吉林一號衛星激光通信數據傳輸試驗及應用

王行行 霍占偉 牟洪元 李廣振 楊成龍 鮑大志 于洪良 解延浩 張紅宇

（長光衛星技術股份有限公司）

2023 年10 月5 日，我國長光衛星技術股份有限公司（簡稱長光衛星）使用自主研制的車載激光通信地面站，與吉林一號（JiLin-1）星座MF02A04 星星載激光終端開展了星地激光高速圖像傳輸試驗并取得成功。這標志著長光衛星已成功實現星地激光高速圖像傳輸全業務鏈的工程化，工程應用能力達到國際先進水平，這也是我國首次實現獨家自主完成業務化應用星地激光高速圖像傳輸試驗。空間激光通信因具有高帶寬、低延遲和安全性好的優勢，逐漸成為衛星數據高速傳輸的有效手段。

1 前言

近年來，我國遙感衛星進入快速發展期，特別是過去十年，在陸地遙感衛星技術自主化方面，我國走出了一條從無到有、從小到大、從弱到強的發展之路，基本實現了對地遙感監測，從數量、質量上均邁入了世界陸地衛星對地觀測的先進行列。隨著遙感衛星時空分辨率的不斷提高，探測獲取的海量數據無法及時落地，已經成為阻礙我國衛星效能發揮的瓶頸問題。

空間激光通信技術是一種無線通信技術，使用激光器產生激光源，將所需傳輸的圖像、語音、信號等信息調制到激光中，這些信息隨著激光載波通過自由空間傳輸到接收端，然后被解碼還原為原始數據。空間激光通信技術相比于傳統的微波通信方式，具有傳輸速率快、通信容量大、抗電磁干擾性能強、保密性高等優點，成為海量數據超高速傳輸的最佳解決方案之一。

本文針對吉林一號星座的建設現狀，深入探討了遙感星座數據下傳過程中的主要問題，詳細闡述了空間激光通信技術及其在吉林一號星座數據傳輸中的試驗驗證情況。

2 空間激光通信國內外發展現狀

國內外空間激光通信技術近年來取得了飛速發展。特別是美國、歐洲和日本，借助其強大的光通信技術底蘊以及豐富的衛星制造和運營經驗，紛紛展開了空間激光通信的在軌試驗和驗證，取得了顯著的成就。與此同時，在我國，眾多科研機構和大學在國家的支持下也積極投入相關研究。然而，由于空間激光通信面臨技術難度高、資金投入大、試驗周期長等挑戰，盡管已有30 年的發展歷程，該領域仍主要集中在在軌驗證階段，尚未邁入成熟應用的階段。

1）美國是全球最早研發空間激光通信技術的國家，得到了國家航空航天局（NASA）和空軍的大力支持。2000 年，NASA 依托噴氣推進實驗室（JPL）完成了激光通信演示系統（OCD）的試驗。2013 年，成功實施了月-地雙向激光通信技術驗證，在繞月飛行器（LLCD）與地面接收終端之間建立雙向激光通信鏈路，驗證利用輕小型星載終端成功實現月-地雙向激光通信，其中月地最大下行和上行速率分別達到了622Mbit/s 和20Mbit/s。2014 年，利用“國際空間站”（ISS）激光通信光學有效載荷（OPALS）實現了與地面光通信望遠鏡實驗室（OCTL）地面站長達148s 的通信，這是人類首次實現“國際空間站”對地激光通信信息傳輸。2017 年11 月，NASA創新型1.5U 立方體衛星的“激光通信與傳感器演示”（OCSD）項目，驗證了未來小型衛星的高傳輸率激光數據傳輸技術，星地鏈路下行速度最高達到了2.5Gbit/s。2022 年5 月25 日，作為探路者技術演示-3（PTD-3）任務的一部分，搭載于PTD-3 立方體衛星中的太字節紅外傳輸（TBIRD）系統從卡納維拉爾角空軍基地隨太空探索技術公司（SpaceX）火箭發射升空，其目的是測試小型衛星平臺與地面終端之間的高速點對點激光通信和高速突發通信能力，實驗最終實現了200Gbit/s 的最高傳輸速率，創造了迄今為止最快的太空激光通信傳輸系統紀錄。

2）歐洲的主要國家和地區也較早地開展了空間激光通信技術的研究。例如：2001 年，歐洲航天局（ESA）將星間激光通信鏈路試驗載荷（OPALE）搭載“先進中繼和技術試驗任務衛星”（Artemis）發射，該終端先后完成了多項重大試驗驗證：2001年11 月，實現與斯波特-4（SPOT-4）衛星雙向星間激光通信，創造了全球星間激光通信歷史；2005 年12 月，實現與日本激光通信終端（LUCE）雙向星間激光通信；2006 年11 月，與神秘-20（Mystere-20）飛機實現星-空激光通信。2008 年，德國航空航天中心（DLR）使用Tesat 公司終端在長達45000km 的地球靜止軌道-低地球軌道（GEOLEO）遠距離間進行了空間激光通信的在軌原理試驗驗證，此次試驗采取了1060nm 載波的二進制相移鍵控（BPSK）相干技術，并達到了5.625Gbit/s的最高速度與誤碼率小于10-8的成果；2015 年，德國建立了車載自適應光學通信地面站，實現了車載自適應激光通信終端與LEO 的高速率傳輸，傳輸速率為5.625Gbit/s，同時實現了與地球同步軌道“阿爾法衛星”（Alphasat）激光通信終端之間帶寬為2.8125Gbit/s、有效速率為1.8Gbit/s 的雙向激光通信。

3）日本對于星地激光通信的演示驗證也已取得一系列顯著進展。2005 年，日本發射星間激光通信工程實驗衛星（OICETS），搭載LUCE 激光通信載荷，先后于2005 年和2006 年完成了星間、星地激光通信技術驗證，下行速率達到了50Mbit/s。先進激光儀器高速激光通信計劃（HICALI）是日本情報通信研究機構（NICT）和日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）正在開發的一款空間激光通信終端，它計劃搭載在工程試驗衛星-9（ETS-9）上（原計劃2023 年發射，2023 年未發射），實現從地球同步軌道（GSO）到地面的10Gbit/s 級別的高速數據傳輸。另外，日本的相關研究已逐步向激光通信終端小型化、輕量化、低功耗方向發展。

4）我國在空間激光通信技術領域的研究起步較晚，但近年來成果顯著，如在通信系統技術和端機研制方面取得重大突破，在激光通信單元技術領域取得不少研究成果。2011 年，由哈爾濱工業大學研制的激光終端搭載海洋二號衛星，實現了我國首次星地激光通信，并實現了504Mbit/s 的最高下行速率。2017 年，通過“墨子”量子科學實驗衛星完成了我國首次星地高速相干激光通信技術在軌試驗，最高下行速率達到5.12Gbit/s。2017 年，利用實踐十三號高通量衛星搭載星地激光通信終端，開展我國首次高軌衛星對地高速激光雙向通信試驗并取得了成功。在45000km 星地距離，最高速率達到5Gbit/s。2019 年，利用實踐二十號衛星搭載星地激光通信終端，開展我國首次高軌衛星對地四相相移鍵控（QPSK）相干激光通信試驗，最高速率達到10Gbit/s。這些空間通信試驗在系統設計、捕獲跟蹤技術和光波大氣傳輸特性等領域，為我國空間激光通信技術的研究提供了珍貴的實踐經驗。

3 吉林一號星座建設及其對數傳需求分析

吉林一號衛星星座是長光衛星在建的核心工程，是我國目前最大的商業遙感衛星星座，具備了較強的服務能力（圖1）。隨著吉林一號衛星星座不斷發展，時間分辨率、空間分辨率和光譜分辨率不斷提高，遙感星座每天獲取的圖像數據量呈幾何級增長。遙感星座獲得的海量遙感圖像需要通過數傳系統及時傳回地面，這就給衛星數傳系統帶來了極大的挑戰。在遙感衛星數傳需求推動下，衛星數傳系統也經歷了不斷的改進。多年來由50Mbit/s 發展到150Mbit/s、300Mbit/s、600Mbit/s、900Mbit/s，一直到當前1.2Gbit/s。受限于頻帶特性，1.2Gbit/s 之后數據傳輸速率提升將非常困難。盡管微波數傳帶寬已經提升了很多倍，但相對于遙感衛星載荷數據率的發展，仍然像是“擠牙膏式”增長，愈發捉襟見肘。星地數傳鏈路帶寬已成為制約衛星海量數據下傳的“卡脖子”問題。

在遙感衛星數據量劇增和微波數傳帶寬瓶頸的背景下，我們需要面對以下幾個關鍵問題。

數據獲取及時性降低。衛星數傳系統無法滿足高速傳輸的需求。為了進一步降低所需傳輸的數據量，衛星通常會裝配圖像壓縮系統，即便如此，壓縮后的數據體量仍然很大，無法及時傳輸到地面。

數據存儲困難。遙感衛星上裝配有數據存儲系統，載荷成像期間，會將數據實時存儲到數據存儲系統中，并在過境圈次數傳到地面。當數據無法及時傳輸到地面時，剩余數據將積累在星上存儲中，持續占用存儲空間，進而導致存儲資源緊張。

載荷利用率顯著下降。數據不能及時傳輸，只能在衛星上進行存儲，但星上存儲空間有限，超出容量后，衛星載荷成像新獲取的數據將無法存儲，導致衛星不能執行新的成像任務，進而限制載荷利用效率。

隨著吉林一號星座時空分辨率的提高，星上拍到了高分辨率圖片或視頻，也很難即時傳輸到地面中心。分辨率越高，需要往地面傳輸的數據量就越大，而當前天地數據傳輸主要依賴帶寬比較小的微波信號。這導致光學衛星所拍攝的圖像，變成有價值的產品往往會延遲幾天，甚至超過一周。因此，研究新一代基于激光通信的衛星數據傳輸技術成為了迫切的需求。

4 吉林一號星地激光數傳技術及應用

星地激光數傳技術特點

星地激光數傳技術是空間激光通信技術的重要應用方向之一（圖2）。它利用激光光束作為傳輸媒介，實現了衛星與地面站之間高速、高帶寬、低時延的數據通信。這一技術在衛星通信領域發揮著關鍵作用，為衛星導航、遙感數據傳輸、科學實驗和衛星通信等多個領域提供了強大的數據傳輸能力。尤其是在需要大容量數據傳輸和高度安全性的應用中，星地激光數傳技術展現了出色的潛力。

圖2 星地激光數傳示意圖

應用激光通信技術實現低軌遙感衛星與地面站之間數據傳輸，具有以下典型特點。

距離遠。例如：若低軌衛星軌道高度500km，則星地距離為500～1200km。

動中通。衛星和地面站之間相對高速運動，速度約為7km/s。

窗口短。過境時間短，通信窗口期小于10min。

大氣擾動。信號穿過大氣層，為非穩態隨機信道，受水霧吸收、大氣散射、湍流干擾影響。

為解決以上特點帶來的通信困難問題，2020 年3 月，長光衛星同步組建基于業務化應用的“車載激光通信地面站”與“星載激光通信終端”攻關團隊，車載本著“應做盡做”的設計原則，星載本著“簡潔可靠”的設計原則，采用天地一體聯合設計理念，全面開展研制工作。吉林一號星地激光數傳設計參數見表1，吉林一號MF02A04 星星地激光數傳功能框架如圖3 所示。

表1 吉林一號星地激光數傳設計參數

圖3 星地激光數傳功能框圖

星載激光通信系統

吉林一號MF02A04 星是由長光衛星自主研發的柔性衛星平臺，該衛星能夠根據不同載荷的集成需求，進行靈活單機變換，具有集成度高、帶載能力強、重量輕、成本低的特點（圖4）。星載激光通信端機裝載在該衛星上，于2023 年1 月15 日，在中國太原衛星發射中心搭載長征二號丁運載火箭成功發射升空，順利進入預定軌道（圖5）。

圖4 吉林一號MF02A04 星

圖5 星載激光通信端機

車載激光通信地面站及其關鍵技術

星地激光數傳需要解決在星地相對高速運動環境下的指向穩定問題，指向精度需達到微弧度級。國外現有星地激光通信多利用現有天文臺級的專業望遠鏡進行原理驗證，如果業務化運行大量部署這種級別的地面站，那么所要付出的代價無疑是巨大的。而小型站才更加經濟實惠和便攜，更適于組建地面站網、擴展業務化應用能力。長光衛星研制的基于業務化應用的“車載激光通信地面站”可隨時移動、隨地部署、高帶寬、小型化、機動性高，有更好的環境適應性，可以躲避極端天氣、大氣湍流，提高利用效率（圖6）。

圖6 車載激光通信地面站

為了實現車載激光地面站的多點布站和機動布站，從而保證穩定的業務化運行，需要解決以下幾個關鍵技術問題。

快速指向標校技術。車載激光站機動性強，需要在移動站點后對地面站指向進行精確標校，且往往沒有大型測量設備及預設地標作為輔助。

高精高動態捕跟技術。激光鏈路快速建立與穩定維持是實現星地激光通信的前提條件，衛星的高速運動和車載平臺振動干擾等因素會嚴重影響鏈路的跟蹤精度。

輕小型化設計技術。為滿足公路運輸需求，車載空間和載重能力十分有限，而激光通信地面站系統復雜、部組件較多，因此，需要對地面站系統進行輕小型化設計，降低質量和體積。

大氣信道補償技術。大氣信道復雜，使得激光通信跟蹤精度降低、光功率下降、通信誤碼率升高，這是星地激光通信系統的顯著特點。

錯誤數據自動重發技術。遙感衛星對數傳圖像完整性有嚴格要求，星地激光鏈路需要穿過大氣，大氣隨機性比較大，會引起突發傳輸錯誤。

吉林一號星地激光數傳試驗驗證情況

2023 年4 月8 日，長光衛星搭建了一套室外真實大氣環境下的水平500m 鏈路的激光通信系統。該試驗系統中，星載激光終端被放置在一棟大樓的窗戶邊上；地面系統采用直徑500m 的望遠鏡作為接收天線，包含了捕獲跟蹤系統、光纖耦合系統和通信系統，整體被安放在長光衛星園區內馬路上。激光通信地面站與星載激光通信終端完成地面水平500m 對接測試，實現了下行10Gbit/s、上行10Mbit/s 雙向激光通信（圖7）。本次試驗中，雖然星載端機和地面系統之間相對靜止，無法完全模擬星地相對運動狀態，但驗證了真實大氣環境、雙向精跟蹤、光纖耦合、通信建鏈和數據傳輸等一系列關鍵過程，為后續星地通信打下了基礎。

圖7 地面水平500m 距離激光通信對接

2023 年6 月14 日，車載激光通信地面站與吉林一號MF02A04 星星載激光終端開展了星地雙向捕獲跟蹤試驗。試驗期間，衛星“凝視”地面站（即衛星為了與地面站進行激光通信而采取的一種姿態控制模式），地面系統根據衛星的軌道根數，對衛星過境弧段進行預報，根據軌道遞推數據不斷更新跟蹤架指向位置，進行程序引導跟蹤。打開上行信標激光端機，同時不斷掃描捕獲下行激光信號，根據信號光斑在跟蹤相機視場中的脫靶量信息，實現對衛星下行信號的粗跟蹤和精跟蹤閉環。

本次試驗期間，盡管衛星最高仰角僅有32°，星地激光鏈路距離大于800km，且激光信號需要穿過斜程大氣空間，信號空間損耗較大，仍舊取得了良好的試驗效果。本次試驗，首次完成了星地相對高速運動下的雙向建鏈，捕獲時間小于10s，持續建鏈時間大于100s，跟蹤精度優于5μrad。

2023 年10 月5 日，車載激光通信地面站與吉林一號MF02A04 星開展了星地圖像傳輸試驗。衛星圖像數據通過內部高速線纜傳輸給激光通信終端，經過編碼、調制后，以激光的形式發射出去。本次試驗，驗證了車載激光通信地面站對衛星的軌道預報、程序引導指向、上行信標指引、下行信號捕獲跟蹤、光纖耦合、通信解調、圖像傳輸及解圖等全任務流程，接收MF02A04 星星載激光終端下傳的120GB 遙感圖像，通信誤碼率優于10-8，完成首次星地雙向高速激光圖像傳輸試驗，并在此后持續通過激光數傳獲取到優質衛星影像數據，星地激光數傳進入業務化階段（圖8）。

多途徑提高星地激光通信綜合可用度

在星地數傳場景中，激光傳輸深受大氣吸收和散射、大氣湍流，以及背景光等因素的影響，難以全天候工作，制約了鏈路的可靠性。為此，分析幾種解決衛星數據下傳問題的途徑，來提高星地激光通信綜合可用度。

激光微波復合數傳。在星載端同時裝配激光和微波數傳終端。這是一種直接而有效的措施，惡劣天氣條件下，啟用微波數傳可以保障數據下傳。其缺點也比較明顯：首先是設計冗余，裝配兩種終端勢必帶來體積、質量、成本的提升；其次，相較于激光數傳，微波數傳帶寬速率低很多（例如：激光10Gbit/s，微波單通道1.2Gbit/s），啟用微波數傳后，僅能保障數據可下傳，但數傳效率將大打折扣，進而無法保障衛星圖像獲取效率。因此，激光微波雙端機更像是激光數傳不成熟時的“保命”手段，而非有效替代手段。

星間激光中繼。星間激光通信也有助于優化地面段成本，因為當信息可以從一顆衛星傳輸到另一顆衛星時，單個地面站的利用率將大幅提高，所需的地面站就會少很多。采用星間激光通信，將數據中繼給正在過站的衛星，通過它進行數傳，使地面站“不閑著”，時刻在接收天上衛星數據，可極大提升衛星數傳效率。

多點布站、機動布站。采用多點布站方式可以有效躲避極端天氣影響。兩地相距足夠遠，一般大于1000km，可以認為完全不受天氣影響。惡劣天氣條件下，一個站點不可用時，采用另一個站點的激光站進行數據接收，既保障數據可回傳，同時也保障了數傳效率。若單站可用度為60%，則雙站綜合可用度為80%，三站綜合可用度為93%，四站綜合可用度大于97%。

機動布站可以在某一站點受天氣影響連續不可用時（如進入梅雨季節），改變部署站址，使其恢復使用，進一步提高數傳綜合可用度。

臨近空間中繼。針對衛星對地激光鏈路受大氣層影響較大，難以全天候工作的現狀，設計利用平流層飛艇等平臺對激光鏈路進行中繼的通信系統，將激光終端升空到平流層，降低大氣層影響，采用高速微波實現飛艇等平臺到地面的數據中繼傳輸（圖9）。

圖9 臨近空間中繼示意圖

在臨近空間，大氣條件接近外太空，受氣象條件影響小。如果地面終端升空到20km 的平流層，就不存在雨、霧和云層的影響，大氣湍流和大氣衰減的影響值將減少90%。因此，低軌遙感衛星到臨近空間段，激光數傳可以實現全天候工作；從臨近空間到地面段，設計直連光纖或微波數傳方式，受天氣影響較小。雖然微波數傳速率相對低一些，但可全天時數傳，亦可彌補該缺陷。

目前，臨近空間中繼平臺有太陽能無人機、平流層飛艇和高空熱氣球，但均不太成熟，受臨近空間大氣稀薄影響，僅能短暫駐留。所以，臨近空間中繼方案目前在國內外都處于早期試驗階段，距離實際使用還有一定距離。

5 結束語

相對于微波數傳“細水長流式”的數傳方式，激光通信可以“一天不數傳、一次全傳完”。本次星地激光高速圖像傳輸試驗的成功及業務化運行，驗證了通過激光來數傳衛星圖像的可行性。合理利用和發展空間激光通信技術對于改善遙感星座數據下傳效率具有重大意義。激光數傳技術將廣泛應用于吉林一號星座，為遙感衛星數據的高效獲取打開新的篇章。