中国遥感卫星地面站：仰望星空的“数据驿站”
冯杰
2024年10月11日 08:19
本报记者 姚昆
光明日报（ 2024年10月03日 08版）遥感卫星，犹如人类安放在太空的眼睛，在天巡绕，对地俯视，产生着大量宝贵的观测数据。这些数据看不见、摸不着，如何才能传送至地球？
答案就在遥感卫星地面站。它就像一个“数据驿站”，在地遥呼，对天仰望，接收着人们欲知的海量信息。作为空间信息领域的核心基础设施，经过30余年的发展，如今，中国遥感卫星地面站已成为我国空间观测的可靠数据源，服务千行百业、千家万户。
从“一枝独秀”到五站组网
北京密云，山峦之间，一个大院圈住几座巨大的天线，与周边景色形成鲜明对比。中国遥感卫星地面站（以下简称“地面站”）的故事正是从这里开始的。
时间回到1975年，我国首次发射返回式遥感卫星。但其时，还没有数据传输型遥感卫星以及遥感卫星地面站，我国只能购买国外卫星数据来获取相应资料，购买难度大、数据时效性差，数量更是极其有限。
何时才能拥有属于自己的遥感卫星地面站？遥感科技工作者和行业部门翘首以盼。
1986年12月，历经多年筹建，地面站建成并投入运行，包括密云卫星数据接收站（密云站）和位于北京城区的总部。
“密云站的建成运行，让我国从此拥有了直接获取卫星遥感数据的能力，拥有了自己的地面数据源，填补了我国在卫星遥感技术领域的空白，开创了我国遥感技术和遥感应用的新时代。”中国科学院空天信息创新研究院（以下简称“空天院”）研究员、地面站主任黄鹏说。
很快，它的作用便发挥了出来。1987年，我国大兴安岭林区发生特大火灾，地面站第一时间响应，首次将卫星遥感图像应用于国家重大自然灾害监测中。从此，卫星遥感为我国防灾减灾救灾提供了重要支持。
但渐渐地，新问题出现了：国家经济建设需求日益增长，一枝独秀的密云站出现超负荷运行的情况。“我国幅员辽阔，而密云站数据接收范围仅能覆盖我国约80%的陆地国土面积。”黄鹏说。
怎么解决？与我国航天事业的迅速发展同步，2005年，陆地观测卫星数据全国接收站网项目启动，地面站的建设步伐加快了：
2008年1月，新疆喀什站建成运行，填补了我国西部民用遥感卫星数据接收的空白；
2010年5月，海南三亚站建成运行，我国对地观测卫星数据直接获取能力首次伸展到南部海疆；
2023年9月，黑龙江漠河站两套7.3米天线系统先期投入运行，我国卫星接收站网接收覆盖面积对外扩展约400万平方公里，平均每颗卫星每天可以增加约20分钟的接收时长；
2024年9月，云南丽江站全面建成投入运行，填补了我国西南地区无固定卫星地面接收站的空白。
由点到面，地面站现在已是个“大家庭”——从密云站起步，地面站目前已形成了以北京总部为中心，密云、喀什、三亚、丽江、漠河五站组网的运行体系。
“由五站组成的卫星数据接收站网拥有38部大口径数据接收天线和十余条高速光纤数据传输链路，具备S/X/Ka三频段天线工程化业务运行能力，以高度自动化运行实现了覆盖我国全部国土和亚洲70%陆地区域的实时数据接收，初步具备全球卫星数据的快速获取能力，规模体量和技术指标均位于世界前列。”黄鹏说。
繁忙的“传达室”
“接收国内外遥感卫星和空间科学卫星数据，并为用户提供广泛的数据服务，是地面站的核心业务。”在地面站喀什站站长王建平看来，地面站如同繁忙的“传达室”。
“卫星数据接收是一个不可逆的过程，每天每个时段都有卫星过境，一旦错过就可能导致珍贵的卫星观测数据丢失。”王建平说，“我们一直保持着365天×24小时全天时运行的状态，站上的工作人员基本都是以站为家。”
不光很忙，地面站还是个“多面手”。
自1999年开始，我国空间对地观测事业突飞猛进，地面站承担着包括资源系列、环境减灾系列、高分系列等在内的所有民用对地观测的数据接收任务。
2011年，中国科学院空间科学战略性先导科技专项启动，地面站承担了近地轨道空间科学卫星的跟踪、接收、记录和传输任务，将数据接收业务从对地观测拓展至空间科学领域；2015年，地面站开始承担以“悟空”“墨子”“慧眼”为代表的中国科学院空间科学卫星数据接收任务，为我国空间科学卫星取得重大应用成果提供了可靠的数据保障。
30余年来，地面站已累计承担中外卫星任务76颗（目前在轨卫星任务50颗），接收卫星轨道70余万轨；同时，管理着从1986年至今超过600TB的历史存档数据，是世界上接收与处理卫星数量最多的机构之一，也是我国时间最长的对地观测卫星数据历史档案库。
表现亮眼的背后，是地面站与国计民生的紧密相连。
从全国国土调查、全国生态状况变化调查评估、全国森林资源调查等重大遥感项目，到2008年汶川地震、2010年玉树地震等重大自然灾害，黄鹏介绍，地面站接收的卫星数据已广泛用于科研、灾害监测、环境监测、林业、国土资源、城市规划、农业、水利、气象、海洋、矿业等专业领域，为满足国家重大任务需求提供了数据服务。
而为适应我国对地观测和空间科学事业的不断发展，科研人员一直在开展科技攻关，努力建设与研制高水平卫星地面系统。“密云站初建时，全部设备和技术只能靠引进。”黄鹏告诉记者，如今，地面站的设备均已实现国产化，卫星数据接收和处理系统达到世界先进水平，能快速实现数据接收后的产品处理，为全国用户提供近实时的数据服务。
“地面站现已发展成为中国兼容和扩展能力最强的卫星数据地面系统。”黄鹏表示，未来，还将持续提升卫星数据的接收、处理和服务能力。
激光带来新选择
2023年6月12日凌晨，一束激光从地面射向太空，与飞行的卫星相连，一条连接天地的信息通道被搭建起来。我国首次成功实现星地10Gbps激光通信，星地数据传输的新选择——激光传输距离业务化运行又近了一步。
近日，新进展传来：自主研制的500毫米口径激光通信地面系统在新疆完成部署，我国首个业务化运行的星地激光通信地面站正式建成并进入常态化运行阶段，我国卫星数据接收仅靠微波地面站的现状由此改变。
为什么要发展星地激光通信并建设星地激光通信地面站？
“高速”“高效”，空天院高级工程师李亚林给出关键词。
随着我国卫星技术的高速发展，卫星探测产生的数据呈几何级增长，但海量数据无法及时下传的问题也日益凸显，这制约了卫星数据资源的高效利用。李亚林表示，仅依靠设施规模扩充和局部技术指标提升，已很难满足星地高速通信的需求，新技术手段的应用很有必要。
在国际上，星地激光通信被视为未来星地高速通信的重要手段。它能有多快？以激光为载体的星地激光通信，其信息传输速率最高可达微波通信的近千倍。
“如果将频段比作道路，微波X频段是单车道，微波Ka频段是4车道，激光可容纳成百甚至上千车道。同时，激光通信系统重量轻、体积小、功耗低、保密性强，可以满足星地海量数据传输需求。”李亚林说。
当前，发达国家正加速布局发展星地激光通信技术。美国已实现激光通信的在轨工程化应用，正加速构建近地高速激光通信网络和高速深空激光通信网络；欧洲实现了高速相干激光通信的工程化应用，正向着工程化组网方向发展；日本起步较早，技术成熟，正往多点布站规模化应用发力。
“我们同样在加速！”谈起我国星地激光通信技术的发展，黄鹏表示，一系列关键核心技术正不断被攻克——为实现夜间星地激光通信的常态化运行，科研团队先后突破了大气信道预测及任务规划调度、激光信号的快速捕获建链和自适应光学校正、复杂大气条件下的无误码传输等一系列关键技术；近期又攻克了白天强大气湍流、强背景光下的可靠星地激光通信难题，首次成功完成了白天星地激光通信业务化运行试验，将星地激光通信的可用时段提高了近一倍。
“星地激光通信地面站的常态化运行，将为我国下一代星地海量数据传输体系规划以及新一代卫星地面站网建设打下坚实基础。”黄鹏透露，目前国家星地激光通信地面站网正在规划论证中。“伴随着激光通信地面站的运行和持续优化改进，星地激光通信凭借其独特优势，将在卫星数据接收领域得到广泛应用，有望通过‘激光+微波’组合运行模式，有效解决当前海量卫星数据难以下传的问题。”
链 接
遥感卫星地面站是如何工作的
人造卫星携带的遥感器能够主动或被动接收各类陆地、海洋、气象等信息，而遥感卫星地面站则负责接收遥感卫星向地面发送的包含各类探测信息的信号，实现“天有所视，地有所知”。那么，遥感卫星地面站是如何工作的呢？
中国科学院空天信息创新研究院研究员、中国遥感卫星地面站主任黄鹏介绍：“地面接收站的主要任务是搜索、跟踪卫星，接收并记录卫星下行的遥感数据和遥测数据。”
其中，跟踪接收环节非常关键，是卫星与地面接收站之间建立联系的数据通信过程，二者的通信传媒为电磁波（通常为微波）。目前，卫星与地面接收站之间常用的通信频段包括S频段、X频段和Ka频段。科研人员将这一过程形容为“追星”和“读星”。
“追星”——地面接收站要从茫茫星海中接收指定的卫星信号并非易事，需要精准计算出卫星的位置，并控制数十吨重的接收天线“瞄准”数百公里外飞行的卫星；卫星单次过站时长有限（一般为3至14分钟），需要在几秒内捕获卫星信号，在接收过程中还要时刻调整姿态，以保持信号跟踪接收稳定，对准偏差不能超过0.12°。
“读星”——跟踪到卫星后，便是对卫星下行数据的接收环节。这类数据属于“弱信号，大信息”。“弱信号”是指遥感卫星发射的微波信号会经过数百甚至数千公里，有时还会遭遇恶劣天气，到达地面站时已非常微弱；“大信息”是指接收的遥感卫星数据码速率非常高，目前主流对地观测卫星下行码速率可达4×1.5Gbps。由于遥感卫星的种类不一，对数据接收的要求也可能不同，优秀的地面站能针对卫星的具体接收要求进行相应配置，具有良好的通用性。
分布于不同地点的地面接收站会将“读星”数据传输到总部，由总部对其进行记录存储。这些数据经过处理，变成可用的数据产品后，才会被送到用户手中，实现最终的“落地”。
“这些环节分别由不同的技术系统承担和实现，而运行管理贯穿始终，它是各个系统、环节之间的总体控制和管理调度的中枢，负责接收计划、规划调度接收资源、下达任务，并对任务的执行过程进行监视和跟踪，实现整个地面站的自动化、协同运行。”空天院高级工程师、地面站副主任冯柯补充道。