心理学史上最牛的科学探索马上就会有结果了（现在已经结束--编辑注）。《新科学家（New Scientist）》的记者对“火星五百天”计划的控制中心进行了独家专访。

当首席工程师康斯坦丁•彻特罗格大步迈进地面控制中心的脚步声，在一刹那终结了所有的窃窃私语，只剩下滴滴答答的电子仪器运行的声音。这是原定520天的计划中的第334天，彻特罗格团队的飞向火星计划遭遇了困境。

他在五台显示器前坐下，屏幕上显示了生存支持系统的图解。一盏警示灯正在闪烁，那是正飞往火星的宇宙飞船的洗浴舱出现了一些问题。这不容忽视。小故障可能会越来越多，而六位宇航员已经在狭窄的预征飞船舱体内度过了一年半的时光。

这位首席工程师身体向前凑近了联络屏幕和话筒。“伙计们，下午好，”他说，“我们得到消息需要对洗浴舱的排水系统进行检查维修。大概在——”他看了看表，“六点钟。”他又说了些什么，然后就终止了这次联络。目前为止，这就是地面指挥中心所能做的一切了。真实情况下记录的信息从此地发出，到达宇航员们的飞船就需要九分钟。彻特罗格转过身来看看我们，我想我们需要等一小会儿了。

彻特罗格参与了有史以来最极端也是最具野心的科学探索：“火星500”。这是目前对那个红色星球的最有现实意义的尝试了。六位来自不同国家的男宇航员组成了一支“探险队员”的队伍。他们有的来自美国，有的来自中国，其他人来自欧洲。在地球上的模拟舱进行了超过一年与世隔绝的训练之后，2010年6月，他们进入了位于俄罗斯生物问题科学研究学院的一系列舱体，当然在你读这篇文章的时候他们现在还在那里（2011年11月4日实验已经结束）。

这样做是有充足的理由的：如果我们真的把人送到火星去，那将会是人类尝试过的最长的宇宙空间飞行。在那常人难以想象的幽闭的宇宙飞船当中，宇航员所要承受的心理压力是巨大的。所以我们必须要知道在这样的环境当中人的心理究竟会发生什么样的变化。不满、争执和误解在过去的短期空间飞行任务与隔绝环境试验当中一直存在。（比方说：随便你怎么叫喊吧，根本没人听得见！）

那么，当“火星500”计划接近尾声，我们了解到了什么呢？很多结果要等我们的探险队员们再度过单调乏味的50天之后才能公开。不过《新科学家》杂志得到了关于这些宇航员日常联络的独家报道。那些工程师们、心理学家们同幽闭在密闭环境里的宇航员一样，也是实验的关键组成部分。对宇航员们有绝对影响力的彻特罗格团队一直在试图找出探险队员们保持身体健康和心理满足的重要因素。到达神秘的红色星球是整个人类所面临的最重大的科学与技术的挑战之一，但是还有一个更基础的问题：我们真的准备好把宇航员们送入宇宙飞船里了吗？

我拜访火星500实验基地时，试验已经过半三个月了。三个月之前，科学家们模拟了在火星的着陆过程。现在，探险队员们正在返航的途中。通往控制室的走廊里摆放着三位俄罗斯宇宙科学巨人的半身像：康斯坦丁•齐奥尔科夫斯基、谢尔盖•科罗廖夫、尤里•加加林——在二楼的观察走廊里，可以看见“宇宙飞船”的全貌：一系列相连的圆柱形舱体。这些舱体没有窗子同时隔绝声音，气体和水可以通过管道输入其中。6名在里面的“志愿者”只能吃自己携带或者自己种植的食物。他们通过一个气阀丢弃垃圾，当然会连同记录着无数试验结果信息的闪存硬件和记忆卡。这些东西每天都会有专门的技术专家收集和分析。丢出的一切都不会回到“飞船”中去。

实验的控制中心在这个复杂建筑的二楼，由三支小分队24小时轮流值班。在一幅巨大的加加林像对面，是一面屏幕墙，检视器显示了舱体内部的各个角落，包括所有的锻炼设施、一间厨房、实验车间和“温室”。控制室的窗台上由一枝鲜红的花，那曾是要在先期训练中带入实验舱内的。而在我们头顶上方的地面上就是涌动着的莫斯科的车流：标准的都市景象。

在彻特罗格发给他的“探险队员”们信息40分钟后，一串电话铃音打断了我们的谈话——是来自火星的消息！好吧，是来自“火星”的消息。彻特罗格接收了飞船指挥官发来的回复录像。舰长表示洗浴间的排水按钮不起作用了。彻特洛夫抚摸了一下他的小胡子，关闭了信息，和高大而有着银色山羊胡的值班工程师弗拉迪米尔•戈尔巴乔夫（Vladimir Gorbachev）进行了简短的交流。戈尔巴乔夫抓起了对讲机和手电，然后他们一起出门进行调查。

虽然地面控制中心的团队随时掌握着内部情况，帮助解决技术难题，更换氧气罐等等，但在真实的任务里，勇士们需要自己解决这些问题。所以，与当前为短期宇宙航行准备的地面控制室不同，“火星500”地面团队极少与宇航员们接触。就算与“勇士们”联系，也不会给出“命令”，而只是“建议”。

在环绕地球轨道上的空间站给了我们这方面的经验：“火星500”的团队成员之一、IMBP的心理学家范迪姆•古斯因（Vadim Gushin）说，长期太空工作的宇航员很难接受地面的“命令”。国际空间站中工作的宇航员一般每周会有两天的休息时间，他们在休息期间会有一些“附加小任务”，如果他们想的可以进行一些实验或者做一些杂务之类，不过这并非要求。

从类似“火星105”计划（2008年历时三个月的关于宇航员心里的实验）和NASA的水下极端环境任务模拟操作项目这样的关于宇宙飞行的仿真实验中研究得出，从地面控制中心得到的影响少有时反倒是一件好事，因为这样可以让宇航员们保持轻松的心态完成任务。另外，在地球轨道以外的太空中旅行时，宇航员与地面是不可能进行实时联络的，所以，飞船中的成员们就要学会自己处理所遇到的问题，自主掌控研究进度。

比如说在二月份的一次“火星表面行走”中，一位“探险队员”在执行一项十分复杂的操作时向地面控制中心发出了求助信息——当然他不会立即收到回复（因为信号从火星传到地球需要9分钟时间）。心理学家表示，这位宇航员随即看起来失去了工作动力。

寂静的旅程

相应的，“火星500”团队的研究员们随后测试了“勇士”们独立解决问题的能力。他们模拟了一周地面控制中心与飞船失去联系的情形，值班医生迪莉娅•亨斯特迪诺娃（Dilia Husnutdinova）告诉我们，其实宇航员们做得很不错。“有的时候他们会把遇到的困难制作成大海报挂在摄像机上以此显示他们遭遇了技术难题。”亨斯特迪诺娃如是说。但是因为任务无生命危险，控制室决定无视他们的举动。“我们无视他们因为这根本不是什么大事。”

就算是很平常的一天，宇航员们从两次持续两个小时的与地面控制中心进行视频沟通之时，也不过是交流一些官方的数据，像工程需求、实验进度或者是和家人进行通话。相比国际空间站上的俄美宇航员来说这都过于严苛了，在国际空间站上宇航员可以随时给家里打电话联系而且经常一天打两次。“火星500”计划中的所有信息则是先传输到一个本地服务器上，然后根据“轨道的变动”和“与地球的距离”，延迟最多12分钟发给“勇士”们。

据心理学建古斯因所说，则是有史以来实验中关于交流时间要求最严格的一次。在“火星500”之前，IMBP之前做过另外一次模拟实验，那时“试验品”和研究员们每天通过鼓动一个连通的气泵来相互打招呼。然而心理学家们表示，真实的火星旅行中，宇航员是不可能频繁地与地面进行交流的，更不可能通过传感联络了，一个严格的实验必须能够模拟这样真实棘手的全封闭情形。

古斯因说，人们最终都会适应这样的联络缺失。他说：“关于交流的需求最终会消退。”例如，在IMBP的1994和1995年的空间飞行模拟研究中，地面控制中心与宇航员的信息交互随着实验的进行而逐渐减少。一名“火星105”的研究院说，与前面的实验结果相同，探险队员们在最初与地面控制中心保持着频繁的联络，不过当他们适应了与世隔绝的情形之后，他们的留言就变短了，情绪报告少了，而且关于他们的工作的要求也少了。

持续地与家人或朋友交流有时反而会增加他们的压力。“每多一句问候，每多一份担忧，对于宇航员们来说都是一种刺激。”古斯因如是说。在缺乏交流较长时间之后的一次长时间沟通会对宇航员的情绪调节起一定副作用。“就好比一个人饿了好久，突然请他享用满桌丰盛的大餐一样，”古斯因说，“那样不好。”

对于这个观点，“火星500”团队心理学家队伍的带头人奥尔加•舍甫琴科表示同意。她对自己的责任毫无疑虑。就算宇航员也不是只能惯着，相反，心理学家的任务是根据任务需求平衡宇航员的心理。她这样表达她的观点：“我们的职责最重要的是确保实验进程不会停止。”也就是说，他们要让宇航员不担心地面解决问题的能力，并且在他们可以随时申请提前退出的时候引导他们坚守岗位。

舍甫琴科已经是一位50多岁的女士了，深色的头发整齐地梳好，戴着眼镜，似乎随时都准备发出几声尽管比较尖锐的大笑。我们来到了她位于三楼的有着高高的天花板的办公室。尽管一只装有生日鲜花的花瓶装点了小小的侧桌，但是这间办公室仍然略显空旷。一包香烟和一只烟灰缸孤零零地呆在办公桌上。这里，远离了控制室各种机器喋喋不休的烦扰，舍甫琴科控制着所有传递给实验舱中“探险队员”们的信息。自从实验开始以来，她还没有休息过一天。

舍甫琴科女士几乎每天都要通过电子邮件或者是视频的方式与勇士们进行交流，并且无论面对他们的疑虑、询问还是需求，都要保有一张“值得信任的脸庞”。她是勇士们了解新闻、书籍、甚至是电子游戏，总之一切的外面的生活的渠道。她也会和宇航员的家属以及朋友们呆在一起以确保这些人提供给宇航员的信息对他们自己和实验都有帮助。

这可不是什么让人舒坦的工作。她每天三次从电视和报纸上收集总结新闻，发送到本地服务器上，当宇航员问起时还要加上有趣的科技、汽车或者是体育方面的消息。她每天会给每一位宇航员通过私人频道发送一封私人电子邮件，虽然她本人不能读到宇航员实际收到的版本，不过如果有坏消息的话，她一定可以收到。如果她发现某个宇航员受了某种刺激，她就会和宇航员的家人谈话，教他们怎样用恰当地告诉宇航员发生了什么。

在IMBP研究封闭环境心理学的这15年里，舍甫琴科也为俄空间站和国际空间站的建设提供帮助，关于有的话必须说有的话不能说，她已深谙此道。比如，有时她会刻意去掉新闻中有关犯罪的部分。犯罪活动会让人情绪低落，同时也如她所说，太空中的勇士们对地球上的事毕竟无能为力。

同样的，关于炸弹或者坠机一类的消息必须要谨慎处理。例如，在之前的“火星105”实验期间，两架法国空中客车飞机坠毁了。一名实验的参与者曾经是空中客车飞机的领航员，所以在把这则消息提供给宇航员们的之前，心理学家们试图求证他是否与某个遇难者相识。

而当今年（2011年）一月份莫斯科多莫杰多沃机场的炸弹袭击事件发生后，舍甫琴科一直等到确认所有的宇航员家属都安然无恙时才将消息告诉他们。不过与此同时，参与实验的俄罗斯的宇航员已经从他们的欧洲伙伴那里得到了消息——欧洲小伙子们早就从他们的私人信件中获悉此事——并质问为什么他们迟迟得不到消息。

严苛的爱

舍甫琴科认定她做了最好的选择。“我们没有权利把这样的信息作为如此敏感的事实告诉他们。”她升高了音调，又点起了一支烟。这样做是有先例的，1978年苏联宇航员乔治亚•格列奇科（Georgy Grechko）的父亲在格列奇科完成太空之旅的时候辞世了，那时因为担心会影响格列奇科正在进行的任务，禁止向格列奇科透露他父亲的死讯。在格列奇科返回地球的时候他才知道他的父亲已经离他而去。

不过现在，关于宇航员家里的信息是可以谨慎地透露的。在任何一种可能给宇航员增加负担的情况下，无论是孩子生病了还是家乡附近发生了地震，舍甫琴科都会尽其所能搜集信息，并且询问宇航员的家属和朋友对于这样的情况他可能有什么样的反应。正所谓“因人而异”。

她朝着天花板吐了口烟圈之后身子前倾，“因为我们都明白，”她接着说，“在实验进程中，每个人都会有担忧，而且担忧很多不同的事情，因为对于外面的世界你什么也做不了。个人太渺小了。”

当我回到控制室的时候，已近黄昏时分。值班工程师戈尔巴乔夫正在为即将到来的漫漫长夜做准备。戈尔巴乔夫需要一直工作到明天上午十点钟，但他现在情绪却很高涨。他们已经破解了“洗澡间抽水机失灵”之谜：原来在过去的两周里有三位探险队员剪了头发，所以当他们洗澡的时候，发丝就堵塞了下水管道。“这可不是什么新鲜事，”戈尔巴乔夫说，“但是我们一直从中学到同一个道理，处理平常的不起眼的小事也是这个实验的一个重要部分。”到目前为止，IMBP的研究人员表示，“火星500”计划的勇士们做得很出色，没有明显的人际关系问题，勇士们的身体和心理水平也都在基本线以上。

这就是一个很重要的结果了，戈尔巴乔夫说着，扫了一眼屏幕墙，就像他每谈到宇航员们都会看监视器屏幕一样。“看！”两个人在厨房里一边谈话，一边大口嚼着草莓。“如果他们仍然可以留在模拟实验室当中，仍然可以微笑着跟彼此说话，仍然可以坐在一起，”他说，“那么一切就都还好。”

当然，心理学家古斯因指出，和谐相处并不意味着互相讨好。到目前为止，勇士们已经证明在这样的环境下工作和活是可能的。“可能并不意味着可以过得好，也不意味着过得轻松，也不意味着任何一件事是轻而易举的。”他说。

为了到达火星，我们需要合适的宇宙飞船，需要防护宇宙射线的装备，需要良好的发动机。但还有一个来自人自身的难题与这些巨大的困难同在——适应千篇一律的单调生活，恰当地处理争执，当然，还要处理堵塞的洗浴间下水道之类。值得庆幸的是，“火星500”教给我们的已经足够支持真正的探险队员们踏上奔赴火星的征程。用舍甫琴科的话说：“我们已经准备好了。”

总体上说宇航员们相处的都不错，不过有几件事却很过分。

1973年，NASA的天空实验室项目的成员，对地面任务控制中心“造反”了。所有第一次升上太空的宇航员，发现地面指挥中心要求的任务量实在太大，他们集体关闭了信号接收器一整天，并且拒绝谈话。当然他们的努力很快见效：工作量减少了，他们也顺利地完成了实验任务。

1982年再一次全程记录的太空飞行任务中，两名俄宇航员惹怒了彼此，他们一气之下在全程211天的礼炮号空间站的工作中，绝大部分时间不跟对方说话。

在1999年一项叫做“空间站国际成员飞行模拟（SFNCSS）”的实验项目中大家表示压力很大。和“火星500”差不多，这项研究也以研究不同国家的队员如何合作为目标。不过结果并不理想。加拿大志愿者朱迪丝•拉皮埃尔（Judith Lapierre）声称，她在新年晚会上被一名俄藉队员违背她的意愿亲吻了。这次意外导致的结果就是那名俄藉队员被关了禁闭。拉皮埃尔一直坚持到试验完成，不过有一位日本藉的参与者却选择了提前离开。

20世纪60年代，几个神秘的金属球体在澳大利亚荒野被发现，西澳大利亚土著人莫卡努卡人就掌握着这样一个球体。经专家分析，这个球体竟然是钛制的！一时间各种猜测层出不穷，很多人都认为这是外星人留下的物品。这种金属球体也被命名为“莫卡努卡球”。事实真相却令大家哭笑不得：球体来自太空不假，但不属于外星人，却属于美国人。原来它是“双子座”6号飞船上宇航员的水桶。只不过是一件从天而降的太空垃圾而已。

2009年2月11日，美国的“铱星-33”与俄罗斯的一颗报废卫星“宇宙2251”在距地面800千米的太空中相撞。一时间碎片四溅，在撞击轨道附近有航天器运行的国家都紧张起来，担心自己的卫星或空间站受池鱼之殃。舆论纷纷猜测这次罕见的卫星相撞的原因。其实，航天器与太空碎片的碰撞并不鲜见，这次整颗卫星相互撞击虽为首次，但随着人类发射到太空中的人造物体越来越多，这样规模的碰撞绝对不会是最后一次。太空看似辽阔无边，而近地轨道却已拥挤不堪。

太空垃圾=太空杀手

1957年，人类第一颗人造卫星进入太空，时至今日，世界各国已经发射了5000多个卫星、火箭、探测器等航天器。与航天器数目增加相对应的是，太空垃圾的数量以每年2%至5%的速度递增。如果人类不加以治理，按这个速度，到三百年后近地轨道就可能被太空垃圾填满。

在航天史上，太空垃圾造成的事故和灾难屡见不鲜。

1983年，“挑战者”号航天飞机与一块直径0.2毫米的涂料碎片相撞，导致舷窗被损，只好提前返回地球。

【1983年，挑战者号航天飞机舷窗被太空垃圾撞击】

1986年，欧空局的“阿丽亚娜”火箭进入轨道之后不久便爆炸，形成了564块10厘米大小的残骸和2300块小碎片。这些如散弹枪弹般密集的“弹丸”后来直接造成两颗日本通信卫星失灵。

1991年9月15日，美国发射的“发现者”号航天飞机差一点与苏联的火箭残骸相撞，当时“发现者”号与这个不速之客仅仅相距2.74千米，幸亏地面指挥系统及时发来警告信号，悲剧才免于丧生。

太空垃圾在太空中以每秒6到7千米的速度运行。由于相对速度很大，很小的一块太空垃圾都足以给人造卫星或者载人飞船造成巨大损伤。一块10克重的太空垃圾与人造卫星相撞产生的能量，相当于两辆轿车以100千米的时速迎面相撞产生的能量。卫星会在瞬间被打穿或击毁。如果撞上的是载人飞船，后果更是不堪设想。

太空碎片的来源多样。运载火箭、卫星等航天器在完成任务后都会直接变成太空碎片。有的很快进入大气层烧毁，有的则长久停留在轨道上。载人航天活动也产生一些“太空垃圾”，如摄像机、工具、航天服手套等。地面上用光学望远镜和雷达能观测到的太空碎片大约每年净增200个，它们主要集中在地球同步轨道、半同步轨道高度区域和2000千米以下的高度区域。而从1957年人类发射第一颗人造地球卫星开始，太空碎片的数量就在不断增加，目前，各种太空碎片已超过4000万个，对航天器构成了极大威胁。

为了研究太空垃圾对航天器的危害到底有多大，1984年4月，“挑战者号”航天飞机将圆柱形的“长期暴露装置”释放到近地轨道，其用途之一是检测太空垃圾撞击的影响。5年零9个月后，该装置被回收，检查发现，其表面仅肉眼可见的撞击凹痕就超过32000个，最大凹痕直径达0.5厘米。相当于每天被撞击15次，每绕地球一周就被撞击一次。

【1984年4月，“长期暴露装置”从挑战者号航天飞机释放，用途之一是检测太空垃圾撞击的影响】

太空垃圾不只会对航天器造成威胁，大块的太空垃圾再入大气层时若不能燃烧殆尽，碎片就有可能伤及人类。2008年11月2日晚，一块电冰箱大小的太空垃圾坠入澳大利亚和新西兰之间的茫茫大海，所幸未对过往船只造成任何伤害。此前这个1400磅重的有毒氨水罐已在太空漂浮了16个月，2007年7月，国际空间站宇航员克莱顿·安德森在太空行走期间将其抛入太空。

【哥伦比亚号航天飞机残骸，这有助于理解一台航天器能产生多少碎片】

太空垃圾坠地产生的最大危害要数“宇宙954”事件。这是一颗苏联核动力侦察卫星的编号，在回收时失控急速向地球坠落。1978年1月24日，载有30千克浓缩铀的“宇宙954”坠毁在人烟稀少的加拿大北部地区，在18000平方英里的范围内散落了大量带有高放射性的碎片。虽然没有危及人员安全，但加拿大花费1400万美元清除污染，并获得苏联赔偿。

一般说来，太空垃圾坠地的数量与航天发射的频率成正比，发射次数越多，火箭助推器和报废卫星落下的也越多。以2001年为例，陨落的太空垃圾中，属于俄罗斯的超过120吨，属于美国的将近30吨。

电脑游戏开发者受到太空垃圾坠地的启发，在《红色警戒3》中为“苏军”设计了一种名为“太空垃圾雨”的武器，只要一点鼠标，一个报废的空间站就会自动降低轨道，呼啸而下，撞向地面的敌军。

太空垃圾越撞越多

1978年，38岁的美国天体物理学家唐纳德·凯斯勒在《地球物理研究》杂志发表了一篇论文：《人造卫星碰撞频率：一个垃圾带的产生》。他指出，当报废人造卫星和其他太空垃圾在轨道上越积越多时，它们互相碰撞的概率也将变大，直到发生不可避免的撞击。被撞击的物体将会碎裂成无数同样危险的碎片，引起更多的连锁撞击。凯斯勒写道，“这样一来，太空中的垃圾数量将以空前速度增长，在地球周围形成一个垃圾带。”从此，这种可能发生的现象被成为“凯斯勒现象”。

目前地球周围的轨道空间还算开阔，太空垃圾在太空中发生碰撞的概率很小。但如果对航天器产生的碎片不加控制，随着航天事业的不断发展，航天器自然形成的太空碎片将不断增加。轨道物体之间的碰撞概率也大幅增加——不但完好的航天器会被撞毁，产生新的碎片；碎片之间也会发生撞击、产生更小、更多的碎片。这是一个类似于“链式反应”的恶性过程。在很短的时间内，太空碎片的数量将像雪崩一样达到无法控制的地步，直到近地空间完全被碎片笼罩，再也没有航天器可以突破这个由碎片构成的牢笼。人类将被禁锢在太空垃圾网包裹的地球上。这个可怕的前景，恐怕也是遏制反卫星武器发展的最大动因。毕竟，最有能力发展反卫星武器的国家，往往也是对卫星服务依赖最多的国家。

2008年上映的科幻动画片《Wall.E》讲述了在2700年，由于人类无度的破坏环境，地面已经被垃圾覆盖，就连地球外层也包着厚厚一层“垃圾云”。人类不得已全体移居到太空船上，并且使用机器人清除地球上的垃圾，等待着有一天垃圾清理完重新回到地球上。这恐怕是凯斯勒现象极端恶化的最形象化表述。

人为散布太空垃圾

在冷战时期，长途国际通信主要由海底电缆和依靠电离层反射无线电进行。美国担心一旦战争爆发，苏联可能切断其海底电缆，这样一来美国本土与海外部队的联系只能依赖性质不稳定的电离层。因此美国开始寻求能在全球范围内稳定进行无线电通讯的办法。

1958年，麻省理工学院的科学家建议将3亿5千万枚铜针（每枚长1.75厘米，直径25微米）用卫星送入轨道，散布后形成一个8千米宽，38千米长的铜针云环。这个云环将像一面镜子一样，把从一处发射的无线电波反射至另一处。设置在西福特镇的卫星天线来进行远程通信的辅助，所以该项目叫做“西福特计划”。

第一次散布于1961年10月21日进行，卫星装载了19千克铜针，共4.8亿枚，但并没有散播成功。第二次因为运载火箭故障而失败。第三次散布于1963年5月9日成功进行，把3.5亿枚铜针散播在3650千米高的轨道上，形成人工的环状针云并成功进行了通信试验。

这些针状物分布于高度在3500千米到3800千米之间，轨道倾角在96度到87度之间的轨道范围，最终成为了太空垃圾。根据当时美国驻联合国大使阿德莱·史蒂文森的说法，在太阳辐射压力的作用下，这些针将会在短短3年内离开轨道。但事实上直到现在仍有相当数目的铜针残留在轨道上，偶然才会返回大气层，对航天器形成了不大不小的威胁。

因为“针雾”影响了天文观测，当时英国的天文学家与皇家天文学会一道对此次进行了抗议。苏联的《真理报》也以“美国玷污了宇宙”为题进行了抗议。这次事件最终被提交到联合国，并最后对1967年的联合国《外层空间条约》所含条款造成了影响。随着现代通信卫星的发展和遭到各界的抗议，针云技术最终未能获得广泛运用。

还有一种太空垃圾是无意为之，却也造成不小的负面影响。苏联在1980年至1988年期间发射了16颗海洋监测卫星，用液态金属钠作为星上核反应堆的冷却剂。为防止对地面造成核污染，卫星结束工作前，要把核反应堆抛到更高轨道。但这时冷却回路处于开放状态，金属钠泄露到太空，形成从3毫米到4厘米不等的碎片。截至1999年，这些碎片的数量有26万个之多，对附近航天器形成巨大威胁。

上述两种体积小，数量大的太空垃圾产生容易，清理极难。类似的做法很有可能启发掌握初步卫星发射能力的国家，用以作为在未来太空战争中“以小搏大”、对付航天大国航天器的撒手锏武器。

给垃圾“编号”

2008年10月7日，美国空军副部长佩顿在战略太空与国防年会上宣称，美国今后将通过天基太空监视卫星、太空篱笆等技术定位并减少太空垃圾。

所谓“太空篱笆”就是美国从1957年便开始经营的太空物体跟踪系统。该系统包括3个雷达发射站和6个接收站，分布在从乔治亚州的塔特纳尔到加利福尼亚州的圣地亚哥的广大区域。这些太空雷达发射持续的无线电波，像篱笆一样梳理地球轨道上体积大于篮球的物体。该系统每月进行500万次探测，每天可以探测1万个物体，并同时跟踪200个近地目标。

作为航天大国之一，中国也开始了这方面的研究。我国唯一专门针对“太空垃圾”的观测中心——“中国科学院空间目标与碎片观测研究中心”2005年在中科院紫金山天文台成立，为我国在太空领域建起安全预警系统。这个中心汇集了中国太空碎片研究领域十多位专家，研究范围包括建立太空碎片数据库；对已发现的太空垃圾进行实时跟踪监测；搜索尚未被发现的太空垃圾，对航天器发射和在轨运行时可能碰撞的太空碎片进行预警技术研究，并建立风险评估体系。为配合中心工作，紫金山天文台还在江苏盱眙建立1.2米近地天体探测望远镜，从中国上空经过的大部分“太空杀手”都能被这台望远镜监控到。为避开阳光和大气污染，观测将全部在夜间进行。

【位于马萨诸塞州“干草堆”的雷达，每年用600小时监测太空，是NASA发现厘米级别太空碎片的利器】

消除垃圾各显其能

预先知道太空垃圾的位置与速度便可以算出它未来的轨道，并通知有可能与之相撞的航天器改变轨道规避。但这只是消除太空垃圾的治标之策。要根除太空垃圾，还需从垃圾本身入手。

焚烧处理是一种比较常用的解决方案。例如，前面提到的国际空间站氨水罐就是一个被有意抛入大气层焚毁的垃圾。德国不伦瑞克科技大学的航天工程师卡斯滕·维德曼认为，这种技术同样适用于寿命已尽的人造卫星：卫星运行终止后，可以使之重新进入大气层并自行焚毁。另一种解决办法是将废弃的人造卫星发射到一条更高的轨道上，在这条所谓的“公墓轨道”上，运行的航天器寥寥无几，因此发生撞击的可能性也大大降低。

目前清除与回收太空碎片的方法有“激光扫帚”（用激光产生的光压推开微小碎片，或用热量气化太空碎片，适合直径1至10厘米的太空垃圾）；“太空垃圾网”（用高强度纤维编织的网络拦截太空碎片）；“机器清洁工”（带有机械臂的卫星机动到大块太空碎片附近，然后抓住该碎片）；“自杀式清扫”（发射航天器与大块太空碎片“对接”，使其速度降低，变轨至低轨道，进入大气层烧毁）等方法。但这些大都停留在设想阶段。眼下防范太空垃圾还是以“躲”为主，或者等待它们自己进入大气层烧毁。

【2112年的太空垃圾情况，上图是采取了减缓措施，下图为听之任之的情景】

阿瑟·克拉克在1979年出版的科幻小说《天堂的喷泉》中描写未来太空垃圾成灾，“必须被定位并一一处理。”人们展开大清扫行动，用装备有高能量激光的太空堡垒扫荡天空，用激光炮将所有垃圾蒸发。克拉克警告说，如果我们不采取行动，地球将被与太空隔离，我们将失去利用通信卫星，探索太空的能力。他写道，“我们将倒退回黑暗时代，地球将陷入混乱，疾病和饥饿将消灭大部分人类。”

美国一家航天技术公司则建议开发一种名为“太空牧羊犬”的装置，把太空垃圾逐个清出轨道。太阳能飞船上装备有数个“牧羊犬”（放飞到碎片附近的小型飞船），“牧羊犬”围绕太空垃圾飞行并寻找合适的对接点，一旦连接在一起就连同垃圾一起拖回大气层。每次小飞船都可以捕捉相当于自身质量数倍的太空垃圾。这听起来就像用牧羊犬围拢羊群一样简单，但现在的技术尚难达到。与之类似，王晋康在短篇科幻小说《太空清道夫》中也描绘了驾驶“太空清道车”回收太空垃圾的宇航员形象。

还有一种办法是给太空垃圾插上“翅膀”，让它们自己飞回地球。2010年3月，英国萨里大学的科学家公布了“立方帆”的设计，可以使较大的太空垃圾脱离轨道。立方帆展开后成为一块5米×5米的塑料薄膜，近地轨道上的稀薄空气分子作用在这层薄膜上，可使其缓缓减速。立方帆将单独发射并且在地面的引导下使用自身的动力来靠近太空垃圾。一旦和太空垃圾对接，它就会张开帆，把太空垃圾拖离轨道，坠向地面。

已经有太空环保主义者想得比近地轨道更远了。约翰逊航天中心的轨道碎片首席科学家尼古拉斯·约翰逊认为重返月球之前首先要考虑月球周围的太空垃圾。这些围绕月球运转的碎片会对未来的无人探月计划和载人登月计划构成威胁。它们都是以往人类进行月球探测的副产品，由各种航天器的碎片构成。因为月球引力场不均匀，这些碎片垃圾有可能冲出本来的轨道，以每小时5000英里的速度撞向月球表面。这不但会对登月宇航员的安全构成威胁，也可能破坏具有历史纪念意义的阿波罗飞船着陆点。

当然，所有这些都比不上不制造垃圾来得彻底。正如国际空间站项目经理迈克·苏弗里迪尼在氨水罐坠入南太平洋后所说：“国际空间站上的宇航员不会随便扔东西。我们有严格的政策，只有符合（自然降解）标准的东西才能抛入太空，让它进入大气层烧毁。”

看来，环境保护的意识已经延伸到大气层以外了。只有在不断完善的国际法和道德自律的双重约束下，太空才能逐渐变得清洁而且安全。

原文已发表于《科幻世界》

撰文：陈昌亚（萤火一号探测器副总设计师、上海航天局研究员）

谁是“萤火1”号？

“萤火1”号是我国首颗火星探测器。它的名字来源于我国古代对火星的称谓——“荧惑”。因为在夜空中，火红的火星“荧荧如火”。它有时候往东走，有时候往西走，令古人疑惑不解。所以他们称火星为“荧惑”。

• 磁强计：2只磁探头，测量火星磁场。
• 离子分析仪：2台，测量火星空间离子成分。
• 星敏感器：2台，用于精确测量，以确定卫星的姿态。
• 掩星天线：与“福布斯”互传数据。
• 光学成像仪：2台相机，拍摄火星及其卫星等的图像。
• 低增益天线、高增益天线：接收地面发出的指令，并向地面传回数据。
• 太阳敏感器：14块太阳片．用于捕获太阳光，以确定卫星的姿态。
• 太阳帆板：6块太阳电池板，与锂离子蓄电池联合供电。

“萤火1”号如何发射？
“萤火1”号将搭载俄罗斯运载火箭飞向火星。它将环绕火星飞行，探测火星的空间环境。与它一同发射的还有俄罗斯的火星采样返回探测器——“福布斯—土壤”探测器。“福布斯”将在火星的卫星“火卫一”上着陆，采集土壤样品后返回地球。

[上图：俄罗斯运载火箭；下图：艺术家绘制的“福布斯—土壤”探测器]

“萤火1”号关键数字录

3.56亿千米

这是“萤火1”号抵达火星后与地球的距离。隔着这么远，地球上的设备要时刻精确地追踪并控制着它，还要进行数据传输，其难度可想而知。要知道，一个信号从地球到“萤火1”号再返回需要40多分钟，而因为传输过程中的衰减，从火星返回的信号强度只是地球上空众多的人造卫星返回信号的千分之一。

-200℃

这是火星轨道的温度，而在长火影(长期的火星阴影)中温度更会低至-200℃。看来， “萤火1”号的抗低温能力绝对是超强的。在这种温度下，探测器的推进剂都会冻结。那怎么办呢?放心吧，科学家已经想出解冻方法了。

8.8小时
当“萤火1”号环绕火星飞行70天后，它将进入没有太阳光的黑暗世界——长火影。在整个探测过程中，它一共要经历7次长火影，最长的一次要8.8个小时。这期间，太阳帆板自然无法工作啦。而“萤火1”号的蓄电池容量又较小 ^[1] ，因此，为了保存能量，只能关闭一些不太重要的设备，进入休眠状态。待长火影过去后，再开启这些设备。对了， “日凌"对“萤火1"号也是一大考验 ^[2] 。届时，火星、太阳和地球处于同一条线上， “萤火1”号和地面的通信将受到严重的影响。

[1]因为搭载火箭的重量限制， “萤火1"号的蓄电池容量比较小。
[2]春分和秋分前后，太阳运行到地球赤道上空．距离地球最近。它发出的电磁波对地球的辐射最为强烈，这就是“日凌”。此时，大量太阳辐射的杂波会造成卫星信号传输质量下降甚至中断。

[“萤火1”号飞行示意图]

“萤火1”号秘技特展

休眠与唤醒
“萤火1”号经过11个月的奔波抵达火星后，收拢的太阳帆板要展开，各种电子设备要被唤醒，并开始正常工作。长火影时，一些设备要休眠，随后要再启动……因此，对它来说，休眠与唤醒显得非常关键。

“无磁”上阵
“萤火1”号的一项重要任务是探测火星空间磁场。所以，为了避免受到干扰，它将“无磁"上阵——所有的材料都是无磁的。而一些工作中会产生磁场的设备也进行了相应的设计，使它们产生的磁场能相互抵消。

“一心四用”
“萤火1”号开始工作后，要“一心四用”呢!太阳帆板要始终对准太阳，以保证太阳能电池最大限度地获得阳光，产生足够的电。天线必须对准地球，以便发送和接收各种信息。各种探测仪器要对准火星，对其拍照和完成各种探测任务。它还要与“福布斯”保持联络，对火星电离层进行“掩星"探测。

至于啥是“掩星”探测?简单来说就是“万里传音”：分别处于火星两端的“萤火1"号和“福布斯”隔着“万里”，进行通信和数据共享。这可是世界上第一次哦!这绝对是本次“中国与俄罗斯联合火星探测计划”中的一大亮点!

本文原刊载于《少年科学》2009年9月刊，“萤火1”号原订于当年10月发射，因种种原因取消后，才推迟到2011年火星与地球较接近时发射。

神舟八号已经追上了天宫一号，实现了我国航天器在太空中的首次交会对接。除了精准的轨道控制以外，让两者能够亲密接触的对接装置才是真正的关键所在。

航天器对接装置是用来实现航天器之间对接、连接与分离的装置。通过它，可以实现两个航天器机械、电气、液路的连接。二者通过对接组成轨道复合体后，可实现人员、物资的转移。目前已有的对接装置主要有“环-锥”式、“杆-锥”式、“异体同构周边”式和“抓手-碰撞锁”式4种对接装置。

[科幻插图中的非刚性对接装置]

根据使用要求，航天器对接装置可分为精确的刚性连接和在相对位移较大时的柔性连接。在大多数情况下，特别是在载人飞行时，必须采用刚性连接，以保证两个航天器不会因相对运动发射碰撞或解锁。

“环-锥”式对接装置

[“双子星座”飞船采用的“环-锥”式对接装置结构]

“环-锥”式是最早采用的对接机构，它由内截顶圆锥和外截顶圆锥组成。内截顶圆锥安装在一系列缓冲器上，能吸收冲击能量。美国的“双子星座”飞船与“阿金纳”火箭；“双子星座”飞船之间都采用了这种方式。

“杆-锥”式对接装置

[“阿波罗”飞船采用的“杆-锥”式对接装置结构]

[“阿波罗”飞船指令舱头部可见“杆-锥”式对接装置结构]

[苏联/俄罗斯的“杆-锥”式对接装置结构]

[“联盟TM”飞船头部可见“杆-锥”式对接装置]

“杆-锥”式对接装置由“杆”和“锥”两部分构成，前者装在追踪飞行器上，后者装在目标飞行器上。对接时，杆插入锥内，然后锥将杆锁定，接着拉紧两个航天器，最终锁定两个对接面完成对接。

[“杆-锥”式对接装置对接过程示意图]

美国“阿波罗”登月舱与指令舱之间；苏联/俄罗斯“联盟”飞船与“礼炮”号空间站之间；“联盟TM”飞船与“和平”号空间站之间，都曾采用这种对接装置。

“环-锥”式与“杆-锥”式在本质上是相同的。这两种对接装置虽然结构简单可靠、质量轻，但缺陷也是明显的：

• 两艘对接航天器上的对接装置不同，一艘是主动的杆，另一艘是被动的锥，二者不能通用。形象地说，二者类似于螺杆和螺母的关系。杆相当于“螺杆”、锥相当于“螺母”。带有“杆”的航天器只能主动去“追”带有“锥”的航天器并与之对接，反过来则不行。所以不利于实施太空营救。
• 对接杆和锥都位于对接口中央，占据了部分通道空间，影响了航天员的进出。

“异体同构周边”式对接装置

[苏联“联盟-19”飞船与美国“阿波罗-18”飞船对接使用的装置]

[“联盟-19”与“阿波罗-18”成员组在飞船模型前合影，对接装置清晰可见。]

为使航天员和货物能够直接通过对接通道实现转移，苏联和美国在1975年共同研制出异体同构周边式对接装置。 当两个航天器接近时，三块导向瓣分别插入对方的导向瓣空隙处。对接框上的锁紧机构使两个航天器保持刚性连接。

“异体同构周边”式对接装置有效克服了“杆-锥”式机构的缺点，这是因为：

• 对接装置是异体同构的（也就是“雌雄同体”，又可以做螺杆、又可以做螺母），航天器既可作主动方，也能作被动方，这一点对实施太空救援尤其重要；
• 对接装置是沿周边分布的，所有定向和动力部件都安装于舱口的四周，从而保证对接装置的中央成为来往通道空间。

[航天飞机与“和平”号空间站、航天飞机与国际空间站等对接采用的装置]

随着航天器的尺寸和质量不断增加，苏联又研制出可供100吨以上航天器对接使用的异体同构周边式对接装置。对接通道直径增大后，两个航天器连接刚度也得到提高。航天飞机与“和平”号空间站、航天飞机与国际空间站的对接都采用了这种装置。

[俄罗斯APAS-89对接装置]

[中国的对接装置]

神舟八号和天宫一号所采用的对接装置，也是“异体同构周边”式对接装置。有网友分析称，中国可能向俄罗斯借鉴了APAS-89对接装置。这种装置原本打算用在“暴风雪”号航天飞机与“和平号”空间站的对接上。

“抓手-碰撞锁”式对接装置

[欧洲空间局的十字形对接装置]

欧洲空间局研制的十字形对接装置与日本研制的三点式对接装置均属于“抓手-碰撞锁”式。二者只是布局上的差别。十字形对接装置是欧洲空间局研制的非密封、无通道的对接装置，仅用于无人航天器之间的对接。因其撞锁和连接器呈十字交叉分布而得名。日本的三点式对接装置则在周边布置三个抓手与撞锁，也只适用于无人航天器的对接。

国际通用标准

[新近在国际空间站上使用的“国际低冲击对接装置”(iLIDS)结构图]

鉴于上述对接装置结构各异、标准不一，可能对未来的国际太空合作形成阻碍。美国国家航空航天局（NASA）宣布，国际空间站多边协调委员会批准了一项太空对接标准，为未来的载人飞船、无人飞船、以及低轨道和深空探测任务飞行器，提供一种通用的对接规范。该委员会成员包括了NASA、俄罗斯联邦航天局、日本宇宙航空研究开发机构辅助的日本文部科学省、欧洲航天局和加拿大航天局。其目标是创建一个标准的接口，让两种不同的飞行器在太空中对接，减轻新兴国际合作空间任务开发进程中的难度，使得各国之间的太空救援成为可能。

此刻，神舟八号已经与天宫一号成功实现了对接，由于采用了“异体同构周边”式对接装置，神舟八号与天宫一号亲密接触的“部位”在构造上是一样的。从这个角度来看，把这次交会对接称为太空之吻，确实相当“科学”呀。

参考资料：

• 巡天神舟——揭秘载人航天器，中国宇航出版社，2011.6
• 载人飞船工程概论，国防工业出版社，2000.8
• http://dockingstandard.nasa.gov
• http://lt.cjdby.net/thread-1159078-1-1.html

本文已发表于果壳网 创意科技主题站 《神舟八号如何与天宫一号亲密接触》

清华大学精仪系本科毕业的女学生高杏欣，在斯坦佛大学攻读博士学位期间破解了我国北斗二代定位导航卫星的信道编码规则，随之发表了多篇高水平的论文，并获得了美国航空无线电委员会的表彰。消息传到国内，一石引起千层浪，招来骂声一片。有人称她在清华大学就读时就参与过北斗项目，她在美国的研究是吃里扒外的汉奸卖国行为。

[图1 高杏欣获得美国航空无线电委员会的表彰]

除了网上的传言，她在清华是否参加过北斗项目不得而知，但想必让其掌握核心机密的可能性很小。而且，若她在美国的研究真的破解了我国军事机密，美国想必会对此严格保密，在未来的军事对抗中拿将出来，一定可以搞我们个措手不及，不太会像现在这样高调公开，从而让我们提前防范。

那她的研究究竟是怎么回事呢？这得从卫星通信的编码流程说起。

卫星要对信号按信源编码+加密编码+信道编码的次序进行处理，其中信源编码的作用是使用更精炼的符号来携带更多的信息，加密编码的作用当然就是加密了，信道编码的作用是将前面已经生成的码处理成更适应信道传输的码。卫星使用电池工作，发射功率不可能很大，加上其距离地面成千上万公里，信号传到地面时功率会衰减到很小，甚至会被淹没在背景噪声之中。那该如何保证接收端能正确接受呢？关键就在于信道编码，导航卫星普遍采用了扩频技术，即用一个扩频码序列代表原码中的“1”，用它的反码代表原码中的“0”，这个扩频码序列被称为码片（chip），原来的10序列就变成了由码片组成的新序列。举个例子，如果由码片“-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1”代表原码中的“1”，由“+1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -1”代表原码中的“0”，则原码序列“101”就变成“-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1    +1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -1     -1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1”这样的码片序列了，为了便于您区分这三段，中间加了两处空格，而实际序列中是没有空格的。

地面的接收站收到信号后，要按上述的编码次序的反序进行解码，这就好比下床时按先内衣后外衣的次序穿衣服，上床时就要按先外衣后内衣的次序脱。在进行信道解码时，将接收到的序列按每8位分成一段，然后用已知的码片序列“-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1”去跟每段逐位相乘，然后再相加，以上述的“101”为例，其三段的第一段“-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1”，跟“-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1”逐位相乘，第一位是-1乘-1得+1……，相加的结果是+8，第二段结果是-8，第三段是+8。由于信道中有很大干扰，在码片序列中的每一位上都会迭加上不同的干扰值，这些干扰值跟“-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1”逐位相乘再相加，会因为正负相抵而削弱。显然，若码片长度是100，则上述结果就会是“+100 -100 +100”，而随着码片长度的增加，信号增强噪声抵消的效果就越发明显，实际中的码片长度会成千上万。

这段话不好理解，不妨打个比方，我在纸条上写100个+1和-1的总数相等的序列，例如-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1......，你也在纸条上写100个段话，分别是 赢78  输23  输39  赢42  输8......你写的序列中输赢次数及总量是均匀的。

都写好后双方都把纸条亮出来，你的第1条赢78对应的是我的-1，此条算你输我78元，你的第4条赢42对应我的+1，此条算你赢我42元。由于我写的正负次序你是不知道的，最终的输赢应该接近打个平手，按术语说就是数学期望为0。如果只写几条，你都碰对的可能性还不小，但随着序列越长，就越倾向于打平手。

而高杏欣出现了，她偷看了我写的+1和-1序列，她写的序列是 输23  输39  输8  赢78  赢42......这个序列的输赢次数及总量也是均匀的，在外人看来跟你写的没啥两样。但她的次序是号着我的脉搞出来的，每条都是她赢，结果就是连赢100把，序列越长，累加的钱数就越多。

从时间次序来看，空中的干扰就好比是你写出的正正负负大大小小很乱但很均衡的序列，而我写的+1和-1序列就是前面说的码片序列，两个序列所对应的正负是不相关的，对应相乘再累加就把噪声抵消了。而把所传输的信号有意搞成高杏欣那个序列的样子，那在接收端与码片序列（即我写的+1和-1序列）进行相乘再累加运算，那信号自然就会大大增强了。

由此可以看出，序列越长，接收效果就越好，但是，由一大长串正负1来表示原始的一个“1”或“0”，效率会随着序列的增加而降低，这就有个效率与可靠性的平衡问题了，一般说来，几千位的序列是比较常见的。

言归正转回到北斗，北斗一代是由几颗对地静止同步轨道卫星组成的，位于我国上空，提供区域级的定位导航服务。2007年4月14日，我国发射了M-1卫星，这是北斗二代的第一颗卫星，北斗二代跟一代有很大不同，预计发射35颗星，其中非静止轨道30颗，静止轨道5颗。与美国GPS和俄罗斯GLONASS一样，北斗二代是全球定位导航系统，我国有望抢在欧洲的伽利略系统之前成为第三个GNSS（Global Navigation Satellites System）俱乐部成员。国外常用的北斗英文名是Beidou或Compass。

按照国际法，卫星轨道和卫星频率信道先占先得，欧洲的伽利略系统跟北斗二代的频率有重合部分，但伽利略系统的第一颗实验卫星于05年打上去后很长时间没有动静，而北斗二代07年后却是连续地打，与伽利略形成了竞争关系。虽说频率信道先占先得，但总是要先备案的，我们在国际电信联盟备案了四个频率，分别是1590MHz、1561MHz、1269MHz、1207MHz。M-1打上去后引起了广泛关注，法国的国家空间研究中心就盯着研究了一个月，并公布了1589.74 MHz（E1）、1561.1 MHz（E2）、1268.52 MHz（E6）、1207.14 MHz（E5b）四个实测频率。

北斗二代并不是高杏欣的第一个破解目标，伽利略系统的首颗试验卫星于2006年1月被激活后，在几个小时之内，她就与实验室里工作人员一道捕捉到了三个波段上的信号，并在接下来的几周里破解了信道编码，对北斗二代M-1卫星的破解，更多的是上述工作的重复。

她和她的团队使用了斯坦佛大学的GNSS监控站，图2为1.8米的监控站碟形天线，图3为监控站的便携式地面设备。地面设备的核心是安捷伦89600矢量信号分析系统，配合其专用的VXI总线的测试设备，可对射频信号进行非常深入的分析，这套组合非常高端，可对三种国际3G标准设备进行测试分析，包括我国提出的TD-SCDMA标准的设备，甚至下一代的LTE设备。

[图2 斯坦佛GNSS监控站天线]

[图3 斯坦佛GNSS监控站的便携式地面设备]

卫星信号经过长徒跋涉后衰减很大，到天线那里的功率就只剩下区区10^-16 瓦特了，虽然斯坦佛GNSS监控站很先进，可以把信号放大300多倍，但信号还是会弱到无法识别。有人可能会问，这么高端的设备都识别不了，那丁点大小的用户机是咋识别的呢？原因就在于合法的用户机里有前面说的码片序列，与带扰信号进行逐位相乘再相加后，可以大幅度的放大信号和抵消干扰。作为破解者，高杏欣并不知道这个码片序列（事实上这个码片序列正是她想要知道的），那她会怎么办呢？

她采用的是相同码片累加法，从很长的接收序列中找出相同的段落，然后对齐累加，原码片部分正正加得更大的正，负负加得更小的负，而不同时段的干扰部分因互不相关，会趋向于正负抵消，对齐累加的段落数越多，则干扰被抑制得越多，码片幅度被放大得越大。

为说明这个方法，不妨设计一个游戏，我和其他10个人都写个8位数，+1和-1各4个，然后把这11个序列诸位相加，形成一个新序列，假如7个人的第1个数是+1，4个人的第1个数是-1，则新序列的第1个数是+3，以此类推。把这个新序列交给高杏欣，让她来猜我写的序列是什么。她还知道两个情况，即我永远写“-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1”这个序列，而其他10个人的正负次序每次都变，互相也不沟通。

那她如何猜呢？她会要求玩很多把这个游戏，等手上攒了一大把新序列的纸条后，就把这些纸条对齐，逐位都累加起来再得到一个更新的序列，例如-78，-82，-69，+89，+58，-56，+66，+77。

她知道只玩一把并靠一张新序列的纸条是猜不出来的，因为我的数据被其它10个人的乱数据给淹没了。但她同时知道那10个人的数据每次都是随机变的，而且又是互不相关，搞的次数多了，这10个人的每一位的数值和就会趋向于0，而我的次序是固定的，在第1236位永远贡献-1，在4578位永远贡献+1，随着游戏次数的增多，我的固定次序就脱颖而出，从“-78，-82，-69，+89，+58，-56，+66，+77”中就可以读出，我的次序就是“-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1”。

说着容易做着难，特别是如何找到相同的段落？如何对齐？这涉及到多普勒频偏消除、相位调整等很复杂的技术问题，但她的文章并没有详细地介绍。

好了，某个码片被她找到了。很明显，设计者不会把几千位的码片数据存在卫星上的闪存里，这种调用式的编码方式效率太低而成本太高，通常都是用移位寄存器来编码的。由找到的码片特例来倒推出移位寄存器的结构，跟从“0，2，4，6，8……”倒推出f(x)=2x公式一样，需要破解者的经验和数学技巧，当然也少不了计算机的仿真运算，她们用MATLAB软件把这个移位寄存器的结构给分析出来了，这个结构直接对应着生成多项式，而生成多项式相当于f(x)=2x这样的公式，知道输入，经这个生成多项式一计算，码片就编出来了。

至此，高杏欣在没有得到授权的情况下，就可以跟踪利用北斗二代了，但她所获知的东西，在北斗二代将来民用化后都是会提供给用户的，现在所使用的短码是民用的，而且也并未有意做防破解处理。北斗二代的频率是不能随便换的，但其中的编码和算法等都是可以任意重设的，在将来实际应用时，完全可以做到与GPS的P码一样，重复一次需要267天，那这种靠对齐累加来提取码片的方法就不灵光了。

北斗一代除了定位导航外，还有一个与众不同的功能，即可以进行数据通信，报道称北斗二代继承了一代的优点，想必这个优点也继承了，而数据通信的安全取决于加密编码体制，这是不同于信道编码的另一个层面的问题，她的研究与此无关。

高杏欣的研究也并不是没有意义，北斗在一些波段上覆盖了GPS和伽利略系统，研究北斗卫星信号的编码调制方式可以帮助搞清楚系统之间是否会产生冲突。

高杏欣将现行的民用短码的信道编码生成多项式公开，想必并不是北斗设计者所乐见的，但对北斗二代的安全，特别是军事应用的安全，并不会产生实质性的危害。

参考文献：

【1】Grace Xingxin Gao, Compass-M1 Broadcast Codes in E2,E5b, and E6 Frequency Bands, IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, Vol3,No.4,August 2009

【2】Grace Xingxin Gao, GNSS over China-The compass MEO Satellite Codes, InsideGNSS, July/August 2007

2011年11月1日凌晨5点58分10秒，“神舟八号”在酒泉卫星发射中心顺利升空。未来48小时内，“神舟八号”将与已经在太空等待了一个多月的“天宫一号”目标飞行器实现交会对接，组合成我国首个实验性的“空间站”雏形。这将使我国成为世界上第三个有能力独立建成空间站的国家。

神舟飞船和天宫一号对接之后的组合体

其实，当近代人类发现外太空有机可乘的时候，就已经开始萌发“空间站”的想法了。这个想法甚至早过宇宙飞船、航天飞机等具体航天交通工具的概念。

 空间站是很早的航天器概念

不算玉皇大帝的天宫的话，有一种说法认为，“空间站”这个概念至少可以追溯到1897年。当时的德国科幻作家拉塞维茨认为空间站是太空旅行的关键。德国“火箭之父”奥伯特则在1923年所著的《飞向星际空间的火箭》一书中，十分具体地使用了“空间站”这个词，并夸张地描述了空间站的用途：

早期空间站设想1

1929年，一位署名“诺丹”的奥地利工程师描述了空间站的外形及构造。他认为空间站应该采用古典的转轮外形，缓慢转动以产生人造引力。同时，它将用巨大的镜子，将太阳光会聚到锅炉管道上，产生蒸汽，驱动蒸汽发动机，以提供电能……科幻电影《2001太空奥德赛》中的轮状空间站，显然就是受诺丹的影响。

领导美国登月工程的前纳粹火箭科学家冯?布劳恩，则在20世纪50年代幻想空间站可以运送80人，环绕月球……

早期空间站设想2

总之，种种概念越想越大，最终被现实残酷的地面碰得头破血流。因为人类的航天技术并不像最初幻想得那么快、那么疯狂。直到1957年10月，人类才颤巍巍发射了第一颗人造地球卫星，而美国当时一度连柚子大小的卫星都发不上去。空间站很美好，但稳定的、大推力的火箭还没研制出来，和航天相伴而生的电子时代也没到来。

长期留驻地球人类的外太空基地，也就是空间站，在很长时间内都只能想想而已，不过，到了上世纪60年代末，情况发生了有趣的变化。

孤独求败和悲催求胜

美苏太空竞赛，催化了航天技术。1969年7月，美国人成功载人登陆月球，堪称人类的奇迹。而苏联的登月梦想则被美国彻底击垮。一时间，美国人高兴，苏联人沮丧。

拔得头筹的美国航天，已然世界第一，对于接下来再干点什么，开始感到迷乱，成了“孤独求败”。阿波罗时代庞大的航天承包商和从业人员，可不允许美国登月后就大刀阔斧缩减航天计划。美国宇航局只好开出了耗资巨大的载人登陆火星的计划。显然，这个念头超出了政治家的需要。他们普遍不支持登陆火星这样的疯子之举。

苏联则痛定思痛，悲催求胜，决心另辟蹊径，实现那个传说中能长时间停留在太空的东西，也就是空间站。这样或许能让美国人怕一怕。于是，苏联将主要人力、物力迅速投入到空间站的建设上，并把空间站作为自己的一项基本国策。苏联人认为打造能够长时间留在太空的空间站，可以保证航天员在太空长时间工作和生活，可以在这个领域保持世界第一。

而美国政府看到苏联人又有了新的鬼主意，遥想当年人造卫星、星际探测等领域的落后，各方苛责不断，苦不堪言，认为自己无论如何再不能落后，要保持各个方面的先进。于是美国开始在阿波罗飞船和航天飞机之间的空档期，利用阿波罗时代的剩余工料，建造空间站。

苏联的“礼炮”系列空间站

在空间站发展道路上，苏联较理性。他们先是发射了五座“礼炮”号“试验性空间站”，在取得了基本的技术和经验后，他们又发射了两座“礼炮”号“实用性空间站”，然后在这两个阶段的基础上最终建造出了“和平”号“多模块长久性空间站”。

礼炮空间站模型

苏联的空间站设计原则是充分利用当时的成熟技术，强调简单性，以缩短研制时间，降低风险。所以，“礼炮”系列空间站大量应用了“联盟”号宇宙飞船的技术。

“礼炮”之后，“多模块组合式空间站”的构思又在苏联科学家脑袋中应运而生。“多模块组合式空间站”每个舱段都有独立的电源和控制系统，因而安全系数较高，功能也比“礼炮”系列空间站强。“多模块组合式空间站”以大名鼎鼎的“和平”号空间站为代表。

1986年2月，苏联开始建造世界上第一座多模块组合式空间站——“和平”号空间站。“和平”号也因而成为20世纪世界上质量最大、技术最先进、运行时间最长的空间站，在轨道上工作了15年。2001年3月，“和平”号解体坠落在南太平洋。

伴随“和平”号解体坠落，苏联时代的太空优势的光环，基本消逝。

美国的空间站

与苏联相对理性的空间站战略不同，美国当初发展空间站的战略是“跳跃”式的，即重视先进性，忽视连续性和继承性。目的是少花钱、多办事。但几十年的建造结果表明，美国的这种空间站建设策略是失败的，它致使美国目前为止仅仅独立发射过一种类型的空间站——“天空实验室”。

“天空实验室”计划是个过渡性的折中计划。首先，美国宇航局认为“天空实验室”是未来空间站的一个过渡计划，是必不可少的，带有试验性质；其次，一部分美国宇航局科学家批评“阿波罗”登月计划科学意义不足，干脆搞个空间站，做几项科学研究。

而彼时的尼克松总统钟情于航天飞机，这使“天空实验室”计划一度受到冷遇，但1971年苏联率先发射了“礼炮”1号空间站，迫于压力，尼克松总统和美国宇航局加紧了建造“天空实验室”的速度。

“天空实验室3”特写

1973年5月，用“阿波罗”计划剩余工料制造的东西被命名为“天空实验室”，“土星”火箭将其发射到太空。“天空实验室”填补了“阿波罗”计划与“航天飞机”计划之间的空当，充分利用了差点被解雇的专家和差点进博物馆的设备。1979年，“天空实验室”陨落，美国失去了空间站、废弃了“土星五号”和“阿波罗”飞船、航天飞机还没建好。

而苏联的空间站建设风风火火，吸引了全世界的目光。

“自由”号空间站计划

为了一扫窘境，美国宇航局开始酝酿新的太空计划。新的空间站计划就是现在的“国际空间站”的前身——“自由”号空间站计划。

1983年12月，里根总统正式批准了空间站计划。后来，“自由”号空间站因为预算庞大、美国也没有足够的空间站建设计划，几次面临被取消，直到前苏联突然解体。美国充分利用当时俄罗斯倒向欧美的国际政治形势，决心该空间站由美俄为主多国参与，联合建设。

国际空间站的诞生

当时，苏联解体后，经济一落千丈，它的继承者俄罗斯社会制度也发生巨变，政策上一度主张倒向西方，于是各种国际合作有了可能。而那时美国宇航局正为独立开展空间站的巨额预算而头疼，因为它严重缺乏建造空间站的技术和经验，一切都要从头开始，很麻烦。

美国宇航局万般无奈突然顿悟：为何不与穷困的俄罗斯合作，利用它的技术，联合建造一个空间站？最终，在美国克林顿总统、俄罗斯叶利钦总统的授权下，美俄签订了正式建设国际空间站的协议。美国和俄罗斯这对曾经的怨家，一时间成了亲密的兄弟。

美国航天飞机与前苏联“和平”号空间站对接

美俄对空间站的盎然兴趣迷惑了其他国家。加拿大、日本、欧洲航天局也都想参与进来。这让美国宇航局乐不可支，因为从根本上讲，美国还真不情愿把所有赌注都压在一个贫穷动荡的国家身上，有了这些财力雄厚的发达国家支持，空间站计划简直如鱼得水，前程似锦。

为了分担压力，美俄同意接纳欧洲航天局、日本、加拿大等。1998年1月，15个国家共同签署了组建“国际空间站”的协议，他们分别是美国、俄罗斯、日本、欧洲航天局11个成员国（比利时、丹麦、法国、德国、意大利、荷兰、挪威、西班牙、瑞典、瑞士、英国）。后来，巴西航天局也搅和进来。其中，美国宇航局负责管理“国际空间站”。

国际空间站建站国家各自参与建造的模块

1998年，俄罗斯制造的“曙光”号功能货舱发射升空，人类历史上最大规模的“太空积木”——“国际空间站”开始装配。2010年，国际空间站宣告建成。

“国际空间站”现状

“国际空间站”目前运行在距离地面大约360千米的太空，环绕地球一圈的周期是92分钟。由于大气阻力和重新启动等影响，空间站的实际高度有时会发生数千米的飘移。

现在，“国际空间站”已成为人类在太空存在的一个永久标志，自从2000年11月之后，“国际空间站”上就一直保持至少两名宇航员至今。

针对“国际空间站”有很多人批评。这些人认为“国际空间站”计划是在浪费时间和金钱，并且抑制了其他更有意义的计划。他们认为花费在“国际空间站”上的千亿美元和近乎一代人的时间，可以用来实施无数的无人太空任务，或者将这些时间和金钱花在地球上的研究中，也要比“国际空间站”更有意义。“国际空间站”就像个飞在太空中的高级碎纸机，投进去的钞票，全部被绞碎。当初兴致勃勃的国际伙伴们，现在都忧心忡忡。

2005年7月，美国宇航局局长迈克尔?格里芬坦言航天飞机、空间站是代价高昂的“战略性错误”，现在一般公认这不是正确的道路，美国正努力将损失降到最低点。种种迹象表明“国际空间站”现在可能已是美国宇航局的“累赘”和“包袱”。“登陆火星”计划与“国际空间站”之间也没有直接联系。“国际空间站”因而备受争议。

国际空间站

所以，人类航天是一个很有意思的事情。总有狂热者老早就鼓噪太空时代、太空经济，貌似再晚就没有明天了；也总有批评者批评航天计划，认为耗资巨大，短期收益看不到。也有观察家认为，政治家和航天承包商，都会绑架航天计划。政治家要名留青史，而数以百万以航天为谋生手段的人，则要饭碗。

这在空间站建设历史上表现得尤其突出。

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