探訪北京氣象衛星地面站:讓星地之間「嚴絲合縫」

　　中國氣象報記者 吳婷

　　一甲子一輪迴，中國航天滄桑巨變，從無到有，從「一窮二白」到「比肩國際」，正向著「發展航天事業、建設航天強國」的目標奮勇前行。從「東方紅一號」衛星發射成功，到以高分、風雲、海洋、資源為代表的遙感衛星在氣象、農業、林業、減災、交通等領域廣泛應用，應用空間資源為國民經濟發展服務，已經成為中國航天一個巨大的轉變。

　　在氣象衛星領域，如今已形成美、歐、中三強鼎立的局面，這其中除了我國衛星研製水平的巨大提升之外，地面應用系統愈加先進的技術和愈加完善的管理，為實現星地之間「嚴絲合縫」的對接提供了堅實的後盾。

　　這其中，北京氣象衛星地面站的「風雲二號」靜止氣象衛星和「風雲三號」極軌氣象衛星地面接收系統體現了自主創新和集成創新，工程總體質量和水平達到同期國際先進水平，被專家譽為「天地一體化的典範、地面應用系統的楷模」。在「中國航天日」來臨之際，記者走進北京氣象衛星地面站（以下簡稱地面站）。

北京氣象衛星地面站正門。吳婷 攝

　　位於北京市海澱區中關村科技園區附近的地面站，擁有便利的交通條件和濃鬱的科技氛圍，而在三四十年前，這裡卻是一片稻田，正是因為空曠和偏僻，地面站選址技術小組在進行環境調查時才注意到這片土地，在綜合分析了無線電環境、氣象、地質、供電、供水、交通、通信以及基本生活保障等因素之後，將地面站定址於此地。

　　「當年的系統全都需要手動操作，無論是接收機房、調動機房還是計算機房，都是一大幫人在伺候一臺機器，才能保證衛星正常的數據接收。」地面站副站長郎宏山向記者介紹：「原來設備的開機關機和維護都是手動的，一顆衛星如果晚上2點到4點過境的話，就必須要等到這個時間點去開控制系統，遇到控制計算機出現故障的時候，工作人員需要全程手動跟蹤，根據信號強度變化和自身經驗手動控制天線，才能完成數據接收，保障運行成功率。」

　　由於機器設備耗損和故障較多，工作人員也練就了一身過硬的維修本領。在上世紀80年代一顆衛星發射的當天，地面的接收天線控制線就被齒輪碾斷了，工作人員只能依靠控制線的顏色和標誌，把它們一根根焊接起來重新使用。而天線前的饋元保護罩常被「潮氣」侵蝕，在內部形成積水，當天線俯仰運行到一定角度時，衛星信號和積水面反射的信號因多路徑效應疊加消弱消失，從而造成接收系統出現盲區，這個故障曾經長時間影響正常業務的進行……

　　後來，地面站對衛星設備進行改造，前端天線和後端接收系統改造之後，數據記錄設備也隨之升級，從磁帶機換成了高速運算計算機。直到2002年，地面站用了將近8年時間才將系統徹底穩定下來。時至今日，地面站已經可以實現計算機自動跟蹤和控制，並保持99.9%以上的接圖成功率，每天可接收多達國內外近20顆衛星資料。

　　走在地面站的大院裡，記者看到一個又一個口徑十八米左右的「大鍋」仰望長空，這些「大鍋」其實就是能夠實現連續跟蹤衛星，接收衛星下發的遙測信號、氣象遙感數據，向衛星發送遙控指令、數據廣播等各種微波信號的關鍵設備。

　　雖然這些天線看著靜止不動，但是其實它每時每秒都在不斷地轉動著。「衛星每天要在天上往返移動兩度多，由於天線孔徑大，伺服跟蹤精度高，天線跟蹤精度小於0.06度，為不間斷執行遙測遙控任務以及數據接收與廣播，就需要天線一直準確地跟蹤著衛星，表現在地面上就是天線指向畫一個8字。」郎宏山副站長告訴記者。

　　要獲取衛星的精確數據，就要實現對衛星的精準控制，測距系統就是為衛星「測8字」的系統。為了對衛星高精度定軌和定位，通過偽碼測距，以及通過分布在中國的新疆、廣州、佳木斯和澳大利亞的測距副站與主站密切配合，完成對衛星「測8字」的任務。通過改進，地面站的測距系統運行穩定，成功率在98%以上，從而保證了衛星的定軌定位。

　　機房裡一排排機器顯示的就是衛星的全球實時數據和圖像。解調器、數據處理器等設備對衛星的原始數據信號進行解調、分路、格式解析，並進行實時配準處理，星地協同完成雲圖的生成。

北京氣象衛星地面站機房。吳婷 攝 

　　此外，地面站還可接收到來自沙漠、高山、海洋無人站的氣象資料，這些站點採集的地面氣象、水文、地質等信息，按規定的格式、時間發向衛星，由衛星轉發。地面站的數據收集分系統則能夠對衛星信號進行接收、解調、數據格式解析、平臺報文數據分類、平臺管理，並將報文數據傳輸給數據中心存檔。

　　不出戶，知天下；不窺牖，見天道。未來，北京氣象衛星地面站接收業務將以靜止衛星為主，逐步取消極軌衛星全球站網功能；通過把現有存檔業務調整到運行控制室，逐步建立數據質量監控和檢驗業務；通過組建氣象衛星業務運行中心，調整站網布局、進一步實現業務集約化，系統更加精幹高效，可以更加可靠全面地接收氣象衛星資料，更加及時準確地提供衛星氣象信息，為全國人民提供更加完善的氣象服務。

　　

　　地面站「四條好漢」誕生記

　　本文科學顧問：「風雲三號」地面應用系統副總設計師 朱愛軍

　　中國氣象報記者 盧健

　　氣象衛星是中國起步最早的民用遙感衛星，經過近30年的發展，已經成為我國民用遙感衛星中效益發揮最好、應用範圍最廣的衛星。衛星要用得好，一個重要前提是它的數據得下得來、收得到。在現階段，黑科技還不能讓衛星數據直接通過無線網絡傳到工作人員的電腦裡。所以，數據傳輸少不了「中轉站」的幫忙，而這個中轉站就是衛星地面站。現在，我國境內一共有北京、廣州、烏魯木齊、佳木斯四個氣象衛星地面站。它們的誕生過程，就是一個從「一個好漢三個幫」到「多個好漢四個幫」的故事。

　　1988年9月7日，極軌氣象衛星「風雲一號」A星搭乘「長徵-4A」運載火箭升空。雖然這只是一顆帶有試驗性質的氣象衛星，但就是靠這顆衛星，中國氣象學家第一次成功接收到了具有自主智慧財產權的衛星雲圖。而早在衛星發射前，科學家就已經在考慮一件事：為「風雲一號」這個「好漢」挑選三個數據接收「幫手」。

　　為什麼「幫手」需要湊三個，而它們又是如何被挑選出來的呢？要回答這兩個問題，就得先從極軌衛星的特性說開來。

　　極軌衛星，顧名思義，衛星要一圈圈地繞著兩極跑。極軌衛星跑完地球一圈需要101分鐘左右，而在24小時內就可以完成一次全球無縫探測。極軌衛星可以看到全球的雲、冷暖鋒、颱風、湖泊、森林、山脈、冰雪、火災等，但對於我們而言，最重要的還是獲取它觀測到的中國及周邊地區的數據。

　　以在北京選址建衛星地面站為例。衛星在天上邊飛邊觀測，當它從北邊跑過來後，與北京地面站的仰角越來越大，當大於5度時，北京地面站就能接收到衛星數據；後面仰角經歷變大到變小的過程，最後直到仰角再次小於5度，這次數據接收過程就結束了。

　　我國幅員遼闊，南北相距約5500公裡，東西相距約5000公裡，接收這麼大一個範圍內的衛星數據，一個「幫手」肯定會「力不從心」，所以科學家們就規劃了東、西、南三個地點，各自建設一個數據接收站。在綜合分析了站址的電磁環境、氣象、地質、供電、供水、交通、通信以及生活保障等條件後，北京（東）、烏魯木齊（西）、廣州（南）三個站點被最終敲定。以這三個地點為中心分別畫圈，整合起來就能構成一個覆蓋中國及周邊的接收區。衛星過境時路過哪個站，就由這個站幫忙把數據接收下來。

　　到了2008年，我國極軌氣象衛星進入「風雲三號」時代，數據量較「風雲一號」大增，加上數值天氣預報對數據時效性要求高，站網優化就被提上了日程。經過選址，佳木斯站被納入了衛星地面站的大家族。

　　北京奧運會前夕，「風雲三號」A星成功發射。在這顆「奧運星」的數據接收方面，佳木斯站就正式替代了北京地面站。因為站址在我國的東北角，數據接收範圍較北京而言往東、往北外推了不少。至此，「四個幫手」就湊齊了。

　　而在2012年，我們在瑞典基律納又有了氣象衛星數據接收系統的首個海外站。這裡雖然無人值守，但靠著其自動化業務運行的能力，能夠接收「風雲三號」及後續系列氣象衛星的相關數據，同時具備兼容接收國際同期同類衛星數據的能力，滿足了用戶對於全球氣象數據獲取的要求。

　　告訴大家一個秘密，目前，第五個「幫手」正在趕來的路上。我國現在正在籌建喀什衛星站，能在現有基礎上把接收範圍往西推12度左右。喀什站和烏魯木齊站的業務有一定重合，將來還可以互為備份。

　　（來源：《中國氣象報》2017年4月25日三版 責任編輯：張林）