中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 ( 空天院 ) 自主研制成功的 500 毫米口徑激光通信地面系統(tǒng)，9 月 15日在新疆帕米爾高原慕士塔格峰區(qū)域一處海拔 4800 米山頂完成部署，標(biāo)志著中國首個(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。
正在運(yùn)行的塔什庫爾干塔吉克自治縣星地激光通信地面站。中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院供圖
中國首個(gè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的激光通信地面站，在新疆帕米爾高原一處海拔 4800 米山頂建成，遠(yuǎn)處雪山為慕士塔格峰。
該地面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，改變中國目前衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收僅靠微波地面站的現(xiàn)狀。
滿足星地海量數(shù)據(jù)傳輸需求
隨著中國航天技術(shù)的快速提升，衛(wèi)星技術(shù)呈現(xiàn)變革性發(fā)展的態(tài)勢(shì)，衛(wèi)星探測產(chǎn)生的數(shù)據(jù)呈幾何級(jí)增長，海量數(shù)據(jù)無法及時(shí)下傳的問題日益突出，該問題嚴(yán)重制約了中國太空資源的高效利用。但是，僅依靠設(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，迫切需要顛覆性創(chuàng)新技術(shù)體制以徹底解決星地通信速率瓶頸問題。
中國科學(xué)院空天院高級(jí)工程師李亞林介紹說，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)的微波通信，星地激光通信的優(yōu)勢(shì)在于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。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。
全年均可開展星地激光通信任務(wù)
李亞林指出，星地激光通信存在易受多云、雨雪等天氣和大氣湍流影響的問題，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。從中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)。激光通信地面站所在的帕米爾高原慕士塔格峰區(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)良的條件。
自 2019 年以來，中國科學(xué)院空天院在自然條件惡劣的帕米爾高原持續(xù)推進(jìn)星地激光通信地面站建設(shè)，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。
中國科學(xué)院空天院高級(jí)工程師、中國遙感衛(wèi)星地面站喀什站站長王建平說，高海拔無人區(qū)站點(diǎn)的建設(shè)和運(yùn)維非常不易，前期整個(gè)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；這里無人區(qū)無路無水無電，容易出現(xiàn)缺氧高原反應(yīng)，還會(huì)有極端惡劣氣候，“面對(duì)這些困難，我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)扎根邊疆、團(tuán)結(jié)協(xié)作共同完成了這項(xiàng)艱巨任務(wù)”。
規(guī)劃建設(shè)國家激光通信地面站網(wǎng)
建設(shè)過程中，中國科學(xué)院空天院項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)先后突破大氣信道預(yù)測及任務(wù)規(guī)劃調(diào)度、激光信號(hào)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)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，首次成功完成白天星地激光通信試驗(yàn)。這項(xiàng)工作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。
據(jù)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)介紹，目前，歐美、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)。中國星地激光通信發(fā)展也非常迅速，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)模化組網(wǎng)應(yīng)用。中國科學(xué)院空天院研究員、中國遙感衛(wèi)星地面站主任黃鵬表示，星地激光通信地面站的常態(tài)化運(yùn)行，將充分積累星地激光通信的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為中國下一代星地海量數(shù)據(jù)傳輸體系規(guī)劃和中國新一代衛(wèi)星地面站網(wǎng)建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。他透露，中國科學(xué)院空天院當(dāng)前正在規(guī)劃論證建設(shè)國家激光通信地面站網(wǎng)，通過在中國西南、西北和東部布局建設(shè)多個(gè)激光通信站進(jìn)行組網(wǎng)，可以進(jìn)一步克服天氣對(duì)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。
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