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大国重器中的地理学（3）——卫星篇
图片来自网络
在一个晴朗、无灯的黑夜
夜空群星闪耀
其中，有一些星星正守护着你我
它们是人造卫星
卫星轨道示意，图片来自网络
它们在距几千万米的高空
秩序井然地运行在各自的轨道
接收着来自地球或宇宙的信号
或从遥远的地方为地球拍摄相片
并发送到地面的接收站
为人们提供海量信息
其中大部分信息都根据位置分类处理
那么这些卫星和它们带来的信息有什么用处呢？
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与空间位置关联的世界
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我们每天都有很多和位置有关的问题
出门会问：
“去哪玩呀？”“在哪吃呀？”“你在哪呢？”
关心天气的话，
会问：“天气预报说下雨，咱这儿没下，雨下在哪了？”
关心国内外大事
也少不了问清数事件发生的地点
每个人、每件事都在和地点发生关联
图片来自百度地图手机截图
卫星就能给我们提供位置相关的信息
当然，它不仅给出一个位置
我们关心的是位置背后更广泛的内容
比如这里是汤加火山的爆发地点
这里具有丰富的自然资源
这里将爆发台风
这里有大量的商场和美食街
……
这就是确定地表位置的意义
我们关心与位置相关的属性
这些属性与社会生活息息相关
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定位的历史
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人类自诞生以来就提出这样的疑问：
“我在哪里？”
“我如何找到回家的路？”
为此，先辈们做了长久的探索
他们用一定的方式标识自己所在的位置
人类定位、导航史，图片来自网络组合
史前人类将自己生活的环境、走过的路线等
用符号标刻在树皮或兽皮上
它们以周边的事物为参考
把生活的区域作为纸面绘图
这可以说是人类最早使用的"地图"
西亚的新月沃地
苏美尔人在泥板上刻下了城市的地图
是至今为止保留下来的最古老地图
图片来自网络和STARWALK截图
农业时代
我们的祖先依靠观察地球上的自然现象
来确定方向和位置
如太阳的东升西落，星星的方位
随着离家越来越远
人们逐渐发明了很多工具来定位，
比如指南针、航海仪等
定位工具的变革，图片来自网络组合
为了找到某个地点
我们依靠周边的事物——也就是参照物
来标定这个地点的位置
经纬网的发明，图片来自网络
因此，人们发明的了经纬网作为参照：
两线相交于一点
无数相交的线和点即构成了经纬网
再给这些横竖相交的线做一定的标号
每个点就有了绝对的身份，也就是坐标
这样一来
世界上所有人都可以用同样地方式说明自己的位置
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卫星定位的秘密
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那我们日常用的手机
是如何为我们定位和规划出行路线的呢？
实际上，手机只是一个接收器
而定位的核心在于导航卫星
它们在地球外部一定高度的轨道之上转圈圈
天上的“星星”是如何看到我们的位置？
又怎么能如此精准地‘指引’我们的方向？
卫星定位原理示意图（GPS）
/图片自制
左下图，S:距离，c:光速，t:时间
卫星定位是个数学问题
可以用上图展示
如果要确定纸上一个点A的位置怎么办？
如果这时纸上有两个点的位置是已知的
这两点分别与A点连接
算出两个线段的距离
就能够求出A点的坐标
但是卫星离地球几千米呢！
距离很远时怎么办呢？
这时
我们把距离的测量转换为时间的测量
当然时间测量时我们会遇到一些问题，比如如何区分两个信号
如何有一个准确的时钟来测量这两个信号到达的时间
为了保证时间的准确性
我们为两颗已知的卫星再配备一颗卫星作为时钟
地球表面
/图片来自网络
再者，地球表明不是光滑的
而有一定的起伏高低
所以再有一颗卫星量算高度
因此
定位至少需要同时有四颗卫星的支持
所有的距离又转化为时间的测算
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卫星家族知多少
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北斗卫星
北斗卫星导航系统
是我们国家自主研发的
期间经历了很多困难
从年提出双星定位
年争取频率
从北斗一号到三号
从区域到亚太到全球
尤其是今年在疫情防控的情况下，
北斗研发人员依旧排除万难，
完成了北斗三号系统的建设。
北斗卫星研发历程
/图片来自书籍
从定位原理来看
它和GPS有些类似
不同的是地面接收的部分
说个形象的比喻吧一个空间内只能放五把椅子
俄罗斯、美国占了四个还剩下一个你占了位子以后，别人就不能占先到先得，你怎么办？
因为我们不可能在全球建立基站
所以创新研发了“星间链路”
实现了星星与星星之间也能互联互通
由此弥补地面基站的不足
此外还有其它的创新点，例如短报文等
留给你们课外来认识
推荐——北斗纪录片CCTV9
风云系列
除了导航
我们也离不开天气预报
风云系列卫星就是主要
用于地球天气和空间天气监测与预报的
我们常说的天气是指温度、降水、风等大气的变化情况
而空间天气与地球所处的宇宙环境有关
尤其是太阳的状况，比如太阳风暴、黑子等
空间天气也会影响我们的生活
比如对通信产生干扰
风云四号卫星拍摄的云图（左图）；空间天气（右图）；图片来自：天气网
它们采集的地表天气情况往往以图的形式出现
比如台风的移动路径、地表一定高度大气的流动状况、汤加火山爆发的情况
通过技术人员对风云卫星拍摄的照片的处理
相关信息得以明了地展示出来
图片来自：国家气象卫星中心
风云卫星不断更新迭代
最新一代如风云三号和风云四号
去年年底首次发布
风云三号E星（又称黎明星）
拍摄了一组“地球微光图”
监测了地球昼夜交替时的大气和地面情况
除此之外
它还为太阳拍摄了一副高清照片
由此，风云三号能够更完整地揭示地球表面
热量、风力、气流等的变化情况
在暴雨、台风以及自然灾害的监测和预报中作用很大
张衡一号
年，我国首颗电磁监测试验卫星
张衡一号发射
实现了在天上为地球把脉
它主要用于地震的监测
配备磁强计灵敏度
可分辨出背景磁场五百万分之一的信号
也就是说哪怕一只蚊子落在人身上产生的重量，它也能感受到
由于在天上
相比传统的地震监测
它的覆盖范围更广
尤其是将青藏高原纳入观测
再者由于配备仪器灵敏度更高
它能够更快、更好、更精地实现对地震的观测
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卫星家族可不止上面提到的这些
它对人们生活的好处还多着咧！
卫星的应用
/图片来自网络
总的来说
卫星的发明对我们国防和民生的意义重大
在定位导航、监测预警、应急救援等国家突发事件应急体系中发挥重要作用
用大白话说
也就是我们在地球周边整了很多保镖
他们各司其职
为地球上人们的生活、生产等保驾护航
尤其是在紧急事件发生时
卫星的时刻监控
也使得我们能更好、更快地解决危机。
我国自主研发的卫星
称得上大国重器！
预告
大国重器中的地理学4
“大国重器中的地理学”前三篇
分别和大家探讨了：
航空航天、海洋探索和卫星
这三个话题
上天入海是神秘、危险而又浪漫的
我们也看到了地理学在这两大领域发挥的作用
在卫星篇中
我们从人类定位导航的科技史开始
发现卫星给生活带来的好处
于此同时
他们也为地理学带来了海量关于地球的数据
最后一篇我将和大家探索“能源”
敬请期待！
参考资料：
贲德《大国重器:图说当代中国重大科技成果》，，江苏凤凰美术出版社
天气网、国家卫星气象中心、北斗卫星导航系统
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