星地激光通信地面站 記者 姚昆攝/光明圖片

秋日，新疆塔什庫爾干塔吉克自治縣，帕米爾高原慕士塔格峰區(qū)域一處山頂，一個(gè)直徑6米的白色“圓球”在藍(lán)天白云下格外醒目。這便是中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院(以下簡稱“空天院”)自主研制成功的500毫米口徑激光通信地面系統(tǒng)。它的本領(lǐng)可不簡單，能高速接收衛(wèi)星傳回的探測數(shù)據(jù)，為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供有力支撐。

9月15日，隨著系統(tǒng)完成部署，我國首個(gè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的星地激光通信地面站正式建成，并進(jìn)入常態(tài)化運(yùn)行階段。該站的建成打通了星地激光通信全鏈條業(yè)務(wù)流程，將進(jìn)一步推進(jìn)星地激光通信的工程化應(yīng)用。

激光可容納成百上千“車道”

目前，我國衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收僅靠微波地面站。隨著我國航天事業(yè)快速發(fā)展以及衛(wèi)星技術(shù)不斷進(jìn)步，衛(wèi)星探測產(chǎn)生的數(shù)據(jù)呈幾何級增長，但海量數(shù)據(jù)無法及時(shí)下傳的問題也日益突出，嚴(yán)重制約了太空資源的高效利用。依靠設(shè)施規(guī)模擴(kuò)充和局部技術(shù)指標(biāo)提升，已無法滿足未來星地高速通信的需求。因此，迫切需要新技術(shù)手段來解決星地通信速率瓶頸問題。

激光，是星地海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男逻x擇。星地激光通信以激光為載體，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間的高速信息傳輸，是未來星地高速通信的重要手段。

區(qū)別于傳統(tǒng)微波通信，星地激光通信可用頻譜資源極其豐富，帶寬可達(dá)數(shù)太赫茲(THz)，相較于微波通信提高了十倍到近千倍。對此，空天院高級工程師李亞林解釋：“如果將頻段比作道路，那么微波X頻段是單車道，微波Ka頻段是四車道，而激光可容納成百甚至上千車道。”

“此外，激光通信系統(tǒng)重量輕、體積小、功耗低、保密性強(qiáng)，能夠滿足星地海量數(shù)據(jù)傳輸需求。”李亞林補(bǔ)充道。

4800米高海拔無人區(qū)站點(diǎn)

星地激光通信優(yōu)勢明顯，但也易受多云、雨雪等天氣和大氣湍流影響。因此，合理的站址選擇能在很大程度上降低復(fù)雜非穩(wěn)態(tài)大氣信道導(dǎo)致的光束質(zhì)量惡化，提高星地激光通信的性能和可用度。

從我國大陸地理地形分布角度考慮，位于第一階梯的帕米爾高原地區(qū)具有平均海拔高、氣候干燥等特點(diǎn)，是極優(yōu)良的站址地點(diǎn)。星地激光通信地面站所在的慕士塔格峰區(qū)域大氣條件好、視寧度優(yōu)，可媲美世界一流光學(xué)站址，且氣候干燥少雨，全年均可開展星地激光通信任務(wù)，為星地激光通信的業(yè)務(wù)化運(yùn)行提供了優(yōu)良條件。

高海拔無人區(qū)站點(diǎn)的建設(shè)和運(yùn)維非常不易。自2019年起，歷經(jīng)幾年時(shí)間，空天院在自然條件惡劣的帕米爾高原建成了星地激光通信地面站。該站包括位于海拔約4800米的科研區(qū)和位于海拔3300米的保障區(qū)，激光通信地面系統(tǒng)部署在科研區(qū)，運(yùn)維人員工作在保障區(qū)，未來將通過遠(yuǎn)程操作方式實(shí)現(xiàn)長期可靠的業(yè)務(wù)化運(yùn)行。

“前期，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在帕米爾高原上累計(jì)行程達(dá)30萬公里，進(jìn)行選址、測量、論證、建設(shè)等工作。”回憶起星地激光通信地面站的建設(shè)之路，空天院高級工程師、中國遙感衛(wèi)星地面站喀什站站長王建平說，“這里的無人區(qū)無路無水無電，還會有極端惡劣天氣。面對困難，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)團(tuán)結(jié)協(xié)作，完成了這項(xiàng)艱巨任務(wù)。”

據(jù)了解，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)先后突破了大氣信道預(yù)測及任務(wù)規(guī)劃調(diào)度、激光信號的快速捕獲建鏈和自適應(yīng)光學(xué)校正、復(fù)雜大氣條件下的無誤碼傳輸?shù)纫幌盗嘘P(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了夜間星地激光通信的常態(tài)化運(yùn)行。近期，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)又攻克了白天強(qiáng)大氣湍流、強(qiáng)背景光下的可靠星地激光通信難題，首次成功完成了白天星地激光通信試驗(yàn)，將星地激光通信的可用時(shí)段提高了近一倍，進(jìn)一步支撐了星地激光通信地面站的業(yè)務(wù)化運(yùn)行。

星地激光通信地面站網(wǎng)正規(guī)劃論證

當(dāng)前，美國、日本等發(fā)達(dá)國家正加速發(fā)展星地激光通信技術(shù)，布局建設(shè)星地高速激光通信網(wǎng)絡(luò)。未來，我國星地激光通信地面站又將如何發(fā)展?

“我國星地激光通信發(fā)展非常迅速，各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)均已突破，正在開展工程化試驗(yàn)試用，以支撐后續(xù)的規(guī)?；M網(wǎng)應(yīng)用。”空天院研究員、中國遙感衛(wèi)星地面站主任黃鵬告訴記者。

星地激光通信地面站的常態(tài)化運(yùn)行，將為我國下一代星地海量數(shù)據(jù)傳輸體系規(guī)劃和新一代衛(wèi)星地面站網(wǎng)建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。據(jù)介紹，空天院正在規(guī)劃、論證建設(shè)國家星地激光通信地面站網(wǎng)，通過在我國西南、西北和東部地區(qū)建設(shè)多個(gè)星地激光通信地面站進(jìn)行組網(wǎng)，可以進(jìn)一步克服天氣對星地激光通信的不利影響，大幅提高星地激光通信的可用度。