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光明圖片/視覺中國正在運行的激光通信地面站?？仗煸汗﹫D中國遙感衛(wèi)星地面站麗江站?？仗煸汗﹫D遙感衛(wèi)星，猶如人類安放在太空的眼睛，在天巡繞，對地俯視，產(chǎn)生著大量寶貴的觀測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)看不見、摸不著，如何才能傳送至地球？答案就在遙感衛(wèi)星地面站。它就像一個“數(shù)據(jù)驛站”，在地遙呼，對天仰望，接收著人們欲知的海量信息。作為空間信息領域的核心基礎設施，經(jīng)過30余年的發(fā)展，如今，中國遙感衛(wèi)星地面站已成為我國空間觀測的可靠數(shù)據(jù)源，服務千行百業(yè)、千家萬戶。從“一枝獨秀”到五站組網(wǎng)北京密云，山巒之間，一個大院圈住幾座巨大的天線，與周邊景色形成鮮明對比。中國遙感衛(wèi)星地面站（以下簡稱“地面站”）的故事正是從這里開始的。時間回到1975年，我國首次發(fā)射返回式遙感衛(wèi)星。但其時，還沒有數(shù)據(jù)傳輸型遙感衛(wèi)星以及遙感衛(wèi)星地面站，我國只能購買國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)來獲取相應資料，購買難度大、數(shù)據(jù)時效性差，數(shù)量更是極其有限。何時才能擁有屬于自己的遙感衛(wèi)星地面站？遙感科技工作者和行業(yè)部門翹首以盼。1986年12月，歷經(jīng)多年籌建，地面站建成并投入運行，包括密云衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站（密云站）和位于北京城區(qū)的總部?！懊茉普镜慕ǔ蛇\行，讓我國從此擁有了直接獲取衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的能力，擁有了自己的地面數(shù)據(jù)源，填補了我國在衛(wèi)星遙感技術(shù)領域的空白，開創(chuàng)了我國遙感技術(shù)和遙感應用的新時代。”中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院（以下簡稱“空天院”）研究員、地面站主任黃鵬說。很快，它的作用便發(fā)揮了出來。1987年，我國大興安嶺林區(qū)發(fā)生特大火災，地面站第一時間響應，首次將衛(wèi)星遙感圖像應用于國家重大自然災害監(jiān)測中。從此，衛(wèi)星遙感為我國防災減災救災提供了重要支持。但漸漸地，新問題出現(xiàn)了：國家經(jīng)濟建設需求日益增長，一枝獨秀的密云站出現(xiàn)超負荷運行的情況。“我國幅員遼闊，而密云站數(shù)據(jù)接收范圍僅能覆蓋我國約80%的陸地國土面積?！秉S鵬說。怎么解決？與我國航天事業(yè)的迅速發(fā)展同步，2005年，陸地觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)全國接收站網(wǎng)項目啟動，地面站的建設步伐加快了：2008年1月，新疆喀什站建成運行，填補了我國西部民用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收的空白；2010年5月，海南三亞站建成運行，我國對地觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)直接獲取能力首次伸展到南部海疆；2023年9月，黑龍江漠河站兩套7.3米天線系統(tǒng)先期投入運行，我國衛(wèi)星接收站網(wǎng)接收覆蓋面積對外擴展約400萬平方公里，平均每顆衛(wèi)星每天可以增加約20分鐘的接收時長；2024年9月，云南麗江站全面建成投入運行，填補了我國西南地區(qū)無固定衛(wèi)星地面接收站的空白。由點到面，地面站現(xiàn)在已是個“大家庭”——從密云站起步，地面站目前已形成了以北京總部為中心，密云、喀什、三亞、麗江、漠河五站組網(wǎng)的運行體系?！坝晌逭窘M成的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站網(wǎng)擁有38部大口徑數(shù)據(jù)接收天線和十余條高速光纖數(shù)據(jù)傳輸鏈路，具備S/X/Ka三頻段天線工程化業(yè)務運行能力，以高度自動化運行實現(xiàn)了覆蓋我國全部國土和亞洲70%陸地區(qū)域的實時數(shù)據(jù)接收，初步具備全球衛(wèi)星數(shù)據(jù)的快速獲取能力，規(guī)模體量和技術(shù)指標均位于世界前列?！秉S鵬說。繁忙的“傳達室”“接收國內(nèi)外遙感衛(wèi)星和空間科學衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并為用戶提供廣泛的數(shù)據(jù)服務，是地面站的核心業(yè)務。”在地面站喀什站站長王建平看來，地面站如同繁忙的“傳達室”?！靶l(wèi)星數(shù)據(jù)接收是一個不可逆的過程，每天每個時段都有衛(wèi)星過境，一旦錯過就可能導致珍貴的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)丟失。”王建平說，“我們一直保持著365天×24小時全天時運行的狀態(tài)，站上的工作人員基本都是以站為家?！辈还夂苊?，地面站還是個“多面手”。自1999年開始，我國空間對地觀測事業(yè)突飛猛進，地面站承擔著包括資源系列、環(huán)境減災系列、高分系列等在內(nèi)的所有民用對地觀測的數(shù)據(jù)接收任務。2011年，中國科學院空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項啟動，地面站承擔了近地軌道空間科學衛(wèi)星的跟蹤、接收、記錄和傳輸任務，將數(shù)據(jù)接收業(yè)務從對地觀測拓展至空間科學領域；2015年，地面站開始承擔以“悟空”“墨子”“慧眼”為代表的中國科學院空間科學衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收任務，為我國空間科學衛(wèi)星取得重大應用成果提供了可靠的數(shù)據(jù)保障。30余年來，地面站已累計承擔中外衛(wèi)星任務76顆（目前在軌衛(wèi)星任務50顆），接收衛(wèi)星軌道70余萬軌；同時，管理著從1986年至今超過600TB的歷史存檔數(shù)據(jù)，是世界上接收與處理衛(wèi)星數(shù)量最多的機構(gòu)之一，也是我國時間最長的對地觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)歷史檔案庫。表現(xiàn)亮眼的背后，是地面站與國計民生的緊密相連。從全國國土調(diào)查、全國生態(tài)狀況變化調(diào)查評估、全國森林資源調(diào)查等重大遙感項目，到2008年汶川地震、2010年玉樹地震等重大自然災害，黃鵬介紹，地面站接收的衛(wèi)星數(shù)據(jù)已廣泛用于科研、災害監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、林業(yè)、國土資源、城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)、水利、氣象、海洋、礦業(yè)等專業(yè)領域，為滿足國家重大任務需求提供了數(shù)據(jù)服務。而為適應我國對地觀測和空間科學事業(yè)的不斷發(fā)展，科研人員一直在開展科技攻關，努力建設與研制高水平衛(wèi)星地面系統(tǒng)?！懊茉普境踅〞r，全部設備和技術(shù)只能靠引進?！秉S鵬告訴記者，如今，地面站的設備均已實現(xiàn)國產(chǎn)化，衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收和處理系統(tǒng)達到世界先進水平，能快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收后的產(chǎn)品處理，為全國用戶提供近實時的數(shù)據(jù)服務?！暗孛嬲粳F(xiàn)已發(fā)展成為中國兼容和擴展能力最強的衛(wèi)星數(shù)據(jù)地面系統(tǒng)?！秉S鵬表示，未來，還將持續(xù)提升衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收、處理和服務能力。激光帶來新選擇2023年6月12日凌晨，一束激光從地面射向太空，與飛行的衛(wèi)星相連，一條連接天地的信息通道被搭建起來。我國首次成功實現(xiàn)星地10Gbps激光通信，星地數(shù)據(jù)傳輸?shù)男逻x擇——激光傳輸距離業(yè)務化運行又近了一步。近日，新進展傳來：自主研制的500毫米口徑激光通信地面系統(tǒng)在新疆完成部署，我國首個業(yè)務化運行的星地激光通信地面站正式建成并進入常態(tài)化運行階段，我國衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收僅靠微波地面站的現(xiàn)狀由此改變。為什么要發(fā)展星地激光通信并建設星地激光通信地面站？“高速”“高效”，空天院高級工程師李亞林給出關鍵詞。隨著我國衛(wèi)星技術(shù)的高速發(fā)展，衛(wèi)星探測產(chǎn)生的數(shù)據(jù)呈幾何級增長，但海量數(shù)據(jù)無法及時下傳的問題也日益凸顯，這制約了衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源的高效利用。李亞林表示，僅依靠設施規(guī)模擴充和局部技術(shù)指標提升，已很難滿足星地高速通信的需求，新技術(shù)手段的應用很有必要。在國際上，星地激光通信被視為未來星地高速通信的重要手段。它能有多快？以激光為載體的星地激光通信，其信息傳輸速率最高可達微波通信的近千倍?！叭绻麑㈩l段比作道路，微波X頻段是單車道，微波Ka頻段是4車道，激光可容納成百甚至上千車道。同時，激光通信系統(tǒng)重量輕、體積小、功耗低、保密性強，可以滿足星地海量數(shù)據(jù)傳輸需求?！崩顏喠终f。當前，發(fā)達國家正加速布局發(fā)展星地激光通信技術(shù)。美國已實現(xiàn)激光通信的在軌工程化應用，正加速構(gòu)建近地高速激光通信網(wǎng)絡和高速深空激光通信網(wǎng)絡；歐洲實現(xiàn)了高速相干激光通信的工程化應用，正向著工程化組網(wǎng)方向發(fā)展；日本起步較早，技術(shù)成熟，正往多點布站規(guī)?；瘧冒l(fā)力?！拔覀兺瑯釉诩铀?！”談起我國星地激光通信技術(shù)的發(fā)展，黃鵬表示，一系列關鍵核心技術(shù)正不斷被攻克——為實現(xiàn)夜間星地激光通信的常態(tài)化運行，科研團隊先后突破了大氣信道預測及任務規(guī)劃調(diào)度、激光信號的快速捕獲建鏈和自適應光學校正、復雜大氣條件下的無誤碼傳輸?shù)纫幌盗嘘P鍵技術(shù)；近期又攻克了白天強大氣湍流、強背景光下的可靠星地激光通信難題，首次成功完成了白天星地激光通信業(yè)務化運行試驗，將星地激光通信的可用時段提高了近一倍?！靶堑丶す馔ㄐ诺孛嬲镜某B(tài)化運行，將為我國下一代星地海量數(shù)據(jù)傳輸體系規(guī)劃以及新一代衛(wèi)星地面站網(wǎng)建設打下堅實基礎。”黃鵬透露，目前國家星地激光通信地面站網(wǎng)正在規(guī)劃論證中?！鞍殡S著激光通信地面站的運行和持續(xù)優(yōu)化改進，星地激光通信憑借其獨特優(yōu)勢，將在衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收領域得到廣泛應用，有望通過‘激光+微波’組合運行模式，有效解決當前海量衛(wèi)星數(shù)據(jù)難以下傳的問題?！薄鲦?接????????遙感衛(wèi)星地面站是如何工作的人造衛(wèi)星攜帶的遙感器能夠主動或被動接收各類陸地、海洋、氣象等信息，而遙感衛(wèi)星地面站則負責接收遙感衛(wèi)星向地面發(fā)送的包含各類探測信息的信號，實現(xiàn)“天有所視，地有所知”。那么，遙感衛(wèi)星地面站是如何工作的呢？中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院研究員、中國遙感衛(wèi)星地面站主任黃鵬介紹：“地面接收站的主要任務是搜索、跟蹤衛(wèi)星，接收并記錄衛(wèi)星下行的遙感數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)。”其中，跟蹤接收環(huán)節(jié)非常關鍵，是衛(wèi)星與地面接收站之間建立聯(lián)系的數(shù)據(jù)通信過程，二者的通信傳媒為電磁波（通常為微波）。目前，衛(wèi)星與地面接收站之間常用的通信頻段包括S頻段、X頻段和Ka頻段。科研人員將這一過程形容為“追星”和“讀星”?！白沸恰薄孛娼邮照疽獜拿ＣＰ呛Ｖ薪邮罩付ǖ男l(wèi)星信號并非易事，需要精準計算出衛(wèi)星的位置，并控制數(shù)十噸重的接收天線“瞄準”數(shù)百公里外飛行的衛(wèi)星；衛(wèi)星單次過站時長有限（一般為3至14分鐘），需要在幾秒內(nèi)捕獲衛(wèi)星信號，在接收過程中還要時刻調(diào)整姿態(tài)，以保持信號跟蹤接收穩(wěn)定，對準偏差不能超過0.12°?！白x星”——跟蹤到衛(wèi)星后，便是對衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)的接收環(huán)節(jié)。這類數(shù)據(jù)屬于“弱信號，大信息”。“弱信號”是指遙感衛(wèi)星發(fā)射的微波信號會經(jīng)過數(shù)百甚至數(shù)千公里，有時還會遭遇惡劣天氣，到達地面站時已非常微弱；“大信息”是指接收的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)碼速率非常高，目前主流對地觀測衛(wèi)星下行碼速率可達4×1.5Gbps。由于遙感衛(wèi)星的種類不一，對數(shù)據(jù)接收的要求也可能不同，優(yōu)秀的地面站能針對衛(wèi)星的具體接收要求進行相應配置，具有良好的通用性。分布于不同地點的地面接收站會將“讀星”數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偛?，由總部對其進行記錄存儲。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，變成可用的數(shù)據(jù)產(chǎn)品后，才會被送到用戶手中，實現(xiàn)最終的“落地”?！斑@些環(huán)節(jié)分別由不同的技術(shù)系統(tǒng)承擔和實現(xiàn)，而運行管理貫穿始終，它是各個系統(tǒng)、環(huán)節(jié)之間的總體控制和管理調(diào)度的中樞，負責接收計劃、規(guī)劃調(diào)度接收資源、下達任務，并對任務的執(zhí)行過程進行監(jiān)視和跟蹤，實現(xiàn)整個地面站的自動化、協(xié)同運行?！笨仗煸焊呒壒こ處?、地面站副主任馮柯補充道。（原載于《光明日報》 2024-10-03?08版）