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中国遥感卫星地面站:知识创新 加强研发 提高服务

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7月 15, 2021

由同志亲笔题写站名、于1986年12月建成运行的中国科学院中国遥感卫星地面站(以下简称“地面站”),填补了我国在卫星遥感技术领域的空白。作为我国大陆民用中高分辨率遥感卫星地面接收与处理基础设施,地面站为全国遥感事业发展提供了大量遥感数据产品,积累了大量时间序列较长、类型多种多样的遥感卫星原始数据,掌握了对地观测卫星数据的接收、预处理系统集成及遥感信息分析与提取等关键技术,锻炼出一批技术水平较高、运行经验丰富的科技人员队伍,成为我国空间信息技术应用与发展中的一支重要力量。

2002年进入中国科学院知识创新工程后,地面站科研工作水平稳步提高,科技人员钻研业务、创新追求。随着地面站进入知识创新试点工程和进一步深化改革,取得了一系列领先性、创新性、应用性兼备的创新成果,进一步增强了对卫星数据的接收、处理和深加工能力,极大地提高了为全国广大用户服务的水平。系列成果中,多项处于国内或国际同行先进水平,获得了包括2003年度国家科技进步二等奖在内的一系列奖项。

地面站于20世纪80年代全套引进美国科学亚特兰大公司研制的10米口径天线接收系统,开始了我国遥感卫星数据的自主接收。随着卫星数据种类的日益增多、应用的日益广泛,卫星数据接收任务迅速增大。在近20年运行工作的基础上,地面站依靠自己的力量,提出设计规划和整体方案,通过建立或改进天线接收系统,极大提高了地面站数据接收和记录能力,缓解了地面系统关键瓶颈问题。

2002年3月站内立项、次年列为中科院重大科学装置运行维护专项项目的“遥感卫星数据接收系统能力扩充”项目,首次采用国产化技术,建成一座天线米的高性能的陆地遥感卫星数据接收及记录系统,2004年3月26日通过现场测试验收。随后,成功接收了美国LANDSAT—5/7、法国SPOT—2/4、加拿大RADARSAT、欧空局ENVISAT和印度RESOURCESAT—1等多颗遥感卫星数据。该项目有力提高了地面站的数据接收能力,锻炼了工程总成策划、设计、集成、天伺馈、微波、信道等方面的技术研究能力,为我国自主研制高可靠性地面天线接收系统、发展我国遥感地面基础设施建设开辟了更广阔的前景。

1997年立项、1999年2月系统在站安装验收、2003年7月通过鉴定的11.28米口径天线接收系统,误码率等关键技术指标及跟踪接收、数据记录、回放等功能良好,是目前国内外遥感地面系统中先进性和可靠性最好的系统之一。从1999年10月至2004年6月,成功接收记录CBERS—01星5038条轨道数据,成功率98%以上;2003年10月又成功接收记录了CBERS—02星首次下传的数据。目前,该系统能够承担6颗国内外遥感卫星的数据接收任务,具有10余颗卫星接收的能力。每年承担2400余条轨道的数据接收任务,成功率99%以上。鉴定专家一致认为,该系统具有20世纪90年代国际先进水平。

此外,鉴于建成的10米天线系统由于多年使用,造成仪器设备老化、技术指标下降、系统功能落后的现状,地面站2002年专门立项对系统X波段数据通道进行改造,使其实现720MHz中频变频。改造后的10米天线米天线发生伺服故障时,成功抢收了CBERS—01和LANDSAT—7等卫星数据;此后,10米天线卫星数据的接收任务。

地面站落成以来,卫星数据接收部设在北京密云县,总部包括数据处理部门则位于市区中关村。以前卫星数据每周3次通过汽车运送到市区总部进行数据处理并存档,难以满足数据时效性要求高的用户的需要,应对自然灾害等紧急特殊情况的能力低。

2003年,地面站决定建立一套以光纤网络为基础的宽带、快速遥感数据传输系统。2003年底,“密云接收部至北京总部卫星数据网络传输系统”项目开始实施,历时半年安装完成。该系统以北京市政府信息专用网络资源为依托,将地面站密云接收部与市内的数据处理总部以高速光纤网络相连,系统传输线Mbps,网络传输数据丢包率小于10-6,数据传输的误码率小于10-8。光纤网络将卫星数据从密云运到北京的时间,从最少两个半小时缩短到1~2分钟。借助它,地面站可在两个小时左右,完成卫星数据的接收、处理和互联网分发过程,达到目前国际先进地面站水平。亚特兰大该系统自2004年4月投入试运行以来,准实时传输并处理了LANDSAT 系列、SPOT系列、RADARSAT卫星、ENVISAT卫星、RESOURCESAT—l卫星及EOS/MODIS卫星系列等多颗遥感卫星数据。先后参与并完成了包括水灾监测在内的国内外遥感用户多项紧急任务。

针对用户日益增多的数据查询服务要求,地面站还开发了综合信息网络服务系统(,为用户提供方便快捷的网络化数据查询服务。该项目多元数据存档管理与数据查询浏览服务子系统(CS)、亚特兰大数据库管理子系统、订单任务单管理子系统三个模块进行研制,2003年建成并投入运行。其中,CS子系统为用户提供了多卫星存档数据目录的一体化查询和文本、地图两种查询方式以及经纬度范围、地名等多样化的空间查询手段;数据库管理子系统规范了磁带库运行管理系统,初步实现了存档数据和存档介质管理自动化,功能全面、界面友好、操作简单;定单任务单管理子系统涵盖了目前地面站主要的数据服务项目,并为这些数据服务提供了强大的管理、统计功能。

遥感数据处理系统能力大小,是衡量地面站实力的重要指标。多年来,地面站紧跟世界卫星遥感技术发展,不断建立新的数据处理和产品生成系统,数据处理能力居世界前列。随着SPOT卫星数据接收等项目的完成,处理能力大大增强,整体达到国际先进水平。

1999年10月研制完成并投入试运行的“卫星遥感数据存档介质转换与处理系统”,成功实现了卫星遥感数据地面运行性处理系统的自主设计、自主集成和基于商业化软件的二次开发与完善;在系统总体设计、硬件系统工程结构设计、数据处理系统动态流程工程化设计中,体现了兼容性、可靠性、易扩充性、易维护性和运行性原则,充分考虑了先进技术的集成;在数据分步式处理、自动化批量作业、动态参数的文件方式传递、I/O的异步并行任务分配等方面,设计思想先进,技术上有创新。最终获得2003年度国家科学技术进步二等奖。该系统运行状态良好,成为地面站目前处理卫星数量最多、数据处理能力最强的系统,近年来地面站向国内外用户提供的LANDSAT—5、SPOT—1/2/4和RADARSAT—1卫星数据产品均由此生成。

性能优异的法国SPOT—5卫星,观测范围宽、分辨率高(达2.5米)。接收和处理SPOT—5数据,能开拓新的卫星遥感应用领域,满足国家和我国遥感用户的需求。2002年1月,地面站开始SPOT—5地面系统的建设工作,经过与法国方面的密切合作,同年9月建成世界上第一个法国本土外的SPOT—5卫星接收和处理系统。系统建立以来,地面站科研人员不断完善这一系统,使其逐渐成为了比较理想的运行性系统。截至目前,已接收并存档SPOT—5数据12.2万景。

欧洲空间局2003年发射的ENVISAT卫星,携带的传感器ASAR是当今世界上最先进的民用合成孔径雷达传感器之一。2003年10月,地面站与法国SPOT IMAGE公司签署ENVISAT卫星数据接收和分发协议;2003年11月完成ENVISAT地面系统引进建设工程,在京举行验收签字仪式,12月开始接收、处理和分发ENVISAT数据。此举为我国遥感用户提供了方便、可靠地获取该卫星数据的途径,而ENVISAT的可调多观测角度、双极化、宽幅成像等突出优点,在我国带动了新的SAR数据应用领域。

印度RESOURCESAT—l卫星是该国IRS—l卫星系列的成功延续,于2003年10月发射升空,将3种分辨率不同、幅宽不同的传感器组装在同一个平台上,主要应用于农业遥感等方面。其中5.8米分辨率的遥感图像分辨率高、重访周期短、覆盖范围大,在城市规划、灾害处理、制图等领域非常有效;23米及56米分辨率的彩色图像信息丰富、覆盖范围大,可用于环境及农业监测、自然资源管理、土地利用计划等。2005年4月,地面站科技人员通过一年努力,引进并建成RESOURCESAT—l卫星接收、处理运行系统,投入正常运行。

近年来,遥感数据应用在我国迅猛发展,用户对数据产品的要求更加多样化。针对这一变化,地面站在继续提供传统数据产品的同时,开发了按地形图分幅遥感影像产品自动生产系统,推出了几何精校正产品、正射校正产品以及激光成像图像产品等,为用户提供更快捷的服务与多种数据产品。

几何精校正产品是用地面控制点修正卫星轨道与姿态数据,对图像进行几何精校正处理所得到的产品。高程校正产品是在几何精校正产品处理的基础上,同时采用数字高程模型纠正地形起伏造成的误差的产品数据。2003年7月,地面站建成了比较成熟、完善的几何精校正产品生产体系,目前系统内控制点数达7000余点,覆盖华北、东北、华东、西北、西南和华南地区28个省、市、自治区,建立了较完善的LANDSAT—5/7、SPOT—1/2/4和RADARSAT—1精校正产品生产系统。随后,依靠几何精校正控制点库和1:25万数字高程模型(DEM),对LANDSAT数据进行处理,形成了数字正射校正产品的生产能力。
更多精彩尽在这里,详情点击:http://jimengyuan.com/,亚特兰大从2003年3月起开始向用户提供LANDSAT—7高程校正产品,几何精度一般可达两象元以内。

地面站还瞄准提升图像处理深加工能力,于2002年4月设立“自动生成按地形图分幅的影像产品开发”项目,2003年6月完成并投入运行。该成果按标准地形图分幅的卫星影像,完全按国家标准地形图图幅号进行图像裁切,最后形成1:2000~1:50万系列卫星影像产品,拥有与标准地形图一致的坐标系统和地理网格注记,便于比对和野外定位。特有的高水准预处理几何精校正技术、数字镶嵌技术和多卫星数据融合技术,保证了该产品的几何定位准确性、辐射水平连续性和信息可判读性。目前,按标准地形图分幅的深加工产品备受用户青睐,服务于野外调查和地形图更新等方面工作。

地面站建立以来,在无数次故障排除、系统维修和系统升级中,积累了大量运行与技术经验;在与国际先进地面系统研究与开发机构的广泛联系中,基本掌握了大量代表21世纪先进地面系统发展方向的技术资料。在此基础上,科研人员主动出击、自主研发,在星载红外多光谱扫描仪地面预处理系统研究等方面取得突破,形成了具有自主知识产权的核心技术和系统。

2003年7月,地面站自主开发星载红外多光谱扫描仪预处理系统,重点结合我国对地面系统发展的需求,全面掌握遥感卫星地面预处理系统的关键技术,提高我国地面系统研究与发展能力,摆脱依赖进口的局面。在星载红外多光谱扫描仪宽带数据软件格式化同步技术、图像的辐射校正技术、系统几何校正技术及数据管理、数据查询和生产运行管理系统研究中,均取得了突破性进展。项目完成了系统集成工作,形成原型系统。可通过IE等web浏览器界面,完成产品处理、快视处理、原始数据管理、云量评估、数据查询等工作。

地面站自主研发、完善了大数据量遥感图像快速并行处理系统。该成果来自于1996年国家“863”九五重大攻关项目下属“大数据量遥感信息快速处理技术研究”课题。2000年项目通过国家验收后,系统继续得到完善并最终形成PIPS2000系统,在我国小卫星地面预处理系统和中国农业大学高性能空间信息处理计算中心得到了应用。该系统采用PC机群作为系统平台,在Linux操作系统上配备有自主知识产权的大型遥感图像并行处理软件系统和相应的管理、开发环境,可实现大型遥感图像的快速处理,突破了处理对象的数据规模限制。实现遥感算法70种以上。具有性价比高、处理速度快、扩展性强、适用性强、运行稳定等特点,是进行大型遥感图像快速处理和各类大型数据专业处理系统开发的理想平台。

空间信息栅格技术研究是我国确定的空间信息领域主要技术突破领域,是国际上最新的研究热点和应用热点,对于建立空间信息的共享平台和空间信息处理资源和服务资源的协同使用环境,具有重要意义。通过国家“十五”863项目“空间信息栅格关键技术和应用”的研究,地面站完成了空间信息网格(SIG)基础平台和网格工具建设,于2003年通过“863”专家组的验收,得到很高评价。该成果根据空间信息领域的特点,改造和提出了适合于空间信息领域的网格元数据管理标准和网格注册服务,建立了空间信息搜索代理服务模型。同时率先建立了网格应用编程语言及其运行环境,为大规模的复杂的网格应用提供了基础和工具。目前该研究还在继续进行,并得到了森林管理、水利等应用领域的支持,同时和国际同类研究进行着密切合作。

由英国萨里卫星技术公司制造的3颗小型对地观测卫星,共同组成了国际灾害监测星座(DMC)。另一颗属于中国的“中国国际灾害监测星座+4(中国 DMC+4)”,今年秋天即将加入这个国际卫星大家庭。为使卫星发射后,DMC+4的对地观测数据能具备实时性和高质量地被处理,全方位地服务于国内外遥感用户,2003年7月,地面站重点实验室承担了DMC+4对地观测数据地面预处理系统的研制与开发任务。科研过程中,科技人员综合地面站多年的资源卫星接收和处理经验,融入机群并行计算技术,同时充分考虑到该系统的通用性和中国用户的操作特点。该系统功能强大,面向多种传感器,具有模块冗余和选择的能力,保持了强大的升级和兼容性能,同时能提供很好的开发环境和技术支持服务。目前,本项研究已完成原型系统设计,投入运行后将成为我国目前民用资源卫星第一套完全自主设计的卫星数据地面预处理系统。

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