砥礪三十載：讓中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站走向世界
——訪中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所副所長(zhǎng)劉建波

砥礪三十載：讓中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站走向世界
——訪中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所副所長(zhǎng)劉建波

當(dāng)?shù)貢r(shí)間2016年12月15日，我國(guó)首個(gè)海外陸地衛(wèi)星接收站——中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站北極接收站（簡(jiǎn)稱“北極站”），在瑞典基律納通過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收并投入試運(yùn)行。歷經(jīng)兩年建設(shè)完成的北極站具有全天候、全天時(shí)、多種分辨率衛(wèi)星的接收能力，其落成運(yùn)行極大提高了我國(guó)對(duì)全球遙感數(shù)據(jù)的快速獲取能力，對(duì)自然災(zāi)害等需要快速響應(yīng)的應(yīng)用具有重大意義。

北極站建設(shè)完成之際，恰逢中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站建設(shè)發(fā)展30年。日前，本刊記者就北極站的技術(shù)特點(diǎn)、建站意義、地面站布局規(guī)劃以及國(guó)際合作等問題采訪了中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所副所長(zhǎng)劉建波研究員。

坐標(biāo)北極：中國(guó)首個(gè)海外陸地衛(wèi)星接收站落成

北極站位于瑞典基律納航天中心，站址經(jīng)緯度為北緯67°53′、東經(jīng)21°04′，位于北極圈以北約200km處。北極站由國(guó)家高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)（簡(jiǎn)稱高分重大專項(xiàng)）支持，中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所（簡(jiǎn)稱遙感地球所）承擔(dān)建設(shè)和運(yùn)行任務(wù)。在建設(shè)方面，發(fā)揮了國(guó)內(nèi)多家單位的專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，包括航天恒星科技有限公司（系統(tǒng)集成），中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十九研究所（天線制造）、第54研究所（運(yùn)管控）、第十五研究所，第四十四研究所等。在運(yùn)行方面，與國(guó)內(nèi)其他地面站一樣，北極站由遙感地球所總部統(tǒng)一調(diào)度控制，自動(dòng)化水平高，接收數(shù)據(jù)后通過地面光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至北京，并進(jìn)一步傳輸給相關(guān)部門，提供給全國(guó)用戶。運(yùn)行經(jīng)費(fèi)由國(guó)家財(cái)政資金支持。

世界上重視航天發(fā)展的國(guó)家，在遙感衛(wèi)星發(fā)展到一定程度后，大多會(huì)考慮在極地建站。原因是極地接收站可以明顯提高數(shù)據(jù)獲取的時(shí)效性。極軌衛(wèi)星南北向繞地球運(yùn)行，每天轉(zhuǎn)14圈多，每軌都會(huì)飛越極地上空，極地站可以更多地看到衛(wèi)星，這就意味著可以更多地接收衛(wèi)星下傳的遙感數(shù)據(jù)。國(guó)際上，大家一般選擇在北極而不是南極建接收站，北極地區(qū)雖然偏遠(yuǎn)，但還是有一些地點(diǎn)可以較為方便獲得水、電、網(wǎng)絡(luò)支持。南極是無人區(qū)，建設(shè)和運(yùn)行成本要高出若干倍。

就全球數(shù)據(jù)的獲取來講，國(guó)內(nèi)地面站也可以通過星上記錄回放進(jìn)行獲取，但是效率較低。對(duì)于同一顆衛(wèi)星而言，基于原有的密云站、喀什站、三亞站三個(gè)站，每天可累計(jì)接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)9～10軌（即捕獲過境衛(wèi)星9～10次），而位于瑞典的北極站每天可接收11～12軌，比另外三個(gè)站接收總數(shù)還要多，大大增加了衛(wèi)星拍攝數(shù)據(jù)的下傳時(shí)效。對(duì)于全球數(shù)據(jù)獲取，衛(wèi)星獲取某一區(qū)域數(shù)據(jù)后，下傳給國(guó)內(nèi)站的最長(zhǎng)時(shí)間間隔可達(dá)7個(gè)小時(shí)以上，而下傳給北極站的最長(zhǎng)時(shí)間間隔不超過3.5個(gè)小時(shí)，平均下傳時(shí)間不超過2個(gè)小時(shí)，數(shù)據(jù)獲取時(shí)效性可提升1倍以上。目前，遙感地球所接收的衛(wèi)星達(dá)20多顆，其中多顆衛(wèi)星已經(jīng)通過北極站進(jìn)行接收。

中國(guó)作為世界大國(guó)，在全球數(shù)據(jù)的獲取上應(yīng)當(dāng)具備強(qiáng)大能力，以便為國(guó)內(nèi)國(guó)際用戶提供更好的服務(wù)。海外建站，主要是為了更快地獲取全球數(shù)據(jù)。一方面，這些數(shù)據(jù)服務(wù)于國(guó)內(nèi)用戶開展全球問題的科學(xué)和應(yīng)有研究；另一方面，這些數(shù)據(jù)也可以通過共享或商業(yè)方式為當(dāng)?shù)靥峁┓?wù)，加強(qiáng)中國(guó)與其他國(guó)家之間的合作。根據(jù)《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2015-2025年）》，遙感地球所將進(jìn)一步增強(qiáng)北極地面站的能力。

世界上重視航天發(fā)展的國(guó)家，在遙感衛(wèi)星發(fā)展到一定程度后，大多會(huì)考慮在極地建站。原因是極地接收站可以明顯提高數(shù)據(jù)獲取的時(shí)效性。國(guó)際上，大家一般選擇在北極而不是南極建接收站，北極地區(qū)雖然偏遠(yuǎn)，但還是有一些地點(diǎn)可以較為方便獲得水、電、網(wǎng)絡(luò)支持。南極是無人區(qū)，建設(shè)和運(yùn)行成本要高出若干倍。

別具匠心：北極站的技術(shù)創(chuàng)新與性能特點(diǎn)

因地制宜重創(chuàng)新，別具匠心獲突破。圍繞極地地區(qū)的氣候和工作條件，科研技術(shù)人員在工程建設(shè)方面突破了一大批關(guān)鍵技術(shù)，高質(zhì)量地完成了系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)。

（1）接收系統(tǒng)的高性能技術(shù)指標(biāo)

目前，國(guó)內(nèi)的密云站有7座天線，喀什站和三亞站各有5座天線，這些天線可以統(tǒng)籌安排使用，以接收多顆不同指標(biāo)的衛(wèi)星。北極站僅1座天線，它必須具有較強(qiáng)的綜合性才能適應(yīng)多種性能的衛(wèi)星。相比一般的兩頻段天線系統(tǒng)，北極站天線系統(tǒng)的性能大幅提高，擁有S/X/ Ka三頻段數(shù)據(jù)接收能力。這是我國(guó)三頻段天線的第一次工程化應(yīng)用，可以滿足未來我國(guó)Ka頻段帶寬衛(wèi)星的任務(wù)需要。

（2）海量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸

陸地衛(wèi)星的數(shù)據(jù)量比氣象、海洋衛(wèi)星高出很多倍。北極站主要獲取國(guó)內(nèi)地面站接收較困難的全球衛(wèi)星數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量非常大。北極站天線系統(tǒng)數(shù)據(jù)支持的接收速率為2×800Mbit/s（X頻段）和4×1.5Gbit/s（Ka頻段），達(dá)到世界領(lǐng)先水平。而此前的天線系統(tǒng)一般速率為2×450Mbit/s，這意味著今后單位時(shí)間內(nèi)下傳數(shù)據(jù)量最高可增加6倍，海量數(shù)據(jù)對(duì)遠(yuǎn)距離傳輸速率提出了挑戰(zhàn)。遙感地球所結(jié)合歐洲科學(xué)教育網(wǎng)、中國(guó)教育網(wǎng)和科技網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)論證，最終確定了北極站數(shù)據(jù)回傳的鏈路。

（3）關(guān)鍵技術(shù)的重大突破

為適應(yīng)北極地區(qū)特殊的氣候和工作條件，北極站在工程建設(shè)方面突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，如大型三軸天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)輕型化、模塊化、抗低溫、易拆卸設(shè)計(jì)，以及自動(dòng)化運(yùn)行等。北極站采取無人值守的運(yùn)行方式，位于北京總部的站網(wǎng)運(yùn)行管理系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行計(jì)劃調(diào)度、系統(tǒng)監(jiān)管、數(shù)據(jù)傳輸和質(zhì)量監(jiān)測(cè)等，現(xiàn)場(chǎng)無需人工干預(yù)。

著眼全球：陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站網(wǎng)布局與規(guī)劃

“潮平兩岸闊，風(fēng)正一帆懸?！?0年來，中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站著眼可持續(xù)發(fā)展，不斷進(jìn)步，并開始布局全球。

1986年，我國(guó)建立了首個(gè)中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站密云數(shù)據(jù)接收站，主要用于直接接收我國(guó)中部、東部與東北部及鄰近國(guó)家地區(qū)遙感數(shù)據(jù)，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)用新時(shí)代。

1999年10月，密云站開始執(zhí)行我國(guó)首顆國(guó)產(chǎn)陸地衛(wèi)星即中巴地球資源一號(hào)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接收任務(wù)。在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，密云站是我國(guó)唯一的民用國(guó)產(chǎn)陸地遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站，我國(guó)陸地遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收能力僅僅覆蓋國(guó)土陸地面積的大約80%。具備覆蓋全部國(guó)土的陸地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收能力成為發(fā)展我國(guó)衛(wèi)星遙感事業(yè)、促進(jìn)應(yīng)用發(fā)展的重要需求。

2007年，在長(zhǎng)期論證與準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，國(guó)家發(fā)改委投資支持的陸地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)全國(guó)接收站網(wǎng)工程項(xiàng)目正式啟動(dòng)，在北京密云、新疆喀什、海南三亞三地開展站網(wǎng)系統(tǒng)與配套設(shè)施工程建設(shè)。經(jīng)歷了設(shè)計(jì)研制和多年的邊建設(shè)邊運(yùn)行服務(wù)，三站網(wǎng)接收系統(tǒng)保證了后續(xù)多顆衛(wèi)星接收任務(wù)，具備范圍覆蓋全國(guó)及周邊國(guó)家和地區(qū)（亞洲70%范圍）的衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取能力。

在此基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)資源三號(hào)衛(wèi)星、高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星系列、空間科學(xué)衛(wèi)星系列等國(guó)產(chǎn)先進(jìn)新型衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展，中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站進(jìn)一步增強(qiáng)地面接收站網(wǎng)的數(shù)據(jù)接收、記錄、傳輸、運(yùn)行管理等能力。資源三號(hào)衛(wèi)星發(fā)射后，由于其衛(wèi)星軌道較低，覆蓋圈較小，在云南一帶出現(xiàn)約10萬平方公里的數(shù)據(jù)接收空白區(qū)。2016年，我國(guó)在云南昆明部署完成了西南地面站，采用無人值守方式。在經(jīng)歷了30年的建設(shè)發(fā)展后，中國(guó)已建設(shè)成4個(gè)國(guó)內(nèi)陸地衛(wèi)星接收站和1個(gè)海外陸地衛(wèi)星接收站。在布局思路上，國(guó)內(nèi)4個(gè)地面站主要是為了保證我國(guó)及亞洲周邊國(guó)家和地區(qū)的數(shù)據(jù)覆蓋和實(shí)時(shí)接收，北極站則是為了提高我國(guó)對(duì)全球數(shù)據(jù)的接收獲取能力。

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)籌部署，未來我國(guó)陸地遙感衛(wèi)星地面站網(wǎng)的建設(shè)將大致分為“十三五”和“十四五”兩個(gè)階段。第一個(gè)階段，遙感地球所將進(jìn)一步增強(qiáng)北極站的能力，并根據(jù)國(guó)家“一帶一路”倡議，在沿線國(guó)家和地區(qū)適當(dāng)布局，構(gòu)建基于空間觀測(cè)的“數(shù)字絲路”。第二個(gè)階段，在綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸條件、合作環(huán)境、數(shù)據(jù)安全等條件的基礎(chǔ)上，增加接收站點(diǎn)的分布，全面提升全球衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取能力。好的合作都是建立在互惠共贏的基礎(chǔ)上的，形成“一帶一路”信息的重大基礎(chǔ)設(shè)施，不僅可為“一帶一路”國(guó)家提供空間數(shù)據(jù)、環(huán)境信息與決策支持，還可以有效促進(jìn)我國(guó)與沿線國(guó)家的科技及全方位合作。

遙感產(chǎn)業(yè)：國(guó)家地面站與衛(wèi)星商業(yè)應(yīng)用

“投資在天，受益在地”是中國(guó)工程院張履謙院士一直倡導(dǎo)的理念。中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站是國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，也是國(guó)際資源衛(wèi)星地面站網(wǎng)成員，是世界上接收與處理衛(wèi)星數(shù)量最多的機(jī)構(gòu)之一。其定位主要是為國(guó)家實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息獲取、國(guó)內(nèi)公益應(yīng)用、國(guó)際合作等方面。在現(xiàn)有能力滿足和完成國(guó)家衛(wèi)星任務(wù)需求的基礎(chǔ)上，地面站還有一些富余能力，也可開放為企業(yè)提供服務(wù)，這也是國(guó)家地面站的貢獻(xiàn)和擔(dān)當(dāng)，通過發(fā)揮重大基礎(chǔ)設(shè)施能力，支持產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

近年來，國(guó)內(nèi)的一些企業(yè)和高校也建立了一些地面站，主要是為了接收商業(yè)衛(wèi)星或開展科研實(shí)驗(yàn)。這些站的定位和中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站不一樣。中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站屬于以公益性質(zhì)為主的“國(guó)家隊(duì)”，目前擁有5個(gè)站，20多座天線，接收衛(wèi)星20多顆，規(guī)模體量和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均居世界前列。接收任務(wù)主要是國(guó)家投資的衛(wèi)星。從國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)來看，企業(yè)投資地面站，服務(wù)商業(yè)衛(wèi)星的需求也會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。企業(yè)建設(shè)地面站，政策上不存在障礙，政府要做的是保證此類投資是市場(chǎng)行為，避免企業(yè)以不同名義向政府要錢投資。

目前，衛(wèi)星遙感在防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)環(huán)境、科學(xué)研究等公益方面的應(yīng)用和影響力已經(jīng)比較大，這得益于廣泛的數(shù)據(jù)共享活動(dòng)。政府投資的衛(wèi)星，多數(shù)國(guó)家或機(jī)構(gòu)（如美國(guó)和歐盟）都采取免費(fèi)共享的政策。而產(chǎn)業(yè)化方面，相比衛(wèi)星導(dǎo)航和衛(wèi)星通信，衛(wèi)星遙感的產(chǎn)業(yè)發(fā)展體量還小，潛力還大。一般認(rèn)為，具備較大產(chǎn)業(yè)價(jià)值的衛(wèi)星都是高分辨率衛(wèi)星，這是目前國(guó)內(nèi)比較缺乏的。雖然國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)射了一些米級(jí)高分辨率衛(wèi)星，但尚未形成業(yè)務(wù)化服務(wù)能力。打個(gè)比方，用戶想要每天都看到天安門的數(shù)據(jù)，但是受到衛(wèi)星回歸周期、衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星機(jī)動(dòng)測(cè)擺能力等限制，可能3天才飛過一次天安門上空，這就達(dá)不到用戶的要求?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外都在提“衛(wèi)星群”的概念，比如說20顆衛(wèi)星升空，每天都有數(shù)據(jù)，就能更好地滿足需求，市場(chǎng)也會(huì)被更好地激發(fā)出來。

數(shù)據(jù)本身具有一定的產(chǎn)業(yè)價(jià)值，但這不是重點(diǎn)，做好數(shù)據(jù)分析后會(huì)產(chǎn)生大量信息，這些信息會(huì)具有更好的產(chǎn)業(yè)價(jià)值。從國(guó)家層面來講，目前比較需要出臺(tái)一些與數(shù)據(jù)的分發(fā)與付費(fèi)等內(nèi)容相關(guān)的政策許可，積極鼓勵(lì)數(shù)據(jù)深加工業(yè)務(wù)，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模。當(dāng)前，各類商業(yè)衛(wèi)星計(jì)劃談的很多，但要注意投入產(chǎn)出，要真正依靠市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)在政府提倡公私合營(yíng)（PPP）方式，應(yīng)該也是引導(dǎo)企業(yè)更多考慮市場(chǎng)。

和衷共濟(jì)：基于衛(wèi)星遙感開展的國(guó)際合作

“同舟共濟(jì)揚(yáng)帆起，乘風(fēng)破浪萬里船?！边b感地球所十分重視國(guó)際合作，積極探索開拓新的合作模式，開展廣泛、高水平的雙邊和多邊科技合作與交流，拓展廣泛的國(guó)際合作戰(zhàn)略伙伴關(guān)系，與30多個(gè)國(guó)家和國(guó)際組織建立了穩(wěn)定的合作伙伴關(guān)系。發(fā)達(dá)國(guó)家中有歐盟多國(guó)、美國(guó)、日本、加拿大和澳大利亞等，發(fā)展中國(guó)家有蒙古、斯里蘭卡和東南亞的柬埔寨、泰國(guó)等。在接收獲取其他國(guó)家（如美國(guó)、加拿大、法國(guó)等）衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時(shí)，遙感地球所也將接收到的數(shù)據(jù)和相關(guān)應(yīng)用推向發(fā)展中國(guó)家。

遙感地球所還與一些國(guó)際組織和機(jī)構(gòu)達(dá)成合作，目前已擁有國(guó)際數(shù)字地球?qū)W會(huì)、聯(lián)合國(guó)教科文組織國(guó)際自然與文化遺產(chǎn)空間技術(shù)中心、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合研究計(jì)劃國(guó)際項(xiàng)目辦公室、CAS-TWAS空間減災(zāi)卓越中心等四大國(guó)際科技平臺(tái)，并發(fā)起大型國(guó)際科技合作計(jì)劃，牽頭開展亞洲大洋洲綜合地球觀測(cè)國(guó)際計(jì)劃（AOGEOSS）工作，具備了在聯(lián)合國(guó)系統(tǒng)、國(guó)際科學(xué)理事會(huì)系統(tǒng)等國(guó)際學(xué)術(shù)組織的框架下開展科技工作的能力。例如，由中國(guó)科學(xué)院發(fā)起和主導(dǎo)的第三極環(huán)境計(jì)劃（TPE），是NASA恢復(fù)與中國(guó)合作后的首個(gè)項(xiàng)目，主要研究第三極地區(qū)的氣候變化、冰川變化、凍土變化、水資源變化、生物多樣性及人類影響，為青藏高原的環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

勵(lì)精圖治三十載，今朝揚(yáng)帆再弄月。建設(shè)運(yùn)行30年來，中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站保存了400多萬景的遙感衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)資料，是我國(guó)珍貴的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)檔案庫，為有關(guān)部門進(jìn)行分析和決策提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)保障與信息支持，如災(zāi)害監(jiān)測(cè)、霧霾分析、智慧城市等，這對(duì)國(guó)家建設(shè)、城市管理與可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。在采訪的最后，劉建波研究員感慨道：“我們對(duì)過去的了解，很大程度建立在遙感大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站為此發(fā)揮了不可估量和應(yīng)有的貢獻(xiàn)。”

本刊記者_(dá)毛凌野