砥砺三十载：让中国遥感卫星地面站走向世界

　　当地时间2016 年12 月15 日，我国首个海外陆地卫星接收站——中国遥感卫星地面站北极接收站（简称“北极站”），在瑞典基律纳通过现场验收并投入试运行。历经两年建设完成的北极站具有全天候、全天时、多种分辨率卫星的接收能力，其落成运行极大提高了我国对全球遥感数据的快速获取能力，对自然灾害等需要快速响应的应用具有重大意义。
　　北极站建设完成之际，恰逢中国遥感卫星地面站建设发展30 年。日前，本刊记者就北极站的技术特点、建站意义、地面站布局规划以及国际合作等问题采访了中国科学院遥感与数字地球研究所副所长刘建波研究员。
　　坐标北极：中国首个海外陆地卫星接收站落成
　　北极站位于瑞典基律纳航天中心，站址经纬度为北纬67°53′、东经21°04′，位于北极圈以北约200km处。北极站由国家高分辨率对地观测系统重大专项（简称高分重大专项）支持，中国科学院遥感与数字地球研究所（简称遥感地球所）承担建设和运行任务。在建设方面，发挥了国内多家单位的专业技术优势，包括航天恒星科技有限公司（系统集成），中国电子科技集团第三十九研究所（天线制造）、第54研究所（运管控）、第十五研究所，第四十四研究所等。在运行方面，与国内其他地面站一样，北极站由遥感地球所总部统一调度控制，自动化水平高，接收数据后通过地面光纤网络传输至北京，并进一步传输给相关部门，提供给全国用户。运行经费由国家财政资金支持。
　　世界上重视航天发展的国家，在遥感卫星发展到一定程度后，大多会考虑在极地建站。原因是极地接收站可以明显提高数据获取的时效性。极轨卫星南北向绕地球运行，每天转14圈多，每轨都会飞越极地上空，极地站可以更多地看到卫星，这就意味着可以更多地接收卫星下传的遥感数据。国际上，大家一般选择在北极而不是南极建接收站，北极地区虽然偏远，但还是有一些地点可以较为方便获得水、电、网络支持。南极是无人区，建设和运行成本要高出若干倍。
　　就全球数据的获取来讲，国内地面站也可以通过星上记录回放进行获取，但是效率较低。对于同一颗卫星而言，基于原有的密云站、喀什站、三亚站三个站，每天可累计接收卫星数据9~10轨（即捕获过境卫星9~10次），而位于瑞典的北极站每天可接收11~12轨，比另外三个站接收总数还要多，大大增加了卫星拍摄数据的下传时效。对于全球数据获取，卫星获取某一区域数据后，下传给国内站的最长时间间隔可达7个小时以上，而下传给北极站的最长时间间隔不超过3.5个小时，平均下传时间不超过2个小时，数据获取时效性可提升1倍以上。目前，遥感地球所接收的卫星达20多颗，其中多颗卫星已经通过北极站进行接收。
　　中国作为世界大国，在全球数据的获取上应当具备强大能力，以便为国内国际用户提供更好的服务。海外建站，主要是为了更快地获取全球数据。一方面，这些数据服务于国内用户开展全球问题的科学和应有研究；另一方面，这些数据也可以通过共享或商业方式为当地提供服务，加强中国与其他国家之间的合作。根据《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015-2025年）》，遥感地球所将进一步增强北极地面站的能力。
　　别具匠心：北极站的技术创新与性能特点
　　因地制宜重创新，别具匠心获突破。围绕极地地区的气候和工作条件，科研技术人员在工程建设方面突破了一大批关键技术，高质量地完成了系统建设任务。
　　（1）接收系统的高性能技术指标
　　目前，国内的密云站有7座天线，喀什站和三亚站各有5 座天线，这些天线可以统筹安排使用，以接收多颗不同指标的卫星。北极站仅1座天线，它必须具有较强的综合性才能适应多种性能的卫星。相比一般的两频段天线系统，北极站天线系统的性能大幅提高，拥有S/X/Ka三频段数据接收能力。这是我国三频段天线的第一次工程化应用，可以满足未来我国Ka频段带宽卫星的任务需要。
　　（2）海量数据的远距离传输
　　陆地卫星的数据量比气象、海洋卫星高出很多倍。北极站主要获取国内地面站接收较困难的全球卫星数据，数据量非常大。北极站天线系统数据支持的接收速率为2×800Mbit/s（X频段）和4×1.5Gbit/s（Ka频段），达到世界领先水平。而此前的天线系统一般速率为2×450Mbit/s，这意味着今后单位时间内下传数据量最高可增加6倍，海量数据对远距离传输速率提出了挑战。遥感地球所结合欧洲科学教育网、中国教育网和科技网的经验，进行了大量的试验论证，最终确定了北极站数据回传的链路。
　　（3）关键技术的重大突破
　　为适应北极地区特殊的气候和工作条件，北极站在工程建设方面突破了一系列关键技术，如大型三轴天线结构系统轻型化、模块化、抗低温、易拆卸设计，以及自动化运行等。北极站采取无人值守的运行方式，位于北京总部的站网运行管理系统对其进行计划调度、系统监管、数据传输和质量监测等，现场无需人工干预。
　　着眼全球：陆地卫星数据接收站网布局与规划
　　“潮平两岸阔，风正一帆悬。”30年来，中国遥感卫星地面站着眼可持续发展，不断进步，并开始布局全球。
　　1986年，我国建立了首个中国遥感卫星地面站密云数据接收站，主要用于直接接收我国中部、东部与东北部及邻近国家地区遥感数据，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新时代。
　　1999年10月，密云站开始执行我国首颗国产陆地卫星即中巴地球资源一号卫星的数据接收任务。在较长一段时间内，密云站是我国唯一的民用国产陆地遥感卫星数据接收站，我国陆地遥感卫星数据接收能力仅仅覆盖国土陆地面积的大约80%。具备覆盖全部国土的陆地观测卫星数据接收能力成为发展我国卫星遥感事业、促进应用发展的重要需求。
　　2007年，在长期论证与准备的基础上，国家发改委投资支持的陆地观测卫星数据全国接收站网工程项目正式启动，在北京密云、新疆喀什、海南三亚三地开展站网系统与配套设施工程建设。经历了设计研制和多年的边建设边运行服务，三站网接收系统保证了后续多颗卫星接收任务，具备范围覆盖全国及周边国家和地区（亚洲70%范围）的卫星数据实时获取能力。
　　在此基础上，为了适应资源三号卫星、高分辨率对地观测卫星系列、空间科学卫星系列等国产先进新型卫星技术发展，中国遥感卫星地面站进一步增强地面接收站网的数据接收、记录、传输、运行管理等能力。资源三号卫星发射后，由于其卫星轨道较低，覆盖圈较小，在云南一带出现约10万平方公里的数据接收空白区。2016年，我国在云南昆明部署完成了西南地面站，采用无人值守方式。在经历了30年的建设发展后，中国已建设成4个国内陆地卫星接收站和1个海外陆地卫星接收站。在布局思路上，国内4个地面站主要是为了保证我国及亚洲周边国家和地区的数据覆盖和实时接收，北极站则是为了提高我国对全球数据的接收获取能力。
　　根据国家统筹部署，未来我国陆地遥感卫星地面站网的建设将大致分为“十三五”和“十四五”两个阶段。第一个阶段，遥感地球所将进一步增强北极站的能力，并根据国家“一带一路”倡议，在沿线国家和地区适当布局，构建基于空间观测的“数字丝路”。第二个阶段，在综合考虑数据传输条件、合作环境、数据安全等条件的基础上，增加接收站点的分布，全面提升全球卫星数据的获取能力。好的合作都是建立在互惠共赢的基础上的，形成“一带一路”信息的重大基础设施，不仅可为“一带一路”国家提供空间数据、环境信息与决策支持，还可以有效促进我国与沿线国家的科技及全方位合作。
　　遥感产业：国家地面站与卫星商业应用
　　“投资在天，受益在地”是中国工程院张履谦院士一直倡导的理念。中国遥感卫星地面站是国家重大科技基础设施，也是国际资源卫星地面站网成员，是世界上接收与处理卫星数量最多的机构之一。其定位主要是为国家实现数据信息获取、国内公益应用、国际合作等方面。在现有能力满足和完成国家卫星任务需求的基础上，地面站还有一些富余能力，也可开放为企业提供服务，这也是国家地面站的贡献和担当，通过发挥重大基础设施能力，支持产业发展。
　　近年来，国内的一些企业和高校也建立了一些地面站，主要是为了接收商业卫星或开展科研实验。这些站的定位和中国遥感卫星地面站不一样。中国遥感卫星地面站属于以公益性质为主的“国家队”，目前拥有5个站，20多座天线，接收卫星20多颗，规模体量和关键技术指标均居世界前列。接收任务主要是国家投资的卫星。从国际发展趋势来看，企业投资地面站，服务商业卫星的需求也会进一步发展。企业建设地面站，政策上不存在障碍，政府要做的是保证此类投资是市场行为，避免企业以不同名义向政府要钱投资。
　　目前，卫星遥感在防灾减灾、生态环境、科学研究等公益方面的应用和影响力已经比较大，这得益于广泛的数据共享活动。政府投资的卫星，多数国家或机构（如美国和欧盟）都采取免费共享的政策。而产业化方面，相比卫星导航和卫星通信，卫星遥感的产业发展体量还小，潜力还大。一般认为，具备较大产业价值的卫星都是高分辨率卫星，这是目前国内比较缺乏的。虽然国内已经发射了一些米级高分辨率卫星，但尚未形成业务化服务能力。打个比方，用户想要每天都看到天安门的数据，但是受到卫星回归周期、卫星数量、卫星机动测摆能力等限制，可能3天才飞过一次天安门上空，这就达不到用户的要求。现在国内外都在提“卫星群”的概念，比如说20颗卫星升空，每天都有数据，就能更好地满足需求，市场也会被更好地激发出来。
　　数据本身具有一定的产业价值，但这不是重点，做好数据分析后会产生大量信息，这些信息会具有更好的产业价值。从国家层面来讲，目前比较需要出台一些与数据的分发与付费等内容相关的政策许可，积极鼓励数据深加工业务，扩大产业规模。当前，各类商业卫星计划谈的很多，但要注意投入产出，要真正依靠市场驱动。现在政府提倡公私合营（PPP）方式，应该也是引导企业更多考虑市场。
　　和衷共济：基于卫星遥感开展的国际合作
　　“同舟共济扬帆起，乘风破浪万里船。”遥感地球所十分重视国际合作，积极探索开拓新的合作模式，开展广泛、高水平的双边和多边科技合作与交流，拓展广泛的国际合作战略伙伴关系，与30多个国家和国际组织建立了稳定的合作伙伴关系。发达国家中有欧盟多国、美国、日本、加拿大和澳大利亚等，发展中国家有蒙古、斯里兰卡和东南亚的柬埔寨、泰国等。在接收获取其他国家（如美国、加拿大、法国等）卫星数据的同时，遥感地球所也将接收到的数据和相关应用推向发展中国家。
　　遥感地球所还与一些国际组织和机构达成合作，目前已拥有国际数字地球学会、联合国教科文组织国际自然与文化遗产空间技术中心、灾害风险综合研究计划国际项目办公室、CAS-TWAS 空间减灾卓越中心等四大国际科技平台，并发起大型国际科技合作计划，牵头开展亚洲大洋洲综合地球观测国际计划（AOGEOSS）工作，具备了在联合国系统、国际科学理事会系统等国际学术组织的框架下开展科技工作的能力。例如，由中国科学院发起和主导的第三极环境计划（TPE），是NASA 恢复与中国合作后的首个项目，主要研究第三极地区的气候变化、冰川变化、冻土变化、水资源变化、生物多样性及人类影响，为青藏高原的环境保护和生态建设提供科学依据。
　　励精图治三十载，今朝扬帆再弄月。建设运行30 年来，中国遥感卫星地面站保存了400 多万景的遥感卫星原始数据资料，是我国珍贵的对地观测卫星数据档案库，为有关部门进行分析和决策提供了强有力的数据保障与信息支持，如灾害监测、雾霾分析、智慧城市等，这对国家建设、城市管理与可持续发展具有重大意义。在采访的最后，刘建波研究员感慨道：“我们对过去的了解，很大程度建立在遥感大数据的基础上，中国遥感卫星地面站为此发挥了不可估量和应有的作用。”
　　（本文来源：卫星应用）

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