吉林一号卫星激光通信数据传输试验及应用

王行行 霍占伟 牟洪元 李广振 杨成龙 鲍大志 于洪良 解延浩 张红宇

（长光卫星技术股份有限公司）

2023 年10 月5 日，我国长光卫星技术股份有限公司（简称长光卫星）使用自主研制的车载激光通信地面站，与吉林一号（JiLin-1）星座MF02A04 星星载激光终端开展了星地激光高速图像传输试验并取得成功。这标志着长光卫星已成功实现星地激光高速图像传输全业务链的工程化，工程应用能力达到国际先进水平，这也是我国首次实现独家自主完成业务化应用星地激光高速图像传输试验。空间激光通信因具有高带宽、低延迟和安全性好的优势，逐渐成为卫星数据高速传输的有效手段。

1 前言

近年来，我国遥感卫星进入快速发展期，特别是过去十年，在陆地遥感卫星技术自主化方面，我国走出了一条从无到有、从小到大、从弱到强的发展之路，基本实现了对地遥感监测，从数量、质量上均迈入了世界陆地卫星对地观测的先进行列。随着遥感卫星时空分辨率的不断提高，探测获取的海量数据无法及时落地，已经成为阻碍我国卫星效能发挥的瓶颈问题。

空间激光通信技术是一种无线通信技术，使用激光器产生激光源，将所需传输的图像、语音、信号等信息调制到激光中，这些信息随着激光载波通过自由空间传输到接收端，然后被解码还原为原始数据。空间激光通信技术相比于传统的微波通信方式，具有传输速率快、通信容量大、抗电磁干扰性能强、保密性高等优点，成为海量数据超高速传输的最佳解决方案之一。

本文针对吉林一号星座的建设现状，深入探讨了遥感星座数据下传过程中的主要问题，详细阐述了空间激光通信技术及其在吉林一号星座数据传输中的试验验证情况。

2 空间激光通信国内外发展现状

国内外空间激光通信技术近年来取得了飞速发展。特别是美国、欧洲和日本，借助其强大的光通信技术底蕴以及丰富的卫星制造和运营经验，纷纷展开了空间激光通信的在轨试验和验证，取得了显著的成就。与此同时，在我国，众多科研机构和大学在国家的支持下也积极投入相关研究。然而，由于空间激光通信面临技术难度高、资金投入大、试验周期长等挑战，尽管已有30 年的发展历程，该领域仍主要集中在在轨验证阶段，尚未迈入成熟应用的阶段。

1）美国是全球最早研发空间激光通信技术的国家，得到了国家航空航天局（NASA）和空军的大力支持。2000 年，NASA 依托喷气推进实验室（JPL）完成了激光通信演示系统（OCD）的试验。2013 年，成功实施了月-地双向激光通信技术验证，在绕月飞行器（LLCD）与地面接收终端之间建立双向激光通信链路，验证利用轻小型星载终端成功实现月-地双向激光通信，其中月地最大下行和上行速率分别达到了622Mbit/s 和20Mbit/s。2014 年，利用“国际空间站”（ISS）激光通信光学有效载荷（OPALS）实现了与地面光通信望远镜实验室（OCTL）地面站长达148s 的通信，这是人类首次实现“国际空间站”对地激光通信信息传输。2017 年11 月，NASA创新型1.5U 立方体卫星的“激光通信与传感器演示”（OCSD）项目，验证了未来小型卫星的高传输率激光数据传输技术，星地链路下行速度最高达到了2.5Gbit/s。2022 年5 月25 日，作为探路者技术演示-3（PTD-3）任务的一部分，搭载于PTD-3 立方体卫星中的太字节红外传输（TBIRD）系统从卡纳维拉尔角空军基地随太空探索技术公司（SpaceX）火箭发射升空，其目的是测试小型卫星平台与地面终端之间的高速点对点激光通信和高速突发通信能力，实验最终实现了200Gbit/s 的最高传输速率，创造了迄今为止最快的太空激光通信传输系统纪录。

2）欧洲的主要国家和地区也较早地开展了空间激光通信技术的研究。例如：2001 年，欧洲航天局（ESA）将星间激光通信链路试验载荷（OPALE）搭载“先进中继和技术试验任务卫星”（Artemis）发射，该终端先后完成了多项重大试验验证：2001年11 月，实现与斯波特-4（SPOT-4）卫星双向星间激光通信，创造了全球星间激光通信历史；2005 年12 月，实现与日本激光通信终端（LUCE）双向星间激光通信；2006 年11 月，与神秘-20（Mystere-20）飞机实现星-空激光通信。2008 年，德国航空航天中心（DLR）使用Tesat 公司终端在长达45000km 的地球静止轨道-低地球轨道（GEOLEO）远距离间进行了空间激光通信的在轨原理试验验证，此次试验采取了1060nm 载波的二进制相移键控（BPSK）相干技术，并达到了5.625Gbit/s的最高速度与误码率小于10-8的成果；2015 年，德国建立了车载自适应光学通信地面站，实现了车载自适应激光通信终端与LEO 的高速率传输，传输速率为5.625Gbit/s，同时实现了与地球同步轨道“阿尔法卫星”（Alphasat）激光通信终端之间带宽为2.8125Gbit/s、有效速率为1.8Gbit/s 的双向激光通信。

3）日本对于星地激光通信的演示验证也已取得一系列显著进展。2005 年，日本发射星间激光通信工程实验卫星（OICETS），搭载LUCE 激光通信载荷，先后于2005 年和2006 年完成了星间、星地激光通信技术验证，下行速率达到了50Mbit/s。先进激光仪器高速激光通信计划（HICALI）是日本情报通信研究机构（NICT）和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）正在开发的一款空间激光通信终端，它计划搭载在工程试验卫星-9（ETS-9）上（原计划2023 年发射，2023 年未发射），实现从地球同步轨道（GSO）到地面的10Gbit/s 级别的高速数据传输。另外，日本的相关研究已逐步向激光通信终端小型化、轻量化、低功耗方向发展。

4）我国在空间激光通信技术领域的研究起步较晚，但近年来成果显著，如在通信系统技术和端机研制方面取得重大突破，在激光通信单元技术领域取得不少研究成果。2011 年，由哈尔滨工业大学研制的激光终端搭载海洋二号卫星，实现了我国首次星地激光通信，并实现了504Mbit/s 的最高下行速率。2017 年，通过“墨子”量子科学实验卫星完成了我国首次星地高速相干激光通信技术在轨试验，最高下行速率达到5.12Gbit/s。2017 年，利用实践十三号高通量卫星搭载星地激光通信终端，开展我国首次高轨卫星对地高速激光双向通信试验并取得了成功。在45000km 星地距离，最高速率达到5Gbit/s。2019 年，利用实践二十号卫星搭载星地激光通信终端，开展我国首次高轨卫星对地四相相移键控（QPSK）相干激光通信试验，最高速率达到10Gbit/s。这些空间通信试验在系统设计、捕获跟踪技术和光波大气传输特性等领域，为我国空间激光通信技术的研究提供了珍贵的实践经验。

3 吉林一号星座建设及其对数传需求分析

吉林一号卫星星座是长光卫星在建的核心工程，是我国目前最大的商业遥感卫星星座，具备了较强的服务能力（图1）。随着吉林一号卫星星座不断发展，时间分辨率、空间分辨率和光谱分辨率不断提高，遥感星座每天获取的图像数据量呈几何级增长。遥感星座获得的海量遥感图像需要通过数传系统及时传回地面，这就给卫星数传系统带来了极大的挑战。在遥感卫星数传需求推动下，卫星数传系统也经历了不断的改进。多年来由50Mbit/s 发展到150Mbit/s、300Mbit/s、600Mbit/s、900Mbit/s，一直到当前1.2Gbit/s。受限于频带特性，1.2Gbit/s 之后数据传输速率提升将非常困难。尽管微波数传带宽已经提升了很多倍，但相对于遥感卫星载荷数据率的发展，仍然像是“挤牙膏式”增长，愈发捉襟见肘。星地数传链路带宽已成为制约卫星海量数据下传的“卡脖子”问题。

在遥感卫星数据量剧增和微波数传带宽瓶颈的背景下，我们需要面对以下几个关键问题。

数据获取及时性降低。卫星数传系统无法满足高速传输的需求。为了进一步降低所需传输的数据量，卫星通常会装配图像压缩系统，即便如此，压缩后的数据体量仍然很大，无法及时传输到地面。

数据存储困难。遥感卫星上装配有数据存储系统，载荷成像期间，会将数据实时存储到数据存储系统中，并在过境圈次数传到地面。当数据无法及时传输到地面时，剩余数据将积累在星上存储中，持续占用存储空间，进而导致存储资源紧张。

载荷利用率显著下降。数据不能及时传输，只能在卫星上进行存储，但星上存储空间有限，超出容量后，卫星载荷成像新获取的数据将无法存储，导致卫星不能执行新的成像任务，进而限制载荷利用效率。

随着吉林一号星座时空分辨率的提高，星上拍到了高分辨率图片或视频，也很难即时传输到地面中心。分辨率越高，需要往地面传输的数据量就越大，而当前天地数据传输主要依赖带宽比较小的微波信号。这导致光学卫星所拍摄的图像，变成有价值的产品往往会延迟几天，甚至超过一周。因此，研究新一代基于激光通信的卫星数据传输技术成为了迫切的需求。

4 吉林一号星地激光数传技术及应用

星地激光数传技术特点

星地激光数传技术是空间激光通信技术的重要应用方向之一（图2）。它利用激光光束作为传输媒介，实现了卫星与地面站之间高速、高带宽、低时延的数据通信。这一技术在卫星通信领域发挥着关键作用，为卫星导航、遥感数据传输、科学实验和卫星通信等多个领域提供了强大的数据传输能力。尤其是在需要大容量数据传输和高度安全性的应用中，星地激光数传技术展现了出色的潜力。

图2 星地激光数传示意图

应用激光通信技术实现低轨遥感卫星与地面站之间数据传输，具有以下典型特点。

距离远。例如：若低轨卫星轨道高度500km，则星地距离为500～1200km。

动中通。卫星和地面站之间相对高速运动，速度约为7km/s。

窗口短。过境时间短，通信窗口期小于10min。

大气扰动。信号穿过大气层，为非稳态随机信道，受水雾吸收、大气散射、湍流干扰影响。

为解决以上特点带来的通信困难问题，2020 年3 月，长光卫星同步组建基于业务化应用的“车载激光通信地面站”与“星载激光通信终端”攻关团队，车载本着“应做尽做”的设计原则，星载本着“简洁可靠”的设计原则，采用天地一体联合设计理念，全面开展研制工作。吉林一号星地激光数传设计参数见表1，吉林一号MF02A04 星星地激光数传功能框架如图3 所示。

表1 吉林一号星地激光数传设计参数

图3 星地激光数传功能框图

星载激光通信系统

吉林一号MF02A04 星是由长光卫星自主研发的柔性卫星平台，该卫星能够根据不同载荷的集成需求，进行灵活单机变换，具有集成度高、带载能力强、重量轻、成本低的特点（图4）。星载激光通信端机装载在该卫星上，于2023 年1 月15 日，在中国太原卫星发射中心搭载长征二号丁运载火箭成功发射升空，顺利进入预定轨道（图5）。

图4 吉林一号MF02A04 星

图5 星载激光通信端机

车载激光通信地面站及其关键技术

星地激光数传需要解决在星地相对高速运动环境下的指向稳定问题，指向精度需达到微弧度级。国外现有星地激光通信多利用现有天文台级的专业望远镜进行原理验证，如果业务化运行大量部署这种级别的地面站，那么所要付出的代价无疑是巨大的。而小型站才更加经济实惠和便携，更适于组建地面站网、扩展业务化应用能力。长光卫星研制的基于业务化应用的“车载激光通信地面站”可随时移动、随地部署、高带宽、小型化、机动性高，有更好的环境适应性，可以躲避极端天气、大气湍流，提高利用效率（图6）。

图6 车载激光通信地面站

为了实现车载激光地面站的多点布站和机动布站，从而保证稳定的业务化运行，需要解决以下几个关键技术问题。

快速指向标校技术。车载激光站机动性强，需要在移动站点后对地面站指向进行精确标校，且往往没有大型测量设备及预设地标作为辅助。

高精高动态捕跟技术。激光链路快速建立与稳定维持是实现星地激光通信的前提条件，卫星的高速运动和车载平台振动干扰等因素会严重影响链路的跟踪精度。

轻小型化设计技术。为满足公路运输需求，车载空间和载重能力十分有限，而激光通信地面站系统复杂、部组件较多，因此，需要对地面站系统进行轻小型化设计，降低质量和体积。

大气信道补偿技术。大气信道复杂，使得激光通信跟踪精度降低、光功率下降、通信误码率升高，这是星地激光通信系统的显著特点。

错误数据自动重发技术。遥感卫星对数传图像完整性有严格要求，星地激光链路需要穿过大气，大气随机性比较大，会引起突发传输错误。

吉林一号星地激光数传试验验证情况

2023 年4 月8 日，长光卫星搭建了一套室外真实大气环境下的水平500m 链路的激光通信系统。该试验系统中，星载激光终端被放置在一栋大楼的窗户边上；地面系统采用直径500m 的望远镜作为接收天线，包含了捕获跟踪系统、光纤耦合系统和通信系统，整体被安放在长光卫星园区内马路上。激光通信地面站与星载激光通信终端完成地面水平500m 对接测试，实现了下行10Gbit/s、上行10Mbit/s 双向激光通信（图7）。本次试验中，虽然星载端机和地面系统之间相对静止，无法完全模拟星地相对运动状态，但验证了真实大气环境、双向精跟踪、光纤耦合、通信建链和数据传输等一系列关键过程，为后续星地通信打下了基础。

图7 地面水平500m 距离激光通信对接

2023 年6 月14 日，车载激光通信地面站与吉林一号MF02A04 星星载激光终端开展了星地双向捕获跟踪试验。试验期间，卫星“凝视”地面站（即卫星为了与地面站进行激光通信而采取的一种姿态控制模式），地面系统根据卫星的轨道根数，对卫星过境弧段进行预报，根据轨道递推数据不断更新跟踪架指向位置，进行程序引导跟踪。打开上行信标激光端机，同时不断扫描捕获下行激光信号，根据信号光斑在跟踪相机视场中的脱靶量信息，实现对卫星下行信号的粗跟踪和精跟踪闭环。

本次试验期间，尽管卫星最高仰角仅有32°，星地激光链路距离大于800km，且激光信号需要穿过斜程大气空间，信号空间损耗较大，仍旧取得了良好的试验效果。本次试验，首次完成了星地相对高速运动下的双向建链，捕获时间小于10s，持续建链时间大于100s，跟踪精度优于5μrad。

2023 年10 月5 日，车载激光通信地面站与吉林一号MF02A04 星开展了星地图像传输试验。卫星图像数据通过内部高速线缆传输给激光通信终端，经过编码、调制后，以激光的形式发射出去。本次试验，验证了车载激光通信地面站对卫星的轨道预报、程序引导指向、上行信标指引、下行信号捕获跟踪、光纤耦合、通信解调、图像传输及解图等全任务流程，接收MF02A04 星星载激光终端下传的120GB 遥感图像，通信误码率优于10-8，完成首次星地双向高速激光图像传输试验，并在此后持续通过激光数传获取到优质卫星影像数据，星地激光数传进入业务化阶段（图8）。

多途径提高星地激光通信综合可用度

在星地数传场景中，激光传输深受大气吸收和散射、大气湍流，以及背景光等因素的影响，难以全天候工作，制约了链路的可靠性。为此，分析几种解决卫星数据下传问题的途径，来提高星地激光通信综合可用度。

激光微波复合数传。在星载端同时装配激光和微波数传终端。这是一种直接而有效的措施，恶劣天气条件下，启用微波数传可以保障数据下传。其缺点也比较明显：首先是设计冗余，装配两种终端势必带来体积、质量、成本的提升；其次，相较于激光数传，微波数传带宽速率低很多（例如：激光10Gbit/s，微波单通道1.2Gbit/s），启用微波数传后，仅能保障数据可下传，但数传效率将大打折扣，进而无法保障卫星图像获取效率。因此，激光微波双端机更像是激光数传不成熟时的“保命”手段，而非有效替代手段。

星间激光中继。星间激光通信也有助于优化地面段成本，因为当信息可以从一颗卫星传输到另一颗卫星时，单个地面站的利用率将大幅提高，所需的地面站就会少很多。采用星间激光通信，将数据中继给正在过站的卫星，通过它进行数传，使地面站“不闲着”，时刻在接收天上卫星数据，可极大提升卫星数传效率。

多点布站、机动布站。采用多点布站方式可以有效躲避极端天气影响。两地相距足够远，一般大于1000km，可以认为完全不受天气影响。恶劣天气条件下，一个站点不可用时，采用另一个站点的激光站进行数据接收，既保障数据可回传，同时也保障了数传效率。若单站可用度为60%，则双站综合可用度为80%，三站综合可用度为93%，四站综合可用度大于97%。

机动布站可以在某一站点受天气影响连续不可用时（如进入梅雨季节），改变部署站址，使其恢复使用，进一步提高数传综合可用度。

临近空间中继。针对卫星对地激光链路受大气层影响较大，难以全天候工作的现状，设计利用平流层飞艇等平台对激光链路进行中继的通信系统，将激光终端升空到平流层，降低大气层影响，采用高速微波实现飞艇等平台到地面的数据中继传输（图9）。

图9 临近空间中继示意图

在临近空间，大气条件接近外太空，受气象条件影响小。如果地面终端升空到20km 的平流层，就不存在雨、雾和云层的影响，大气湍流和大气衰减的影响值将减少90%。因此，低轨遥感卫星到临近空间段，激光数传可以实现全天候工作；从临近空间到地面段，设计直连光纤或微波数传方式，受天气影响较小。虽然微波数传速率相对低一些，但可全天时数传，亦可弥补该缺陷。

目前，临近空间中继平台有太阳能无人机、平流层飞艇和高空热气球，但均不太成熟，受临近空间大气稀薄影响，仅能短暂驻留。所以，临近空间中继方案目前在国内外都处于早期试验阶段，距离实际使用还有一定距离。

5 结束语

相对于微波数传“细水长流式”的数传方式，激光通信可以“一天不数传、一次全传完”。本次星地激光高速图像传输试验的成功及业务化运行，验证了通过激光来数传卫星图像的可行性。合理利用和发展空间激光通信技术对于改善遥感星座数据下传效率具有重大意义。激光数传技术将广泛应用于吉林一号星座，为遥感卫星数据的高效获取打开新的篇章。