据悉，天宫二号任务在轨运行以来，空间应用系统捷报频传，不仅采用诸多新机制，实现多项技术创新和突破，还取得了丰硕的应用成果：

　　(1)、 国际上首台在轨运行的空间冷原子钟，根据在轨测试结果推算日稳定度达到7.2E-16，处于国际领先水平；

　　(2)、 三维成像微波高度计采用小入射角–短基线干涉、孔径合成和高度跟踪等技术，实现了国际上首台具备宽刈幅（30km@400km 轨道高度），兼具海洋拓扑高度精确测量和三维海陆形态测量的新一代微波遥感器；

　　(3)、 利用宽波段成像光谱仪数据开展了湿地变化监测、湖泊藻类识别、区域生态环境评价、和热环境监测等方面生态环境监测的典型应用，相关成果对于生态环境研究、监测、管理和保护具有重要的意义。

　　(4)、 ……

　　是不是迫不及待的想全面了解空间应用系统更多的故事呢，那我们一起看看近三年来，天宫二号任务那些不觉明历的科学与应用实（试）验及其成果吧。

　　1 、地面数据处理与服务

　　1.1.数据处理与服务

　　天宫二号是我国第一个真正意义上的空间实验室，空间应用系统在天宫二号任务中开展了十余项体现国际科学前沿和高新技术发展方向的空间科学和应用实（试）验工作；自2016年9月发射以来，稳定运行两年多，获取了丰富的研究应用成果。

　　空间应用系统搭载的载荷如下图所示：

　　

图 1天宫二号空间应用系统载荷

　　天宫二号运行两年多以来，空间应用系统完成了预定的各项飞行试验任务，实现了预定的科学和应用目标，获取了大量有价值的科学研究数据，取得丰硕的科学研究和应用成果。

　　为了实现对天宫二号任务下行数据的快速处理与高效管理，“先进航天地面数据处理与服务系统”涵盖高精度并行数据处理、数据快视、数据可视化归档管理、数据产品可视化与可视分析、系统调度管理与控制、数据质量分析与控制、数据网络化分发共享等业务内容，形成了较为完善的、特色鲜明的、体系化的地面数据技术系统，为空间科学研究与应用各领域用户提供数据产品的分发与共享等，促进科学研究与应用成果的产出与推广。

　　

图 2 数据处理与服务系统界面

　　目前，已接收并处理各类载荷数据达130TB，通过“载人航天空间应用数据推广服务平台”（http://www.msadc.cn）及数据专线（与海洋局通过网络专线直连）发布数据50TB，其中，空间科学实验数据0级产品近10TB，空间地球科学数据0级产品和高级产品共计达40TB。具体统计信息如下表所示。

　　表1 数据产品级别及数据量

 

数据类型	产品级别	数据处理	数据发布
成像光谱仪数据	0级/2级	26.5TB	13.5 TB/5.1TB
微波高度计数据	0级/2级、4级	27.7TB	13.2 TB/0.82TB
紫外临边成像光谱仪数据	0级/1级	15.8TB	1.8 TB/5.84TB
空间科学类数据	0级	--	10TB
合计	-	70TB	50.26 TB

　　 　　空间地球科学数据覆盖情况：多角度宽波段成像光谱仪数据全球覆盖面积12316万平方公里，三维成像微波高度计影像数据全球覆盖面积4240万平方公里，如图所示：

　　

图 3 多角度宽波段成像光谱仪及三维成像微波高度计影像数据覆盖范围

　　1.2.数据在轨定标

　　2018年8月在敦煌和青海湖开展了宽波段成像仪可见近红外、短波红外、热红外3个谱段的外场同步定标试验，共获取了5次有效的同步观测；研制了定标资料处理软件，经过定标资料处理得到了各波段的辐射定标系数，通过处理参数更新实现对数据产品精度的提升和控制，为数据产品定量化应用提供了有效支撑。

　　

图 4 宽波段外场定标试验现场

　　

图 5 现场测量辐亮度与定标前入瞳处辐亮度对比分析

　　2018年9月份和10月份在内蒙古苏尼特右旗开展了三维成像微波高度计场地辐射定标试验，分别获得7次和12次有效观测数据；研制了三维成像微波高度计定标资料处理软件，通过对高度计获取的定标场观测数据和现场测量数据的处理，可获取定标常数、天线方向图、波束指向以及系统时延等参数，这些参数更新至数据处理系统中，为有效保障和提升数据产品的辐射、定位和测高精度服务。

　　

图 6 高度计定标角反射器（左）与同步观测图像

　　新的定标系数已经在载人航天空间应用数据推广服务平台网站发布（链接为：http://www.msadc.cn/jszc/750.html），为数据产品定量化应用提供有效的支撑。 

　　2 、用户拓展

　　为进一步发挥有效载荷作用、扩大应用成果和效益，工程信息中心积极推广和大力宣传，组织开展示范研究及应用推广工作。提供数据服务的任务用户11家，具体见下表；拓展应用用户达68家（国家部委15家，研究所17家，高校36家），用户分布见下图，分别在在海洋与海岸带监测、湖泊监测、农作物分布提取、生态环境监测、土地利用和大气环境探测等领域开展应用研究，取得了较为丰硕的应用成果，充分发挥了遥感影像数据的应用研究价值。

　　表2 任务用户一览表

　

序号	载荷名称	领域	单位
1	高等植物培养实验	空间科学实验	中科院上海植生所
2	综合材料试验		中科院物理所
3	液桥热毛细对流实验		中科院力学研究所
4	伽玛暴偏振探测仪	空间天文	中科院高能物理研究所
5	空间冷原子钟	空间基础物理	中科院上海光机所
6	空地量子密钥		中国科学技术大学
7	空间环境探测器	空间环境和空间物理	中科院国家空间科学中心
8	宽波段成像光谱仪	空间地球科学及应用	国家卫星海洋应用中心
9	三维成像微波高度计
10	多波段紫外临边成像光谱仪		中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
11			中国科学院大气物理研究所

 

图 7 拓展用户全国分布图

　　3 应用成果

　　1.3.空间科学实验及其成果

　　空间基础物理学前沿取得重大突破，重点领域方向进入世界先进行列，取得了具有国际影响的成果；空间生命科学实验、空间材料科学实验、微重力流体物理实验发现了一批新的科学现象，提高了对于相关规律的认知，获得了具有特色的科学成果；开展了的空间应用新技术试验，为未来空间应用技术发展提供了先进的解决方法和手段，实现了技术体制创新。 

　　

图 8  空间科学类实验及其成果

　　（1）空间冷原子钟

　　空间冷原子钟是国际上首台在轨运行的冷原子钟，采用激光冷却铷原子与微波作用Ramsey方法，将微波源频率锁定到铷冷原子的超精细能级跃迁频率。

　　根据在轨测试结果推算冷原子钟日稳定度达到7.2E-16，处于国际领先水平，该成果作为亮点文章发表在国际学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）上。

　　空间冷原子钟使自主守时和导航精度提高1～2个数量级，在国防、高精度星钟等方面具有重要应用价值和潜在效益。

　　

图 9  超高精度空间冷原子钟

　　

图 10  空间冷原子钟稳定度

　　（2）伽玛暴偏振探测器

　　伽玛暴偏振探测仪（POLAR）是国际首台宽视场、高效率的专用宇宙伽马射线暴（GRB）偏振探测仪器，通过测量散射光子的方位角分布，重建获得入射伽玛光子的偏振信息。该项目由中欧合作联合开展。

　　

图 11 伽玛暴偏振探测仪

　　

图 12 不同时间段探测到的Crab脉冲轮廓图

　　POLAR开辟了伽玛暴偏振探测新窗口，成功探测到55个宇宙伽玛暴事例，已被美国、欧洲和俄罗斯等空间天文卫星观测所证实，为国际伽玛暴联合探测做出了重要贡献。在国内首次实现了利用观测到蟹状星云（Crab）脉冲星的脉冲信号进行定轨，推动了脉冲星观测和导航技术发展。此外还成功观测到了太阳X射线暴，探测能力与国际天文卫星相当。

　　（3）空地量子密钥分配

　　量子密钥分配试验并采用对光量子诱骗态方法，进行天地量子密钥分配和激光业务数据传输，突破并验证量子密钥生成、分配、提取、光信道保持等重大关键技术。

　　首次实现超Gbps码速率的天地业务数据激光通信传输，为我国后续空间任务更高容量数据传输打下了坚实的基础。

　　

图 13  天宫二号与地面站间量子密钥分发试验示意图

　　

图 14  科学数据传输及反演结果

　　量子密钥分配试验为我国量子科学卫星做了先期技术验证，巩固了我国在空间量子科学技术方面的领先地位。

　　（4）液桥热毛细对流实验

　　液桥热毛细对流实验研究空间微重力环境下大Prandtl 数(高粘性、低热传导)液桥热毛细对流失稳机理，为地面浮区法晶体材料生长提供科学指导以改进地面晶体材料生产。

　　液桥体积效应、大Prandtl数二次转捩等科学问题研究具有我国原创科学思想。

　　

图 15 液桥热毛细对流

　　实验验证了液桥失稳的瘦桥起振区模式和胖桥起振区模式，发现了液桥具有跳变形式的新型体积比效应，丰富了体积比效应理论模型发现新的多次转捩现象（耦合振荡区），探索了超临界条件下的转捩途径。

　　

图 16  液桥体积比效应

　　

图 17  液桥振荡转捩点

　　（5）高等植物培养

　　高等植物培养研究微重力条件下高等植物从种子到种子生长发育规律，为农作物品种改良提供关键候选基因获得微重力条件下长日照与短日照植物的光周期诱导开花规律、调控机理、基因表达等科学研究成果。在轨开展了拟南芥和水稻种植实验。

　　国内首次实现植物在空间密闭环境中“从种子到种子”全过程生长周期实验，首次发现拟南芥在空间长日条件下开花明显延迟（晚近20天），初步分析表明植物的生物节律在微重力环境下受到抑制；可为未来建立以植物为基础的空间生命生态系统，控制植物的开花，提高系统的生产效率提供依据。

　　

图 18  空间和地面拟南芥开花时间比较

　　首次发现空间微重力对于水稻吐穗有明显影响现象，另外对水稻的向性生长也有明显的影响。微重力环境下长日照水稻水分代谢更加活跃，对未来空间水净化回收具有应用价值。

　　

图 19  空间和地面水稻种植实验比对

　　（6）综合材料实验

　　研究半导体光电子材料、金属合金及亚稳材料、纳米及复合材料等制备机理，揭示在地面重力环境下难以获知的材料物理化学过程的规律获得高质量的空间材料样品；大部分材料实验样品均为国际上首次实验，如新型纳米复合光学材料，高性能热电转换材料，多元复相

　　合金等。

　　

图 20  材料实验炉及部分样品

　　通过先后3批次共18支样品在轨制备，生长出高质量的材料晶体，验证了新的材料制备工艺；开展了多项新类型的空间材料探索性实验，发现微重力条件抑制了领先生长的两个固相彼此分离的倾向，以及三元共晶组织分布新的特征；在重要功能晶体等材料方面，空间制备的样品性能得到明显提升或微观组织结构得到改进。

　　天宫二号任务的综合材料实验装置是目前为止国内在空间开展材料科学实验最为先进的装置，获得了空间微重力与地面重力环境下炉膛内气体压力对炉膛最高温度影响的基本规律，使我国空间材料科学实验的能力得到了明显提升。

　　（7）空间环境监测

　　空间环境监测包括带电粒子辐射探测器和轨道大气环境探测器，

　　监测舱外各个方向的电子、质子等粒子的强度和能谱；监测轨道大气密度、成分及其时空分布变化等，为空间实验室飞行任务和航天员健康安全提供空间环境保障。

　　空间环境监测连续获得了天宫二号飞行轨道的电子、质子的空间分布及其强度和能谱，获得了相应轨道的大气成分、大气密度，为空间环境预报、轨道预报、空间环境变化机理研究提供了可靠的准实时观测数据。

　　

图 21  高能电子（左图）及高能质子（右图）探测结果

　　（8）伴随卫星试验

　　伴随卫星采用了小型化、轻量化、功能密度的设计，实现了高功能密度的设计结果，它搭载多个实验载荷，并具备较强的变轨能力，具备了开展空间任务的灵活性与机动性。

　　伴随卫星实现在轨释放，释放初期开展可见光观测和红外观测试验，在TG-2和SZ-11组合体期间，飞越观测载人航天器，获得有价值的图像，其后通过轨道控制，实现逼近并形成伴随飞行。

　　伴随卫星2016年10月23日伴星成功释放，2016年10月30日伴星飞越组合体。

　　伴随卫星首次在轨观测到我国空间实验室组合体近距离可见光和红外影像，获得了空间目标辐射特性。

　　

图 22 伴星拍摄的组合体可见光图像和红外图像

　　天宫二号伴随卫星进一步验证小卫星在轨释放、驻留伴随飞行等技术，为未来新型航天器编队飞行技术奠定基础。

　　1.4.空间地球科学及应用成果

　　地球科学科学利用多角度宽波段成像光谱仪、三维成像微波高度计和多波段紫外临边成像光谱仪等对地表、海洋和临近空间大气进行观测，这些先进仪器采用了创新的技术体制，并率先实现了空间验证，彰显了载人航天工程空间应用技术体制创新引领作用，开展了遥感应用，取得了显著应用效益。

　　工程信息中心组织国内众多科研和行业单位利用天宫二号空间地球科学与应用数据，面向“一带一路”、“青藏高原综合科考”、“京津冀一体化”以及“长江经济带”等国家重大战略与规划，开展了研究与应用工作。截止2019年6月，空间地球科学与应用数据已在海洋与海岸带监测、湖泊监测、大气环境探测、农作物分布提取、生态环境监测以及土地利用等多个领域开展了应用，产出了一批有较大应用价值的数据应用成果。 

　　

图 23 空间地球科学及应用成果 

　　（1）海洋与海岸带监测

　　天宫二号数据在海岸带变化监测，海洋水色参数反演，海平面高度、风速、波长、波向以及海洋涡旋检测等方面的典型应用，充分展示了天宫二号成像光谱仪的宽波段特性，凸显了微波高度计宽刈幅、小入射角和高分辨率干涉成像技术在海洋环境监测和海洋动力学研究中的明显优势。

　　悬浮颗粒物（SPM）浓度是河口海岸带重要的观测参数。图x左图是利用天宫二号成像光谱仪可见近红外数据和半经验辐射传输（SERT）模型反演的长江入海口及杭州湾区域悬浮颗粒物浓度分布图；右图是相同时间韩国静止轨道卫星搭载的水色传感器 GOCI 观测数据反演的结果图。通过比对分析发现：两个结果具有较好的一致性（R2=0.8294），且天宫二号数据反演的 SPM 精度高于GOCI，可为水质评估、河道冲淤和港口工程等提供有效的数据和信息支撑。

　　

图 24  成像光谱仪可见近红外数据（左）和GOCI数据（右）反演的SPM分布图

　　

图 25 两者反演结果对比散点图

　　（2）湖泊监测

　　专题展示了天宫二号数据对湖冰、湖泊水位和水域范围识别监测等方面的部分典型应用，体现了天宫二号数据在水位动态监测、高原湖泊消融和流域水资源管理等方面具有重大的应用潜力。

　　措勤县位于西藏自治区阿里地区东南部，境内湖泊众多，水源充足。图中A ～C为设置不同的归一化差异水体指数 (NDWI)、雪盖指数 (NDSI) 和坡度阈值所获取的范围，经过融合后提取了图D中的高原湖泊。经统计，该地区湖泊面积约 254km2，与目视解译结果吻合，总体提取精度为 93.74%。以上结果可以为高原湖泊变化监测，以及区域乃至全球气候变化和可持续发展提供信息支持。

　　

图 26  归一化水体指数（A）、雪盖指数（B）、坡度（C）及湖泊提取结果（D）

　　（3）农作物分布提取

　　农作物分布提取展示了天宫二号数据在棉花、小麦、水稻等农作物类型和种植范围识别中的典型应用，凸显了成像光谱仪数据在农作物空间种植分布提取的应用潜力，可为农业生产管理、农业经济普查和粮食估产等方面提供重要依据。

　　新疆哈密是我国棉花的主要种植区之一，具有悠久的种植历史，图 x～图 x是在棉花花铃期利用天宫二号成像光谱仪可见近红外数据和最大似然分类 (MLC)、支持向量机 (SVM) 与随机森林（RF）方法对哈密棉花主产区的棉花、建设用地、其他植被、水体和裸地提取的结果分布图。通过比对分析发现：MLC、SVM 和 RF 方法均具有较高的总体分类精度和 Kappa 系数，且 RF 总体分类精度和 Kappa 系数最高，这说明 RF 对不同地物类型识别效果最好。其中棉花提取精度为 91.6%，棉花面积约 614.03km2，与统计数据一致，其分布具有集中连片且较均匀的特点，在绿洲南部分布较广泛，北部较稀疏。

　　

图 27 最大似然发和支持向量机分类结果图

　　

图 28  随机森林分类结果图及其棉花种植提取图

　　（4）生态环境监测

　　生态环境监测开展了湿地变化监测、湖泊藻类识别、红树林识别、区域生态环境评价、滨海区生态环境评价、遗址环境变化监测和热环境监测等方面的典型应用，相关成果对于生态环境研究、监测、管理和保护具有重要的意义。

　　苏南城市群地处长江三角洲中心，是江苏经济最发达的区域，也是中国经济最发达、现代化程度最高的区域之一。左图和右图分别是利用成像光谱仪可见近红外数据提取的土地利用分类图，温度数据计算得到的城市群热岛效应强度图。通过比对分析可见：其温度反演结果与土地利用结果有较好的一致性，其中，城市的建成区温度明显高于非建成区；特别是苏锡常作为连接南京和上海的核心城市，沿线区域连片成区，其温度明显高于其它地区；此外，该区的水体的温度明显低于其它地物类型，比城市建筑物的平均温度低约 6 度。

　　

图 29   苏南城市群土地利用分类图及热岛强度图

　　（5）土地利用

　　天宫二号数据在土地覆盖和土地开发利用等方面的部分典型应用，说明成像光谱仪可见近红外数据的高幅宽特性在大范围、中等尺度的土地资源及其动态变化监测中具有显著的优势。

　　黄河三角洲国家级自然保护区是以保护新生湿地生态系统和珍稀濒危鸟类为主的湿地类型自然保护区，结合支持向量机算法（SVM）和天宫二号成像光谱仪可见近红外影像，构建黄河三角洲湿地分类体系，实现了对水体、互花米草、柽柳林、芦苇、刺槐林、杨树林、养殖池塘、干燥裸地和潮滩的分类识别。其中，芦苇面积约 145.42km2，刺槐林面积约 51.31km2，互花米草面积约 30.6km2，柽柳林面积约 56.63km2，整体分类精度优于85%。

　　

图 30 黄河三角洲地区分类结果图

　　（6）大气环境监测

　　天宫二号数据在大气环境探测的典型应用，展示了成像光谱仪偏振探测数据以及多波段紫外临边成像光谱仪数据在大气探测方面的应用潜力，为临近空间大气成分和动力学过程研究提供重要的数据支撑。

　　多波段紫外临边成像光谱仪可对地球边缘大气层进行光谱临边探测，通过大气成分临边反演进而获取大气成分，上图分别是前向光谱仪光谱图（左）、与美国 OMPS卫星交叉轨道和北京地区高空气球观测数据的结果比对（右），下图是利用上述数据和方法提取的地面 10~60km O3 垂直分布廓线。发现紫外临边成像光谱仪与国际上同类载荷具有很好的一致性，与北京地区的探空结果对比，一致性良好。以上结果可为临近空间大气成分和动力学过程研究提供重要的数据支撑。

　　

图 31 前向光谱仪光谱图（左）及紫外临边成像光谱仪与 OMPS 和北京探空资料的对比（右）

　　

图 32 紫外临边成像光谱仪结果与 OMPS 结果比较

　　（左：2016 年 09 月 22 日；右：2016 年 12 月 22 日）

　　3、数据推广宣传

　　（1）学术专刊

　　2018年12月，由世界著名出版商Springer集团出版了《Proceedings of the Tiangong-2 Remote Sensing Application Conference: Technology, Method and Application》天宫二号专刊，获得了国内外广泛科研关注。

　　

图 33 天宫二号专刊论文集，Springer出版(EI检索)

　　网络下载地址：

　　https://link.springer.com/book/10.1007/978-981-13-3501-3

　　（2）遥感图集

　　《天宫二号遥感图集》集中展示了天宫二号应用任务中各遥感载荷获取的高质量影像数据和各领域典型应用成果，为天宫二号数据及应用成果的宣传推广发挥了重要作用。

　　

图 34 天宫二号遥感图集

　　（3）用户大会

　　2018年12月18日，由载人航天工程办公室主办，空间应用中心承办的“天宫二号地球观测用户大会”在北京成功召开，来自中国科学院、国家卫星海洋应用中心、国家卫星气象中心、北京师范大学、武汉大学等50多家单位的150余位用户大会，会议研讨了天宫二号地球观测数据应用的新技术新用户方法，展示最新的应用研究成果，起到了良好的交流和宣传效果。

　　

图 35 “天宫二号地球观测用户大会”会议现场 

　　（4）数据竞赛

　　2018年10月-12月，由载人航天工程办公室主办，空间应用中心承办的“天宫数据利用青年创新大赛”在北京成功举办，题目分“创新应用类”和“创意探索类”两类，来自研究所、高校和公司的418支队伍报名参赛，利用天宫一号和天宫二号对地观测数据，经过初赛和决赛，分别角逐出两类题目的一、二、三等奖；大赛的成功举办，扩大了天宫一号和天宫二号数据的国内外影响力。

　　

图 36 数据大赛颁奖现场

　　（5）微信公众号

　　2016年11月25日，开通了“载人航天空间科学与应用数据推广”微信公众号，作为天宫二号空间科学与应用数据推广宣传的重要媒介，定期发布任务新闻资讯、对地观测数据获取情况、典型图像展示、应用成果介绍、国内外航天数据应用动态等讯息，对提高天宫二号空间科学与应用数据的知名度和影响力启到了重要作用。

　　截止2019年6月，发布127期共257篇内容，累计浏览量超过7万次。

　　

图 37 微信公众号

　　（6）数据推广服务平台

　　研制建设了载人航天工程应用任务唯一的数据服务窗口—“载人航天空间应用数据推广服务平台”（http://www.msadc.cn），于2016年7月上线运行，提供新闻资讯、数据产品发布、成果展示和科普宣传等多项功能，全面支持天宫二号任务的数据在线服务工作，截止2019年6月，网站网页访问量累计达720万次，对天宫二号数据的推广服务发挥了关键作用。

　　

图 38  载人航天空间应用数据推广服务平台

　　4、开启新篇章，续写新辉煌

　　随着天宫二号空间实验室完美谢幕，我们即将全面迎来空间站时代，续写中国载人航天辉煌篇章，为人类航天事业的发展推进，建立起新的科研保障。将来在万里太空，中国空间站将重新诠释中国创新的新内涵，实现伟大的航天强国之梦。