正在運(yùn)行的激光通信地面站。 空天院供圖
中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站麗江站。 空天院供圖
遙感衛(wèi)星，猶如人類安放在太空的眼睛，在天巡繞，對(duì)地俯視，產(chǎn)生著大量寶貴的觀測(cè)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(gè)“數(shù)據(jù)驛站”，在地遙呼，對(duì)天仰望，接收著人們欲知的海量信息。作為空間信息領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)設(shè)施，經(jīng)過30余年的發(fā)展，如今，中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站已成為我國(guó)空間觀測(cè)的可靠數(shù)據(jù)源，服務(wù)千行百業(yè)、千家萬戶。
從“一枝獨(dú)秀”到五站組網(wǎng)
北京密云，山巒之間，一個(gè)大院圈住幾座巨大的天線，與周邊景色形成鮮明對(duì)比。中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站的故事正是從這里開始的。
時(shí)間回到1975年，我國(guó)首次發(fā)射返回式遙感衛(wèi)星。但其時(shí)，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(guó)只能購(gòu)買國(guó)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)來獲取相應(yīng)資料，購(gòu)買難度大、數(shù)據(jù)時(shí)效性差，數(shù)量更是極其有限。
何時(shí)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(yùn)行，包括密云衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站和位于北京城區(qū)的總部。
“密云站的建成運(yùn)行，讓我國(guó)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(bǔ)了我國(guó)在衛(wèi)星遙感技術(shù)領(lǐng)域的空白，開創(chuàng)了我國(guó)遙感技術(shù)和遙感應(yīng)用的新時(shí)代。”中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院研究員、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(guó)大興安嶺林區(qū)發(fā)生特大火災(zāi)，地面站第一時(shí)間響應(yīng)，首次將衛(wèi)星遙感圖像應(yīng)用于國(guó)家重大自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)中。從此，衛(wèi)星遙感為我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)提供了重要支持。
但漸漸地，新問題出現(xiàn)了：國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求日益增長(zhǎng)，一枝獨(dú)秀的密云站出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)行的情況?！拔覈?guó)幅員遼闊，而密云站數(shù)據(jù)接收范圍僅能覆蓋我國(guó)約80%的陸地國(guó)土面積?！秉S鵬說。
怎么解決？與我國(guó)航天事業(yè)的迅速發(fā)展同步，2005年，陸地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)全國(guó)接收站網(wǎng)項(xiàng)目啟動(dòng)，地面站的建設(shè)步伐加快了：
2008年1月，新疆喀什站建成運(yùn)行，填補(bǔ)了我國(guó)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(yùn)行，我國(guó)對(duì)地觀測(cè)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(yùn)行，我國(guó)衛(wèi)星接收站網(wǎng)接收覆蓋面積對(duì)外擴(kuò)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(shí)長(zhǎng)；
2024年9月，云南麗江站全面建成投入運(yùn)行，填補(bǔ)了我國(guó)西南地區(qū)無固定衛(wèi)星地面接收站的空白。
由點(diǎn)到面，地面站現(xiàn)在已是個(gè)“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(yùn)行體系。
“由五站組成的衛(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(wù)運(yùn)行能力，以高度自動(dòng)化運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了覆蓋我國(guó)全部國(guó)土和亞洲70%陸地區(qū)域的實(shí)時(shí)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(biāo)均位于世界前列。”黃鵬說。
繁忙的“傳達(dá)室”
“接收國(guó)內(nèi)外遙感衛(wèi)星和空間科學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并為用戶提供廣泛的數(shù)據(jù)服務(wù)，是地面站的核心業(yè)務(wù)。”在地面站喀什站站長(zhǎng)王建平看來，地面站如同繁忙的“傳達(dá)室”。
“衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收是一個(gè)不可逆的過程，每天每個(gè)時(shí)段都有衛(wèi)星過境，一旦錯(cuò)過就可能導(dǎo)致珍貴的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)丟失?！蓖踅ㄆ秸f，“我們一直保持著365天×24小時(shí)全天時(shí)運(yùn)行的狀態(tài)，站上的工作人員基本都是以站為家?！?/p>
不光很忙，地面站還是個(gè)“多面手”。
自1999年開始，我國(guó)空間對(duì)地觀測(cè)事業(yè)突飛猛進(jìn)，地面站承擔(dān)著包括資源系列、環(huán)境減災(zāi)系列、高分系列等在內(nèi)的所有民用對(duì)地觀測(cè)的數(shù)據(jù)接收任務(wù)。
2011年，中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)啟動(dòng)，地面站承擔(dān)了近地軌道空間科學(xué)衛(wèi)星的跟蹤、接收、記錄和傳輸任務(wù)，將數(shù)據(jù)接收業(yè)務(wù)從對(duì)地觀測(cè)拓展至空間科學(xué)領(lǐng)域；2015年，地面站開始承擔(dān)以“悟空”“墨子”“慧眼”為代表的中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收任務(wù)，為我國(guó)空間科學(xué)衛(wèi)星取得重大應(yīng)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(jì)承擔(dān)中外衛(wèi)星任務(wù)76顆，接收衛(wèi)星軌道70余萬軌；同時(shí)，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(jī)構(gòu)之一，也是我國(guó)時(shí)間最長(zhǎng)的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)歷史檔案庫(kù)。
表現(xiàn)亮眼的背后，是地面站與國(guó)計(jì)民生的緊密相連。
從全國(guó)國(guó)土調(diào)查、全國(guó)生態(tài)狀況變化調(diào)查評(píng)估、全國(guó)森林資源調(diào)查等重大遙感項(xiàng)目，到2008年汶川地震、2010年玉樹地震等重大自然災(zāi)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(zāi)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、林業(yè)、國(guó)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(lǐng)域，為滿足國(guó)家重大任務(wù)需求提供了數(shù)據(jù)服務(wù)。
而為適應(yīng)我國(guó)對(duì)地觀測(cè)和空間科學(xué)事業(yè)的不斷發(fā)展，科研人員一直在開展科技攻關(guān)，努力建設(shè)與研制高水平衛(wèi)星地面系統(tǒng)?！懊茉普境踅〞r(shí)，全部設(shè)備和技術(shù)只能靠引進(jìn)?！秉S鵬告訴記者，如今，地面站的設(shè)備均已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收和處理系統(tǒng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，能快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收后的產(chǎn)品處理，為全國(guó)用戶提供近實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)服務(wù)。
“地面站現(xiàn)已發(fā)展成為中國(guó)兼容和擴(kuò)展能力最強(qiáng)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(wù)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(guó)首次成功實(shí)現(xiàn)星地10Gbps激光通信，星地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)男逻x擇——激光傳輸距離業(yè)務(wù)化運(yùn)行又近了一步。
近日，新進(jìn)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(guó)首個(gè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的星地激光通信地面站正式建成并進(jìn)入常態(tài)化運(yùn)行階段，我國(guó)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(shè)星地激光通信地面站？
“高速”“高效”，空天院高級(jí)工程師李亞林給出關(guān)鍵詞。
隨著我國(guó)衛(wèi)星技術(shù)的高速發(fā)展，衛(wèi)星探測(cè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)呈幾何級(jí)增長(zhǎng)，但海量數(shù)據(jù)無法及時(shí)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(shè)施規(guī)模擴(kuò)充和局部技術(shù)指標(biāo)提升，已很難滿足星地高速通信的需求，新技術(shù)手段的應(yīng)用很有必要。
在國(guó)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(dá)微波通信的近千倍。
“如果將頻段比作道路，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(shí)，激光通信系統(tǒng)重量輕、體積小、功耗低、保密性強(qiáng)，可以滿足星地海量數(shù)據(jù)傳輸需求?！崩顏喠终f。
當(dāng)前，發(fā)達(dá)國(guó)家正加速布局發(fā)展星地激光通信技術(shù)。美國(guó)已實(shí)現(xiàn)激光通信的在軌工程化應(yīng)用，正加速構(gòu)建近地高速激光通信網(wǎng)絡(luò)和高速深空激光通信網(wǎng)絡(luò)；歐洲實(shí)現(xiàn)了高速相干激光通信的工程化應(yīng)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(diǎn)布站規(guī)?；瘧?yīng)用發(fā)力。
“我們同樣在加速！”談起我國(guó)星地激光通信技術(shù)的發(fā)展，黃鵬表示，一系列關(guān)鍵核心技術(shù)正不斷被攻克——為實(shí)現(xiàn)夜間星地激光通信的常態(tài)化運(yùn)行，科研團(tuán)隊(duì)先后突破了大氣信道預(yù)測(cè)及任務(wù)規(guī)劃調(diào)度、激光信號(hào)的快速捕獲建鏈和自適應(yīng)光學(xué)校正、復(fù)雜大氣條件下的無誤碼傳輸?shù)纫幌盗嘘P(guān)鍵技術(shù)；近期又攻克了白天強(qiáng)大氣湍流、強(qiáng)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(wù)化運(yùn)行試驗(yàn)，將星地激光通信的可用時(shí)段提高了近一倍。
“星地激光通信地面站的常態(tài)化運(yùn)行，將為我國(guó)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(shè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?！秉S鵬透露，目前國(guó)家星地激光通信地面站網(wǎng)正在規(guī)劃論證中。“伴隨著激光通信地面站的運(yùn)行和持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)，星地激光通信憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，將在衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，有望通過‘激光+微波’組合運(yùn)行模式，有效解決當(dāng)前海量衛(wèi)星數(shù)據(jù)難以下傳的問題。”
■鏈 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(dòng)或被動(dòng)接收各類陸地、海洋、氣象等信息，而遙感衛(wèi)星地面站則負(fù)責(zé)接收遙感衛(wèi)星向地面發(fā)送的包含各類探測(cè)信息的信號(hào)，實(shí)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(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院研究員、中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站主任黃鵬介紹：“地面接收站的主要任務(wù)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(cè)數(shù)據(jù)。”
其中，跟蹤接收環(huán)節(jié)非常關(guān)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。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?？蒲腥藛T將這一過程形容為“追星”和“讀星”。
“追星”——地面接收站要從茫茫星海中接收指定的衛(wèi)星信號(hào)并非易事，需要精準(zhǔn)計(jì)算出衛(wèi)星的位置，并控制數(shù)十噸重的接收天線“瞄準(zhǔn)”數(shù)百公里外飛行的衛(wèi)星；衛(wèi)星單次過站時(shí)長(zhǎng)有限，需要在幾秒內(nèi)捕獲衛(wèi)星信號(hào)，在接收過程中還要時(shí)刻調(diào)整姿態(tài)，以保持信號(hào)跟蹤接收穩(wěn)定，對(duì)準(zhǔn)偏差不能超過0.12°。
“讀星”——跟蹤到衛(wèi)星后，便是對(duì)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(hào)，大信息”?！叭跣盘?hào)”是指遙感衛(wèi)星發(fā)射的微波信號(hào)會(huì)經(jīng)過數(shù)百甚至數(shù)千公里，有時(shí)還會(huì)遭遇惡劣天氣，到達(dá)地面站時(shí)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(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星下行碼速率可達(dá)4×1.5Gbps。由于遙感衛(wèi)星的種類不一，對(duì)數(shù)據(jù)接收的要求也可能不同，優(yōu)秀的地面站能針對(duì)衛(wèi)星的具體接收要求進(jìn)行相應(yīng)配置，具有良好的通用性。
分布于不同地點(diǎn)的地面接收站會(huì)將“讀星”數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偛?，由總部?duì)其進(jìn)行記錄存儲(chǔ)。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(huì)被送到用戶手中，實(shí)現(xiàn)最終的“落地”。
“這些環(huán)節(jié)分別由不同的技術(shù)系統(tǒng)承擔(dān)和實(shí)現(xiàn)，而運(yùn)行管理貫穿始終，它是各個(gè)系統(tǒng)、環(huán)節(jié)之間的總體控制和管理調(diào)度的中樞，負(fù)責(zé)接收計(jì)劃、規(guī)劃調(diào)度接收資源、下達(dá)任務(wù)，并對(duì)任務(wù)的執(zhí)行過程進(jìn)行監(jiān)視和跟蹤，實(shí)現(xiàn)整個(gè)地面站的自動(dòng)化、協(xié)同運(yùn)行。”空天院高級(jí)工程師、地面站副主任馮柯補(bǔ)充道。
用戶評(píng)論