高分卫星:我和TA是天生一对
发布时间:2020-03-25
出品:科普中国
制作:黄鹏(中科院空天信息创新研究院高级工程师)
监制:中国科学院计算机网络信息中心
  新冠肺炎疫情期间,为缓解武汉医疗资源紧张而临时建设的火神山、雷神山、方舱医院就一直备受关注。虽然不能亲历现场,但通过卫星拍摄的影像图,大众能亲眼目睹医院拔地而起过程,见证 “ 中国速度”创造的奇迹,通过这些影像图看到中国希望。
    
火神山医院建设前后对比,卫星数据来源:高分二号 (图片来源:新华网思客)
  
  如果说,卫星是人类安放在太空的眼睛,卫星看到的信息是如何传回地球呢?我们邀请到了两位特殊的嘉宾。
  
  图来源于http://tv.cntv.cn/,编辑有加工
  没错,他们就是我们今天的嘉宾,大名鼎鼎的高分卫星和中国遥感卫星地面站。
  大家熟悉的“中国人自己的全球观测系统”高分系列卫星,其实都是一个国家重大科技专项的成果。
  这个专项叫高分辨率对地观测系统重大专项,它是中国国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)确定的16个重大科技专项之一。从2013年高分一号卫星成功发射,到2019年高分七号卫星升空圆满收官,七年时间,已经有七颗高分卫星翱翔太空。
  
  表:高分系列卫星的发射历程(作者自制)
  除了徜徉星空的高分卫星,高分辨率对地观测系统重大专项的另一个重要成果,就是脚踏实地的卫星地面站。
  
    再自我介绍一下,我叫地面站
  遥感卫星,犹如人类安放在太空的眼睛,从太空对地球进行观测。地面站通过跟踪接收卫星向地面发送的无线电波,将卫星观测到的宝贵信息以数据的形式实现“落地”,从而为后续的分析应用提供数据支撑。
  中科院空天信息创新研究院-中国遥感卫星地面站作为高分卫星数据接收系统的建设者和运行者,七年来一直默默地守望着高分卫星,为每一次数据接收提供着可靠的保障。
  近地轨道上运行着上千颗各类卫星,地面站要接收指定的卫星信号并不容易,需要精准计算卫星位置,控制数十吨重的接收天线“瞄准”数百公里外飞行的卫星,在几秒内捕获卫星信号,并在接收过程中时刻调整姿态保持信号跟踪接收稳定,对准偏差不能超过0.2°。一旦在卫星过站的时间段内(一般为6-10分钟)没能成功接收到卫星信号,将意味着此次任务失败,宝贵的卫星资源和观测数据都将被浪费。
  为了保证高分卫星数据接收的成功率,中科院空天信息创新研究院-中国遥感卫星地面站采取了一系列措施。“打铁还需自身硬”,首先就是地面站自身出色的技术能力和过硬的运行质量。技术人员利用深厚的技术积淀和丰富的工程经验,充分兼顾系统建设的先进性和可靠性,结合严格的管理和高度规范、自动化的操作,使得高分卫星数据接收的成功率一直以来都在99%以上。
  
  卫星数据跟踪和接收过程示意图
  (图片来源:《从天空看地球:对地观测大装置》)
  同时,构建布局合理、规模适当的地面站网,保证高分卫星数据的高效接收。中国遥感卫星地面站已经建成了包括密云站、喀什站、三亚站、昆明站和北极站5个地面站的卫星接收站网。当高分卫星进入这些地面站的接收范围时,它发射的数据信号就可以被接收站接收到。
  
  中国遥感卫星地面站接收站网布局及接收覆盖范围示意图
  (图片来源:空天信息创新研究院)
  
  
  天线林立的密云卫星数据接收站(图片来源:空天信息创新研究院)
  
  
  西部边陲的喀什卫星数据接收站(图片来源:空天信息创新研究院)
  
  
  美丽的三亚卫星数据接收站(图片来源:空天信息创新研究院)
  
  
  北极接收站全景(图片来源:空天信息创新研究院)
  最后,在海外建设部署地面站,与国内接收站相互配合协作,更好地满足高分卫星数据接收任务需要。2016年12月,位于瑞典基律纳的北极站建成并投入运行。这是我国第一个海外陆地卫星接收站。利用北极地区对于太阳同步轨道卫星几乎每圈“可见”的优势,大幅度提升了高分卫星数据的下传时效。由于地处海外,北极站采用了全自动化、无人值守的运行模式。
  
  七年如一日,做着同一件事
  遥感卫星向地面接收站传送数据的快慢,通常是以每秒钟多少比特,即bps(bits per second)来描述。
  高分一号卫星是专项的首发星,于2013年4月26日发射,地面站采用双圆极化频率复用、450Mbps*2的高码速率接收技术成功实现了卫星数据接收。450Mbps*2,即采用双通道,每一通道为每秒450兆比特。此后的高分二号、三号、五号、六号卫星也都是采用这一数据接收技术。
  
  高分一号卫星银川影像图(2013年5月11日接收,分辨率:8米)
  (图片来源:国防科工局重大专项工程中心、中国资源卫星应用中心)
  
  高分二号卫星故宫及周边地区遥感影像图(图片来源:空天信息创新研究院)
  
  高分六号卫星拍摄的青岛薛家岛码头影像(2019年9与9日,2米全色+8米多光谱融合)(图片来源:空天信息创新研究院)
  
  高分七号卫星于2019年11月3日发射,这颗卫星首次采用了VCM(Variable Coding Modulation,可变编码调制)技术,是目前我国星地数据传输效率最高的一颗对地观测卫星。为此,地面站研制了全新的地面数据接收设备,首次实现了多种调制方式、多种码速率卫星数据的自适应、全自动可靠接收,最高数据码速率达到1.2Gbps*2,大幅度提高了数据接收的效率和技术水平。
  
  高分七号卫星获取的北京首都国际机场卫星影像
  (图片来源:国防科工局重大专项工程中心 中国高分观测)
  
  
  高分七号卫星获取的北京大兴国际机场影像
  (图片来源:国防科工局重大专项工程中心 中国高分观测)
  
  而与其他高分卫星相比,高分四号卫星可以说是独具特色。一般太阳同步轨道卫星对同一地区观测,需要间隔数小时甚至数天。而高分四号卫星的轨道相对地面保持静止,能够以分钟级甚至秒级间隔提供中国和周边国家的观测数据。它是我国第一颗地球静止轨道光学遥感卫星,其轨道高度约为36000公里,对地数传频段为Ka频段。这也是地面站首次成功承担Ka频段地球静止轨道卫星的数据接收任务。
  
  蓝绿色轨道为地球静止轨道,黄色轨道为与太阳同步轨道(图片来源:http://finance.sina.com.cn/stock/relnews/hk/2019-06-06/doc-ihvhiqay3868036.shtml)
  
  
  高分四号卫星拍摄到的台风“利奇马”的台风眼影像
  (图片来源:国防科工局重大专项工程中心 中国高分观测)
  
  2013年,当中科院空天信息创新研究院-中国遥感卫星地面站刚开始接收高分一号卫星数据时,年接收任务量为1416轨,接收数据量约为72TB。到了2019年,地面站高分卫星的年接收任务量已增长至23302轨,接收数据量达到1150TB以上。7年时间,地面站高分卫星的接收任务量和接收数据量增加了15倍!
  中国遥感卫星地面站接收的高分卫星数据被广泛应用于国土资源调查、环境监测、城市发展规划、农业、林业等诸多领域,“中国人自己的全球观测系统”,正在全面助力国民经济建设和社会发展,在我国空间信息领域发挥着重要的战略作用。
  
  参考文献:
  [1]《从天空看地球:对地观测大装置》。
  
  
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