星地激光通信地面站 记者 姚昆摄/光明图片
秋日，新疆塔什库尔干塔吉克自治县，帕米尔高原慕士塔格峰区域一处山顶，一个直径6米的白色“圆球”在蓝天白云下格外醒目。这便是中国科学院空天信息创新研究院(以下简称“空天院”)自主研制成功的500毫米口径激光通信地面系统。它的本领可不简单，能高速接收卫星传回的探测数据，为经济社会发展提供有力支撑。
9月15日，随着系统完成部署，我国首个业务化运行的星地激光通信地面站正式建成，并进入常态化运行阶段。该站的建成打通了星地激光通信全链条业务流程，将进一步推进星地激光通信的工程化应用。
激光可容纳成百上千“车道”
目前，我国卫星数据接收仅靠微波地面站。随着我国航天事业快速发展以及卫星技术不断进步，卫星探测产生的数据呈几何级增长，但海量数据无法及时下传的问题也日益突出，严重制约了太空资源的高效利用。依靠设施规模扩充和局部技术指标提升，已无法满足未来星地高速通信的需求。因此，迫切需要新技术手段来解决星地通信速率瓶颈问题。
激光，是星地海量数据传输的新选择。星地激光通信以激光为载体，可实现卫星与地面之间的高速信息传输，是未来星地高速通信的重要手段。
区别于传统微波通信，星地激光通信可用频谱资源极其丰富，带宽可达数太赫兹(THz)，相较于微波通信提高了十倍到近千倍。对此，空天院高级工程师李亚林解释：“如果将频段比作道路，那么微波X频段是单车道，微波Ka频段是四车道，而激光可容纳成百甚至上千车道。”
“此外，激光通信系统重量轻、体积小、功耗低、保密性强，能够满足星地海量数据传输需求。”李亚林补充道。
4800米高海拔无人区站点
星地激光通信优势明显，但也易受多云、雨雪等天气和大气湍流影响。因此，合理的站址选择能在很大程度上降低复杂非稳态大气信道导致的光束质量恶化，提高星地激光通信的性能和可用度。
从我国大陆地理地形分布角度考虑，位于第一阶梯的帕米尔高原地区具有平均海拔高、气候干燥等特点，是极优良的站址地点。星地激光通信地面站所在的慕士塔格峰区域大气条件好、视宁度优，可媲美世界一流光学站址，且气候干燥少雨，全年均可开展星地激光通信任务，为星地激光通信的业务化运行提供了优良条件。
高海拔无人区站点的建设和运维非常不易。自2019年起，历经几年时间，空天院在自然条件恶劣的帕米尔高原建成了星地激光通信地面站。该站包括位于海拔约4800米的科研区和位于海拔3300米的保障区，激光通信地面系统部署在科研区，运维人员工作在保障区，未来将通过远程操作方式实现长期可靠的业务化运行。
“前期，项目团队在帕米尔高原上累计行程达30万公里，进行选址、测量、论证、建设等工作。”回忆起星地激光通信地面站的建设之路，空天院高级工程师、中国遥感卫星地面站喀什站站长王建平说，“这里的无人区无路无水无电，还会有极端恶劣天气。面对困难，项目团队团结协作，完成了这项艰巨任务。”
据了解，项目团队先后突破了大气信道预测及任务规划调度、激光信号的快速捕获建链和自适应光学校正、复杂大气条件下的无误码传输等一系列关键技术，实现了夜间星地激光通信的常态化运行。近期，项目团队又攻克了白天强大气湍流、强背景光下的可靠星地激光通信难题，首次成功完成了白天星地激光通信试验，将星地激光通信的可用时段提高了近一倍，进一步支撑了星地激光通信地面站的业务化运行。
星地激光通信地面站网正规划论证
当前，美国、日本等发达国家正加速发展星地激光通信技术，布局建设星地高速激光通信网络。未来，我国星地激光通信地面站又将如何发展?
“我国星地激光通信发展非常迅速，各项关键技术均已突破，正在开展工程化试验试用，以支撑后续的规模化组网应用。”空天院研究员、中国遥感卫星地面站主任黄鹏告诉记者。
星地激光通信地面站的常态化运行，将为我国下一代星地海量数据传输体系规划和新一代卫星地面站网建设奠定坚实基础。据介绍，空天院正在规划、论证建设国家星地激光通信地面站网，通过在我国西南、西北和东部地区建设多个星地激光通信地面站进行组网，可以进一步克服天气对星地激光通信的不利影响，大幅提高星地激光通信的可用度。
