可能地表最强！中国首个业务化激光通信地面站实现了多项技术突破
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最近我国通信领域发生了一件大事，不知道大家有没有关注。由中国科学院空天信息创新研究院自主研制的500毫米(mǐ)口(kǒu)径激(jī)光(guāng)通(tōng)信(xìn)地(de)面(miàn)系(xì)统(tǒng)在(zài)帕(pà)米(mǐ)尔(ěr)高(gāo)原(yuán)正(zhèng)式(shì)建(jiàn)成(chéng)，并(bìng)进(jìn)入(rù)常(cháng)态(tài)化(huà)运(yùn)行阶段。这是我国首个业务化运行的星地激光通信地面站。
对通信不太了解的朋友可能已经一头雾水了。激光通信是啥？咱(zán)不(bù)是(shì)还(hái)在(zài)用(yòng)5G吗(ma)？下(xià)一(yī)代(dài)跳(tiào)过(guò) 6G，直(zhí)接(jiē)到(dào)激(jī)光(guāng)通(tōng)信(xìn)啦(la)？
简(jiǎn)单(dān)来(lái)说(shuō)，激(jī)光(guāng)通(tōng)信(xìn)是(shì)一(yī)种(zhǒng)利(lì)用(yòng)激(jī)光(guāng)束(shù)在(zài)两(liǎng)个(gè)点(diǎn)之(zhī)间(jiān)传(chuán)输(shū)数(shù)据(jù)的技术。这有点儿像(xiàng)我(wǒ)们(men)小(xiǎo)时(shí)候(hou)玩的“土电话”，只不过“土电话”传输(shū)数(shù)据(jù)的(de)方(fāng)式(shì)是(shì)机(jī)械(xiè)振(zhèn)动(dòng)，而(ér)激(jī)光(guāng)通(tōng)信(xìn)则(zé)使(shǐ)用(yòng)了(le)光(guāng)波(bō)。与(yǔ)之(zhī)相(xiāng)比(bǐ)，我(wǒ)们(men)日(rì)常(cháng)通(tōng)信(xìn)使(shǐ)用(yòng)的(de)WiFi、蜂(fēng)窝(wō)网(wǎng)络(luò)等(děng)等(děng)，都(dōu)是(shì)以无线电波作为载体。
和无线电波相比，激光通信使用的是光波，高频谱非常广，频率可达太赫兹（THz）级别，能够实现极高的传输速率，支持海量数据传输。点对点、速度快、带宽又大，这不正(zhèng)是(shì)星(xīng)地(de)通(tōng)信(xìn)需要的嘛。
有朋友可能好奇，激光通信这么牛，为啥不用在日常通信上。因为激光通信用的是光波，波长一般在几百纳米到几微(wēi)米(mǐ)之(zhī)间(jiān)（1纳(nà)米(mǐ)=十亿分之一米）。波长越短，遇到障碍物时越容易被吸收、反射或散射。而我们日常通信所处的环境非常复杂，用激光通信效果反而不如波长更长，信号可以通过衍射、反射或散射绕过障碍物的无线电波。当(dāng)然(rán)啦(la)，从(cóng)我(wǒ)们(men)日(rì)常(cháng)通(tōng)信(xìn)产(chǎn)生(shēng)的(de)数(shù)据(jù)量(liàng)和(hé)部(bù)署(shǔ)成(chéng)本(běn)来(lái)说(shuō)，把(bǎ)激(jī)光(guāng)通(tōng)信(xìn)用(yòng)于(yú)日(rì)常(cháng)通(tōng)信(xìn)也(yě)不(bù)值(zhí)当(dāng)。
所(suǒ)以(yǐ)，目(mù)前(qián)，激(jī)光(guāng)通(tōng)信(xìn)主要(yào)应(yīng)用(yòng)于(yú)星(xīng)地(de)和(hé)星(xīng)际(jì)通(tōng)信(xìn)。
在(zài)帕(pà)米(mǐ)尔(ěr)高(gāo)原(yuán)星(xīng)地(de)激(jī)光(guāng)通(tōng)信(xìn)地面站正式建成之前，我国卫星数据接收只能靠微波地面站。微波通信是一种通过微波频段（通常在300 MHz到300 GHz之(zhī)间(jiān)）的(de)电(diàn)磁(cí)波(bō)来(lái)传(chuán)输(shū)信(xìn)息的通信方式。微波通信是星地之间主要的通信方式。
为什么呢？因为微波能穿透云层、雨雪非常适合星地之间全天候通信。由于覆盖范围广、穿透能(néng)力(lì)强(qiáng)、抗(kàng)干(gàn)扰(rǎo)性(xìng)好(hǎo)等(děng)优(yōu)点(diǎn)，微(wēi)波(bō)通(tōng)信(xìn)被(bèi)用(yòng)于(yú)各(gè)个(gè)领(lǐng)域，像(xiàng)我(wǒ)们(men)生(shēng)活(huó)中(zhōng)的(de)卫(wèi)星(xīng)电(diàn)视(shì)、卫(wèi)(wèi)星(xīng)(xīng)导(dǎo)(dǎo)航(háng)(háng)导(dǎo)(dǎo)航(háng)(háng)、移(yí)(yí)动(dòng)(dòng)通(tōng)(tōng)信(xìn)(xìn)、气(qì)(qì)象(xiàng)(xiàng)预(yù)(yù)报(bào)(bào)都(dōu)(dōu)离(lí)(lí)不(bù)(bù)开(kāi)(kāi)它(tā)(tā)。
既(jì)(jì)然(rán)(rán)微(wēi)波(bō)通(tōng)信(xìn)优(yōu)点(diǎn)这(zhè)么(me)多，为啥要把激光通信推上位呢？
主要原因是，微波通信的能力慢慢地跟不上卫星通信的需求了。这有点类似咱从3G 升级到4G、5G，因为如果不升级的话，我们刷视频就会卡。用激光通信替代微波通信，也是(shì)同(tóng)样(yàng)的(de)原(yuán)因(yīn)。
随(suí)着(zhe)卫(wèi)星(xīng)技(jì)术(shù)的(de)发(fā)展(zhǎn)，卫(wèi)星(xīng)上(shàng)的(de)成(chéng)像(xiàng)传(chuán)感(gǎn)器(qì)、雷(léi)达(dá)系(xì)统(tǒng)和(hé)光(guāng)谱(pǔ)分(fēn)析(xī)仪(yí)等(děng)设(shè)备(bèi)的(de)分(fēn)辨(biàn)率(lǜ)和(hé)精(jīng)度(dù)不(bù)断(duàn)提(tí)高(gāo)，这(zhè)就(jiù)意(yì)味(wèi)着(zhe)需(xū)要传递的(de)数(shù)据(jù)量(liàng)也(yě)越(yuè)来(lái)越(yuè)大(dà)。拿(ná)美(měi)国(guó)国(guó)家(jiā)航(háng)空(kōng)航(háng)天(tiān)局(jú)1972 年(nián)发(fā)射(shè)的(de)遥(yáo)感(gǎn)卫(wèi)星(xīng)陆(lù)地(de)卫(wèi)星(xīng)1号(hào)（Landsat 1）来(lái)说(shuō)， 当(dāng)时(shí)卫(wèi)星(xīng)上(shàng)搭(dā)载(zài)的(de)多(duō)光(guāng)谱(pǔ)扫(sǎo)描(miáo)仪(yí)的(de)空(kōng)间分辨率为 80 米，空间分辨率是指(zhǐ)图(tú)像(xiàng)上(shàng)可(kě)以(yǐ)检(jiǎn)测(cè)最(zuì)小(xiǎo)单(dān)元(yuán)的(de)大(dà)小(xiǎo)，空(kōng)间(jiān)分(fēn)辨(biàn)率(lǜ)的(de)值(zhí)越(yuè)小(xiǎo)，图(tú)像(xiàng)中(zhōng)的(de)细(xì)节(jié)就(jiù)越(yuè)多(duō)。
陆(lù)地(de)卫(wèi)星(xīng)1号(hào)一(yī)次(cì)成(chéng)像(xiàng)大(dà)约(yuē)生(shēng)成(chéng)80 KB的(de)图(tú)像文件。每天能捕捉数百幅图像，总数据量不到几十兆字节。而2013 年发射的陆地卫星8号(hào)（Landsat 8）搭(dā)载(zài)了(le)陆(lù)地(de)成(chéng)像(xiàng)仪(yí)（OLI）和(hé)热(rè)红(hóng)外(wài)传(chuán)感(gǎn)器(qì)（TIRS），空(kōng)间(jiān)分(fēn)辨(biàn)率(lǜ)升(shēng)级(jí)为(wèi)(wèi) 15 米(mǐ)(mǐ)，每(měi)(měi)天(tiān)(tiān)产(chǎn)(chǎn)生(shēng)(shēng)的(de)数(shù)据(jù)量(liàng)超(chāo)过(guò) 700****GB。现(xiàn)在(zài)，卫(wèi)星(xīng)每(měi)天(tiān)生(shēng)成(chéng)的(de)数(shù)据(jù)量(liàng)一(yī)般(bān)(bān)为(wèi)(wèi)几(jǐ)(jǐ)百(bǎi)(bǎi)GB到(dào)(dào)数TB。
这个数据量的变化对于微波通信什么概念呢？我们可以简单算一下。
常用的微波频段有：X波段（8-12 GHz），带宽通常为500 MHz左右；Ku波段（12-18 GHz），带宽(kuān)可(kě)以(yǐ)达(dá)到(dào)1 GHz；Ka波(bō)段(duàn)（26-40 GHz），带宽可以高达2-4 GHz。
如果用 X 波段进行数据传输，假设传输速率(lǜ)为(wèi)100 Mbps，那(nà)么(me)传(chuán)输(shū) 50MB的(de)数(shù)据(jù)大(dà)概(gài)只(zhǐ)需(xū)要(yào) 4 秒(miǎo)（1 字(zì)节(jié)（B） = 8 比(bǐ)特(tè)（b），50 MB = 50 × 8 = 400 Mb（兆(zhào)(zhào)比(bǐ)(bǐ)特(tè)(tè)），传(chuán)(chuán)输(shū)(shū)时(shí)间(jiān) = 数(shù)据(jù)量(liàng) / 传(chuán)输(shū)速(sù)率(lǜ) = 400 Mb / 100 Mbps = 4 秒(miǎo)），足(zú)以(yǐ)应(yīng)对(duì)陆(lù)地(de)卫(wèi)星(xīng)1号(hào)的(de)几(jǐ)十(shí)兆(zhào)的(de)数(shù)据(jù)。
而(ér)现(xiàn)在(zài)，即(jí)使(shǐ)用(yòng)传(chuán)输(shū)速(sù)度(dù)为(wèi)1 Gbps的(de)高(gāo)频(pín)Ka波(bō)段(duàn)，传(chuán)输(shū)陆(lù)地(de)卫(wèi)星(xīng)8号(hào)的 700GB的数据也得花超过一个半小时。考虑到卫星运行和地面通信的时间窗口是有限的，这个时间极大影响了数据传输的有效性。
而且，在长距离的星地通信中，微波通信很容易信号衰减，特别是在传大数据量时，信号衰减更严重。当然，也有传输速率更快的波段，比如 V 波段（40-75 GHz）以及毫米波段（30-300 GHz），传输速率能达到 10 Gbps至20 Gbps，甚至更高。不过，这些波段波长较短，更适合短距离通信。所以说，微波通信已经无法满足现在卫星通信的需求。激光通信无疑是目前更好的选择。
为啥(shà)？因(yīn)为(wèi)微(wēi)波(bō)通(tōng)信(xìn)的(de)短(duǎn)板(bǎn)正(zhèng)好(hǎo)是(shì)激(jī)光(guāng)通(tōng)信(xìn)的(de)(de)长(zhǎng)(zhǎng)板(bǎn)(bǎn)。
前(qián)(qián)面(miàn)(miàn)我(wǒ)(wǒ)们(men)(men)说(shuō)(shuō)了(le)(le)，激(jī)(jī)光(guāng)(guāng)通(tōng)(tōng)信(xìn)(xìn)使(shǐ)(shǐ)用(yòng)(yòng)的(de)(de)是(shì)(shì)光(guāng)(guāng)波(bō)，频(pín)率(lǜ)在(zài)太(tài)赫(hè)兹(zī)（THz）范(fàn)围(wéi)，频(pín)谱(pǔ)资(zī)源(yuán)非常丰富。这就意味着，和微波通信相比，激光通信的带宽可以提升数十倍甚至数千倍，足以(yǐ)满(mǎn)足(zú)目(mù)前(qián)海(hǎi)量(liàng)数(shù)据(jù)的(de)星(xīng)地(de)通(tōng)信(xìn)需(xū)求(qiú)。
激(jī)光(guāng)具(jù)有(yǒu)高(gāo)度(dù)定(dìng)向(xiàng)性(xìng)，在(zài)传播过程中几乎不会发散，所以信号的强度和质量非常稳定，在进行远距离数据传输时，不需要频繁中继或放大信号。另外，由于激光通信使(shǐ)用(yòng)的(de)频(pín)率(lǜ)远(yuǎn)高(gāo)于(yú)无(wú)线(xiàn)电(diàn)波(bō)，所(suǒ)以(yǐ)在(zài)这(zhè)个(gè)频(pín)段(duàn)，电(diàn)磁(cí)环(huán)境(jìng)非(fēi)常(cháng)干(gàn)净(jìng)，几(jǐ)乎(hu)没(méi)有(yǒu)其(qí)他(tā)设(shè)备(bèi)在(zài)同(tóng)一(yī)频(pín)段(duàn)中(zhōng)工(gōng)作(zuò)，也就是说，激(jī)光(guāng)通(tōng)信(xìn)不(bù)容(róng)易(yì)受(shòu)到(dào)其(qí)他(tā)电(diàn)磁(cí)波(bō)源(yuán)的(de)干(gàn)扰(rǎo)，信(xìn)号(hào)更(gèng)为(wèi)清(qīng)晰(xī)、稳(wěn)定(dìng)。这(zhè)就(jiù)好(hǎo)比(bǐ)大(dà)马(mǎ)路上(shàng)就(jiù)你(nǐ)一(yī)辆(liàng)车(chē)，路况(kuàng)非(fēi)常(cháng)简(jiǎn)单(dān)。
除(chú)此(cǐ)之(zhī)外(wài)，激(jī)光(guāng)通(tōng)信(xìn)还有低延迟、可以并行数据传输等特性。这些特性让激光通信在卫星通信、深空探测等需要高速、大数据量传输的场景有很大潜力。
当然啦，没有技术是完美的。激光通信的缺点也很明显。我们前面也提到了，由于光波的波长非常短，很容易被吸收、反射或散射，所以激光通信很容易受天气影响，多云、雨、雪以及大气湍流都会影响激光通信的质量。这也是为什么咱首个星地激光通信地面站会选在帕米尔高原。帕米尔高原地区平均海拔高、气候干燥，通信站所在的塔格峰区域大气条件好，视宁度非常好，而且干燥少雨，全年均可开展星地激光通信任务。
为了建成帕米尔高原星地激光通信地面(miàn)站(zhàn)，咱(zán)的(de)科(kē)研(yán)人(rén)员(yuán)吃(chī)了(le)不(bù)少(shǎo)苦(kǔ)头(tóu)，实(shí)现(xiàn)了(le)很(hěn)多(duō)突(tū)破(pò)。
比(bǐ)如(rú)，为(wèi)了(le)解(jiě)决(jué)激(jī)光(guāng)通(tōng)信(xìn)容(róng)易(yì)受(shòu)天(tiān)气(qì)影(yǐng)响(xiǎng)(xiǎng)的(de)(de)(de)问(wèn)(wèn)(wèn)题(tí)(tí)(tí)，中(zhōng)(zhōng)(zhōng)国(guó)(guó)(guó)科(kē)(kē)(kē)学(xué)(xué)(xué)院(yuàn)(yuàn)(yuàn)空(kōng)(kōng)(kōng)天(tiān)(tiān)(tiān)信(xìn)(xìn)(xìn)息(xi)(xi)(xi)创(chuàng)(chuàng)(chuàng)新(xīn)(xīn)(xīn)研(yán)(yán)究(jiū)院(yuàn)开(kāi)发(fā)(fā)了(le)(le)自(zì)(zì)适(shì)(shì)应(yīng)(yīng)光(guāng)(guāng)学(xué)(xué)校(xiào)(xiào)正(zhèng)(zhèng)技(jì)(jì)术(shù)(shù)，能(néng)(néng)够(gòu)(gòu)实(shí)(shí)时(shí)(shí)修(xiū)(xiū)正(zhèng)(zhèng)大(dà)(dà)气(qì)(qì)湍(tuān)(tuān)流(liú)(liú)带(dài)(dài)来(lái)(lái)的(de)(de)信(xìn)(xìn)号(hào)(hào)畸(jī)(jī)变(biàn)，从(cóng)而(ér)确(què)保(bǎo)在(zài)不(bù)良(liáng)气(qì)象(xiàng)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)，仍(réng)然(rán)可(kě)以(yǐ)维(wéi)持(chí)高(gāo)质(zhì)量(liàng)的(de)(de)数(shù)(shù)据(jù)(jù)传(chuán)(chuán)输(shū)(shū)。
中(zhōng)(zhōng)国(guó)(guó)科(kē)(kē)学(xué)(xué)院(yuàn)(yuàn)空(kōng)(kōng)天(tiān)(tiān)信(xìn)(xìn)息(xi)创(chuàng)新(xīn)研(yán)究(jiū)院(yuàn)的(de)科(kē)研(yán)人(rén)员(yuán)还(hái)突破了激光通信“不能见光”的障碍。此前，激光通信一般都是晚上进行(xíng)，因(yīn)为(wèi)，白(bái)天太阳光带来的强背景光会给激光通信造成严重干扰，这种光噪声会显著降低接收设备的信噪比，导致通信不稳定或中断。科研人员攻克了这一难题，实现了全天候的通信，将星地激光通信的可用时段延长了近一倍。
除此之外，这些突破代表咱们国家激光通信的技术水平，在全球范围内，可以毫不心虚地说，处于先进水平。放眼望去，没有哪个国家敢说，激光通信技术整体实力比咱的强。因为世界各国的激光通信技术虽然各有所长(zhǎng)，比(bǐ)如(rú)美(měi)国国家航空航天局（NASA）的激光通信中继演示（Laser Communications Relay Demonstration，简称LCRD）侧重于高容量数据传输和数据中继功能；欧洲的数据中继系统（EDRS）主要集中于卫星间数据中继传输；但是他们基本上都没实现全天候通信(xìn)。由此可见帕米尔高原星地激光通信地面站常态化运行的含金量。
看到这，相信你除了自豪之外，头上大概还冒出了一个问号：激光通信和我有啥(shà)关系(xì)？
这(zhè)么(me)说(shuō)吧(ba)，我(wǒ)们(men)关于(yú)未(wèi)来(lái)世(shì)界(jiè)的(de)幻(huàn)想(xiǎng)，很(hěn)多(duō)都(dōu)和(hé)激(jī)光(guāng)通(tōng)信(xìn)有(yǒu)关。比(bǐ)如(rú)6G 通(tōng)信(xìn)。激(jī)光(guāng)通(tōng)信(xìn)是(shì) 6G 的核心技术之一，通过激光传输，6G可以实现超高速的无线网络，支持超高清视频流、虚拟现实和增强现实（VR/AR）等新兴应用。比如自动驾驶。激光通信能够为自动驾驶汽车提供更快的反应速度和更安全的通信链路，提升智能交通系统的整体效率。
除此之外，智能城市、量子通信、太空移民等等都需要激光通信加持。
虽然目前来说，将激光通(tōng)信(xìn)从(cóng)星(xīng)地(de)通(tōng)信(xìn)全面(miàn)应(yīng)用(yòng)到(dào)其(qí)他(tā)领(lǐng)域还(hái)有(yǒu)很(hěn)多(duō)挑(tiāo)战(zhàn)，但(dàn)以(yǐ)目(mù)前(qián)的(de)发(fā)展(zhǎn)速(sù)度(dù)来(lái)看(kàn)，我(wǒ)们(men)可(kě)以(yǐ)乐(lè)观(guān)地(de)憧(chōng)憬(jǐng)，在(zài)不(bù)远(yuǎn)的(de)未(wèi)来(lái)，那(nà)束(shù)激(jī)光(guāng)能(néng)从(cóng)深(shēn)空(kōng)照(zhào)进(jìn)我(wǒ)们(men)的(de)生(shēng)活(huó)。
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作(zuò)者(zhě)：零(líng)一(yī)
审(shěn)核(hé)：韩(hán)蕾(lěi) 通(tōng)信(xìn)高(gāo)级(jí)工(gōng)程(chéng)师(shī)
出(chū)品(pǐn)：中(zhōng)国(guó)科(kē)协(xié)科(kē)普(pǔ)部(bù)
监(jiān)制(zhì)：中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)技(jì)术(shù)出(chū)版(bǎn)社有限公司、北京中科星河文化传媒有(yǒu)限(xiàn)公(gōng)司
