正在運(yùn)行的激光通信地面站。 空天院供圖

中國遙感衛(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(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(wù)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(yīng)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(yùn)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。

“密云站的建成運(yùn)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(bǔ)了我國在衛(wèi)星遙感技術(shù)領(lǐng)域的空白，開創(chuàng)了我國遙感技術(shù)和遙感應(yīng)用的新時代。”中國科學(xué)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(zāi)，地面站第一時間響應(yīng)，首次將衛(wèi)星遙感圖像應(yīng)用于國家重大自然災(zāi)害監(jiān)測中。從此，衛(wèi)星遙感為我國防災(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：國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求日益增長，一枝獨秀的密云站出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)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。”黃鵬說。

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(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(yùn)行，我國衛(wèi)星接收站網(wǎng)接收覆蓋面積對外擴(kuò)展約400萬平方公里，平均每顆衛(wèi)星每天可以增加約20分鐘的接收時長；

2024年9月，云南麗江站全面建成投入運(yùn)行，填補(bǔ)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(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，以高度自動化運(yùn)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(biāo)均位于世界前列。”黃鵬說。

繁忙的“傳達(dá)室”

“接收國內(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(dǎo)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(yùn)行的狀態(tài)，站上的工作人員基本都是以站為家。”

不光很忙，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(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)的所有民用對地觀測的數(shù)據(jù)接收任務(wù)。

2011年，中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項啟動，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)從對地觀測拓展至空間科學(xué)領(lǐng)域；2015年，地面站開始承擔(dān)以“悟空”“墨子”“慧眼”為代表的中國科學(xué)院空間科學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收任務(wù)，為我國空間科學(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，地面站已累計承擔(dān)中外衛(wèi)星任務(wù)76顆（目前在軌衛(wèi)星任務(wù)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(jī)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(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、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(lǐng)域，為滿足國家重大任務(wù)需求提供了數(shù)據(jù)服務(wù)。

而為適應(yīng)我國對地觀測和空間科學(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)。“密云站初建時，全部設(shè)備和技術(shù)只能靠引進(jìn)。”黃鵬告訴記者，如今，地面站的設(shè)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(dá)到世界先進(jìn)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(wù)。

“地面站現(xiàn)已發(fā)展成為中國兼容和擴(kuò)展能力最強(qiáng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)地面系統(tǒng)。”黃鵬表示，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(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，我國首個業(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”，空天院高級工程師李亞林給出關(guān)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(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，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。”李亞林說。

當(dāng)前，發(fā)達(dá)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(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，正往多點布站規(guī)模化應(yīng)用發(fā)力。

“我們同樣在加速！”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(guān)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(yùn)行，科研團(tuán)隊先后突破了大氣信道預(yù)測及任務(wù)規(guī)劃調(diào)度、激光信號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，將星地激光通信的可用時段提高了近一倍。

“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)打下堅實基礎(chǔ)。”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。“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特優(yōu)勢，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。”

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