球

　　马航MH370失联事件曾引起世界的极大关注，据马来西亚交通部2018年发布的失事报告显示，确认班机曾经在人工控制下改变航向。那么该班机为什么躲过了卫星的“眼睛”？来自邯郸的小学教师李志国将之概括为三个方面，首先，卫星是有自己的轨道的，两次经过同一地点的时间间隔可能长达数天或者数十天。如果想要很快看到出事地点，就需要变轨飞行，这是很消耗燃料的。卫星上的燃料是用来维持轨道高度的，如果消耗掉了，卫星的寿命就会大大降低。所以说这次马航事件，中国变轨了10颗卫星，代价是相当高的。

　　其次，遥感卫星根据不同的用途设计的分辨率不同，分辨率变高了，卫星一次成像所能看到的范围就很小了。用高分辨率卫星满世界找马航的飞机是不可能实现的，最多只是重点区域搜寻。要知道，卫星影像覆盖全球，至少要一年以上的时间，即便是现在最先进的卫星或是侦察雷达，还存在很大的局限。

　　第三，现代所有客机都载有GPS定位系统，也有雷达自动应答机，因此客机飞行中的位置是由多个信号提供的，可以来自空管雷达，可以来自应答机，也可以来自由机组提供位置信息的通讯信号，所以在正常情况下这些流程都没有任何问题。但通讯系统是可以关闭的。当马航MH370从空管雷达上消失之后，只能从各地军用雷达中搜索数据，这个数据是军事机密。所有证据表明，马航当时并没有失踪，也没有坠毁。由于飞机上与地面飞行控制中心的飞行识别仪被神秘关闭或者被屏蔽，飞机只是失联。而在飞机出事前，刚刚由波音公司进行过整个飞机的大检修，也就是例行的“售后服务”。当马航转向了茫茫的印度洋，周围有效搜索范围内并无雷达。

　　

　　马航MH370在印度洋南部坠毁

　　六问：发射过66颗卫星的摩托罗拉“铱星计划”为何没有了下文？

　　——地面通讯技术获得更快发展，目前卫星移动通信和5G移动通信为互补方式

　　在网络覆盖的问题上，除了传统陆地基站之外，卫星也非常有用。电子工程师张立权提及一个最著名的卫星通信，即摩托罗拉的“铱星计划”。1980年代，摩托罗拉的一位工程师巴里·伯蒂格的妻子在度假时抱怨手机没有信号。巴里与另外两个工程师商量解决方案，由此产生了“铱星计划”，通过天基——向天上运送77颗近地卫星组成的星群，使用户可以在世界上的任何一个地方通电话。该计划一旦成功，就能实现任何人在任何地点、任何时间与任何人、采取任何方式进行通信。最后，出于技术和成本的考量，实际只使用了66颗卫星。十一年后，摩托罗拉耗费了大量资金的铱星星座虽然成功上天，但地面通讯技术获得了更快的发展，几乎无人需要摩托罗拉昂贵的卫星通讯服务。直到今年，马斯克的“星链”计划才重新吸引了人们对卫星通信的目光。

　　

　　早期的铱星计划

　　就目前来看，卫星移动通信和5G移动通信是互补的通信方式。例如今年7月7日，我国第一架高速卫星互联网飞机青岛航空QW9771航班在青岛举行首航仪式，与使用传统Ku卫星的互联网飞机不同，本次航班适配的高速互联系统基于中国首颗且唯一一颗Ka频段高通量卫星-中星16号，提供的带宽达到了150Mbps。飞机在万米空中可以实现百兆以上的高速率联网，为乘客带来与地面上像4G一样的网络冲浪体验。张立权为此信心十足，“随着技术的发展，相信未来卫星移动通信和5G移动通信会朝着融合发展的方向前进，乘法效应是很可能发生的，我们可以脑洞大开畅想未来！”

　　

　　2020年7月7日，中国首架国产高速互联网飞机青岛航空QW9771航班首航仪式在青岛开幕

　　七问：北斗导航卫星能否充当福尔摩斯来“断案”？

　　——证监会借助北斗找扇贝，一连串“弥天大谎”被揭开

　　回望过去十年，汶川地震成为一个起点，让我们开始一步步引入北斗的力量，提升对抗灾难的能力。“有了北斗的支持，直升机飞行几乎不受地形、时段和能见度影响，始终置于地面指挥系统全程监控引导下。”北斗为灾区一线和指挥部建立了实时通道，它还立下了哪些功劳？毕业于上海财大经济伦理与经济哲学专业的博士周楠，以多年来公然连续上演“扇贝跑路了”、“扇贝饿死了”等的獐子岛造假事件为例，其真面目日前被揭穿也有赖于北斗卫星系统。

　　獐子岛的扇贝谜团源于2014年，当年獐子岛宣布前三个季度盈利，但是没过多久便说早遇到几十年一遇的“冷水团”，导致扇贝跑没了，所以最终前三个季度财报变成亏损8亿。同样的戏码在2015年、2017—2019年继续上演……獐子岛的扇贝失踪已经成为“人尽皆知”的谎言，甚至獐子岛自己都知道人们知道它的谎言，可是这个谎言始终没办法揭穿，因为海底到底是个什么情况，我们没法知道，只能是獐子岛自己说了算。这一谜团背后实际上反映了生物资产数据的计量与评估难题。但北斗卫星却在此时大显身手。对生物资产数据进行评估的传统方法大多数是以“数”论“数”，也就是要想方设法数清楚到底有多少资产。而北斗导航系统提供的卫星数据则给这类数据评估提供了一个新思路，在对獐子岛财务数据进行评估的过程中，北斗导航系统提供的最核心的数据是扇贝采捕船只的导航定位信息。

　　卫星导航系统最大的优势是它有“千里眼”，可以很好地用于数据的溯源追踪和数据预测。根据船只的定位数据调查人员最终“回到过去”，弄清楚了船只到底去了哪。

　　

　　证监会借助北斗系统还原了獐子岛公司真实的捕捞区域

　　八问：未来的星球大战会是什么样的？

　　——在没有发展和研究出外星移民的前提下，星球大战不可能

　　美国科幻电影《星球大战》火了四十多年，其中的各种科幻元素是否可以变为现实？未来会有星球大战吗？来自广西的大学教师王迥畅想，“地球时代不会有星球大战，发展出外星移民后，为了互相争夺另外的星球资源，或者想脱离地球某政权的管辖而自创外星政权，或会导致爆发星球大战。”他认为，发生星球大战的前提是有其他外星可以适合人类生存。不仅能生存，还能提供人类发展的资源。在没有发展和研究出外星移民的前提下，发生大规模星球大战是不可能的。毕竟地球时代地面部队能搞定的事情何必在外太空搞呢？

　　卫星互相攻击算不算星球大战？王迥提出如是疑惑，“目前人们为了自由的生活空间会更善待生活环境和和平氛围，会有一个阶段是人类跨越国家和种族，一起发展合作并研究新的能源和技术科学，如研究星球移民。但是如果各个国家都发展出相同的外星移民技术，为了占有其他星球的资源和生活空间而发生星球大战的可能性极高。”

　　

　　轮值组听友、信托从业人员高平主持本次线上分享

　　数十年前，美国国家航空航天局“维京任务”的生物标记实验得出了存在生命的结果。尽管官方报告称其没有提供明显证据，但至今仍有科学家没有放弃火星生命假说，更有甚至提出了惊人的假设——“火星蘑菇”。不过，英国《自然·天文学》杂志的研究称，依据火星上的二氧化碳含量，不足以让人类在现有的技术条件下，实现火星的“地球化”。究竟谁是谁非，或许这次的火星探寻之旅将给我们答案。

　　天问，先源于自问。在人类向自然扣问之际，中国应当承担这份为人类做贡献的责任。

　　（整编：夏莉佳）

　　编辑：袁琭璐

　　责任编辑：李念

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