The Innovation | 星地激光通信的工程应用：搭建星地信息高速公路

导 读

星地激光通信是解决我国星地通信速率瓶颈的重要手段，相关技术近年来已取得长足进步。然而，如何在复杂非稳态的大气信道下，保证通信的质量和可靠性仍是亟待攻克的难题。本文介绍了星地激光通信工程化应用的关键技术，并在星地试验中实现了10Gbps速率的卫星遥感影像传输。试验结果显示，传输数据质量良好，可满足高标准业务化应用需求。

图1 图文摘要

星地激光通信的优势

卫星高分辨率（即高时间、高空间和高光谱）遥感观测产生的数据呈几何级增长。与此同时，随着遥感大数据价值的不断提升与凸显，大数据驱动的遥感应用研究对全球海量数据快速无损下传的需求日益迫切，现有的星地通信速率已逐渐无法满足需求。

当前，星地通信主要采用微波体制，但微波频段资源有限，常用的X频段仅有375 MHz，近年来开始应用的Ka频段也只有1.5 GHz。激光频谱资源极其丰富，带宽可达THz，比微波高了2~3个量级。同时，激光发散角小，能量高度集中，地面收到的激光功率密度高，所以卫星能够“轻装上阵”，能够以远小于微波通信载荷的体积、重量和功耗实现超高速率的通信。此外，激光还具有很强的抗电磁干扰能力，用激光作为载波进行数据的发射与接收，能显著提高星地通信的安全性。

星地激光通信面临的问题及解决方案

星地激光大气信道具有复杂非稳态特征，其复杂性和非稳态性体现在：a）发生在对流层中的雾、雨、雪、云等对激光的吸收和散射作用造成激光束能量的衰减，进而导致激光馈电通信质量恶化甚至中断；b）近地面区域的非均匀大气层的实时动态变化引起大气折射率随机起伏变化，形成大气湍流。这种湍流效应会引起光束光场的随机变化，这种变化宏观上表现为光场空间相干性退化、光束漂移起伏、到达角起伏和光强闪烁，导致接收端信号光的光束质量变差。

激光大气信道的特征给星地激光通信的任务规划、ATP（捕获、跟踪、瞄准）和激光信号接收处理等方面均带来极大挑战。为了实现快速、稳定、可靠的星地激光通信，本文主要开展了以下三个方面研究：

1） 大气信道预测及任务规划调度：长短时的云量和大气湍流建模和预报，定量分析和预测星地激光通信的可用度，并开展星地通信任务的规划和调度。

2） 激光信号的快速捕获建链和自适应光学校正：复杂背景下弱信号的快速捕获和高精度跟踪，同时具备高带宽的自适应光学校正能力，能够保证稳定的高耦合效率，进而支撑后续信号的可靠处理。

3） 大气信道自适应传输控制：大多普勒、深衰落激光大气信道下的低信噪比稳定解调和高性能信道译码，以及差错自动检测重传和断点续传协议，保证星地激光通信质量。

星地激光通信试验情况

在本次星地激光通信试验中，按照业务化应用标准，成功完成了星地协同任务规划，激光信号双向捕获、稳定建链、自适应光学校正，基带信号高速解调译码，通信数据实时解析、误码重传、断点续传、记录输出等业务流程，实现了在非稳态信道下星地激光高速、高可靠通信，通信速率达到10Gbps，所获取的卫星载荷数据质量良好，可满足高标准业务化应用需求。

总结与展望

本次星地激光通信工程应用试验的成功，进一步加速了我国星地激光通信的发展进程。未来星地激光通信的速率可达100Gbps以上，通过激光通信地面规模化建设进一步克服大气信道的影响，大大提高星地激光通信的可用性。

通过进一步探索 “微波+激光”组合的常态化、业务化运行模式，有望彻底突破我国星地通信的瓶颈，为国家经济高质量发展和社会公共需求提供技术支撑和服务。

责任编辑

周   雅    广东工业大学

杜书恒   中国科学院力学研究所

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第五卷第一期以News & Buzz发表的“Demonstration of 10 Gbps satellite-to-ground laser communications in engineering” (投稿: 2023-07-24；接收: 2023-12-08；在线刊出: 2024-01-02)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100557

引用格式：Li Y., Zhang H., Huang P., et al., (2024). Demonstration of 10 Gbps satellite-to-ground laser communications in engineering. The Innovation 5(1), 100557.

作者简介

黄 鹏，中国科学院空天信息创新研究院中国遥感卫星地面站主任，研究员，研究方向为卫星地面系统。参与陆地卫星数据全国接收站网、资源三号卫星数据全国接收站网、高分专项地面系统、高分专项北极卫星地面站、国家民用空间基础设施地面数据接收系统、空间科学战略性先导科技专项等一系列国家重大卫星地面系统建设项目论证、设计和建设工作。

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