日前，“墨子號”量子衛(wèi)星與地面站通信試驗(yàn)照片公布，紅光與綠光的對接顯得格外科幻。

據(jù)專家透露，“這其實(shí)是使用高功率激光來實(shí)現(xiàn)跟蹤瞄準(zhǔn)——下行光用來校正接收望遠(yuǎn)鏡的角度，上行光用來校正激光器的角度。上下行光譜原則上有差異即可，目前選擇紅光和綠光只是工程實(shí)現(xiàn)方便”。

那么，在自由空間量子通信中使用的跟瞄技術(shù)到底是怎么一回事，其中又有哪些奧秘呢？

 

| 什么是APT技術(shù)？

“墨子號”量子衛(wèi)星與地面站之所以能夠?qū)崿F(xiàn)比較科幻的通信試驗(yàn)，其關(guān)鍵技術(shù)就在于APT技術(shù)。

為了能在衛(wèi)星與衛(wèi)星之間或衛(wèi)星與地面站之間實(shí)現(xiàn)可靠通信，首先要求一顆衛(wèi)星能捕捉到另一顆衛(wèi)星或地面站發(fā)來的光束，稱之為信標(biāo)光，并將該光束會聚到探測器中心，這個(gè)過程稱作捕獲體（Acquisiton)。

捕獲完成后，接收方也要發(fā)出一光束，要求該光束能準(zhǔn)確地指向發(fā)出信標(biāo)光的衛(wèi)星，這個(gè)過程稱作指向（Pointing)。

發(fā)出信標(biāo)光的衛(wèi)星接收到此光束后，也要相應(yīng)地完成捕獲過程，才能使兩顆衛(wèi)星或衛(wèi)星和地面站最終達(dá)到通信連接狀態(tài)。為保證這兩顆衛(wèi)星或衛(wèi)星與地面站一直處于通信狀態(tài)，必須一直保持這種精確的連接狀態(tài)，這過程稱作跟蹤口（Tracking)。

以上的捕獲、指向及跟蹤過程被稱為APT技術(shù)。

由于光通信中的通信光束非常窄。因此，為了確保接收方能夠接收到足夠強(qiáng)的信號能量，必須要保證通信光束與系統(tǒng)光軸的誤差控制到誤差范圍以內(nèi)，APT技術(shù)正是確保了這一高精度要求。因此，APT技術(shù)在星間激光通信中扮演著極為重要的角色。

• APT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

APT系統(tǒng)可分為粗瞄準(zhǔn)（粗跟蹤）子系統(tǒng)、精瞄準(zhǔn)（精跟蹤）子系統(tǒng)和信號處理及控制子系統(tǒng)。粗瞄準(zhǔn)（粗跟蹤）子系統(tǒng)主要完成捕獲、對準(zhǔn)和大視場的跟蹤，粗瞄系統(tǒng)實(shí)質(zhì)為一個(gè)兩軸光學(xué)伺服轉(zhuǎn)臺，可帶動(dòng)光學(xué)天線進(jìn)行大范圍的運(yùn)動(dòng)，但是帶寬較小，跟蹤定位精度較低。精瞄系統(tǒng)用于對目標(biāo)進(jìn)行精瞄準(zhǔn)和精跟蹤，通常是由壓電陶瓷或音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，精瞄系統(tǒng)帶寬大，精度高，但是運(yùn)動(dòng)范圍較小。所以通常將粗瞄系統(tǒng)和精瞄系統(tǒng)組成復(fù)合軸控制系統(tǒng)，從而可以進(jìn)行大范圍、高精度、快速地定位和跟蹤。信號處理及控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)根據(jù)光電編碼器和CCD傳感器反饋的信息對粗、精瞄準(zhǔn)（跟蹤）子系統(tǒng)進(jìn)行控制。

以技術(shù)比較成熟的SILEX系統(tǒng)為例。SILEX系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由粗瞄準(zhǔn)裝置、精瞄準(zhǔn)裝置、提前瞄準(zhǔn)裝置和天線方向驅(qū)動(dòng)裝置組成。

 

（SILEX系統(tǒng)的APT原理圖）

粗瞄準(zhǔn)裝置由萬向轉(zhuǎn)臺、粗瞄準(zhǔn)控制器和粗瞄準(zhǔn)探測器組成，用于捕獲和跟蹤環(huán)節(jié)。根據(jù)衛(wèi)星平臺的軌道和姿態(tài)參數(shù)調(diào)整萬向轉(zhuǎn)臺的瞄準(zhǔn)方向，并且以一定的方式進(jìn)行掃瞄捕獲，通過調(diào)整轉(zhuǎn)臺使入射光斑進(jìn)入精瞄準(zhǔn)控制器視場范圍。粗瞄準(zhǔn)視場角為幾個(gè)毫弧度，靈敏度約為10PW，瞄準(zhǔn)準(zhǔn)精度為幾十毫弧度。由于光束的發(fā)散角很小，為保證較小的捕獲時(shí)間，應(yīng)盡量減小不確定區(qū)域的面積，即希望開環(huán)瞄準(zhǔn)子系統(tǒng)有更高的精確度。

精瞄裝置由精瞄鏡、精瞄控制器和精瞄探測器組成，主要作用在于補(bǔ)償粗瞄裝置的瞄準(zhǔn)誤差及跟蹤過程中衛(wèi)星平臺微振動(dòng)的干擾。精瞄要求視場角為幾百微弧度，瞄準(zhǔn)精度為幾個(gè)微弧度，跟蹤靈敏度大約為幾納瓦。

提前瞄準(zhǔn)裝置由提前瞄準(zhǔn)鏡、提前瞄準(zhǔn)控制器和提前瞄準(zhǔn)探測器。主要用于補(bǔ)償鏈路過程中在光束弛豫時(shí)間內(nèi)所發(fā)生的衛(wèi)星間的附加移動(dòng)。有些系統(tǒng)中提前瞄準(zhǔn)探測器是與精瞄探測器共用，另一些系統(tǒng)中這兩者是分離的。天線方向驅(qū)動(dòng)裝置是光束對準(zhǔn)任務(wù)的最終實(shí)施者，它接受來自開環(huán)瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤等三個(gè)子系統(tǒng)的指令，實(shí)現(xiàn)光束的對準(zhǔn)和跟蹤。

| 國外的研究歷程

早在1980年，林肯實(shí)驗(yàn)室就開始了對空間激光通信的研究，主要針對核心器件和相關(guān)演示系統(tǒng)的研發(fā)和論證工作，其早期進(jìn)行的是相干光系統(tǒng)的探究，其光源采用的是AlGaAs半導(dǎo)體激光發(fā)生器。NASA和林肯實(shí)驗(yàn)室共同開發(fā)了ACCS-NASA通信展示系統(tǒng)，并成功地進(jìn)行了名的Radar-c/s-SAR通信系統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)。

到2013年，美國已多次開展遠(yuǎn)距離激光通信試驗(yàn)，其最長的通信距離達(dá)到3.8*10^5km。2014年6月，NASA利用新型激光通信設(shè)備成功從國際空間站（ISS）向地面?zhèn)魉土艘欢胃咔逡曨l。在這個(gè)過程中，美國NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室為研究激光通信技術(shù)還專門開發(fā)過為實(shí)現(xiàn)亞微弧級的定位精度，而研發(fā)APT算法和相應(yīng)測試平臺。

歐洲航天局（ESA）一直把空間激光通信的研究工作放在重要位置。

20世紀(jì)70年代末，歐洲航天局展開了對ISL的研究。研究初期，ESA設(shè)立了基礎(chǔ)原理研究和高級技術(shù)實(shí)驗(yàn)的戰(zhàn)略目標(biāo)，提出很多新型概念和實(shí)驗(yàn)規(guī)范。

80年代末至90年代初，歐空局實(shí)施了眾多通信實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，其中有效載荷模擬的PSDE計(jì)劃最為著名，在此期間還進(jìn)行了以數(shù)據(jù)中斷為基礎(chǔ)的通信快速恢復(fù)計(jì)劃DRPP。

80年代末，歐空局展開了史上最為著名的SILEX高空激光通信實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，通信系統(tǒng)包括兩個(gè)終端，同步軌道終端搭載在ESA的ARTEMIS星上，近地軌道終端搭載在觀測星SPOT-4上。到2006年，ARTEMIS衛(wèi)星與法國的LOLA（LiaisonOptiqueLaserAeroportee）的高空無人機(jī)在4萬公里的距離下完成激光鏈路通信實(shí)驗(yàn)。

| 建立通信鏈路的四個(gè)階段

墨子號衛(wèi)星和地面站的通信用采用以下方法逐步實(shí)現(xiàn)這一高難度連接。

首先利用掃描實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面站的初步連接。

掃描是指衛(wèi)星發(fā)出信標(biāo)光束，利用精指向裝置的偏轉(zhuǎn)改變信標(biāo)光的方向，使該信標(biāo)光束在衛(wèi)星或地面站可能出現(xiàn)的立體角范圍內(nèi)掃描，直到掃描到衛(wèi)星或地面站。在掃描過程中，首先要確定掃描的立體角范圍，這可以由衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的星歷表確定。其次要根據(jù)衛(wèi)星或地面站的位置確定掃描策略。

其次進(jìn)入捕獲階段。

衛(wèi)星探測到信標(biāo)光后，需要將探測到的信標(biāo)光束與光通信系統(tǒng)的光軸準(zhǔn)確對準(zhǔn)，才能實(shí)施衛(wèi)星間的通信。因此，需要將光學(xué)探測器探測到的信標(biāo)光束會聚到探測器中心，也就是實(shí)施捕獲過程。捕獲和跟蹤過程使用同一個(gè)探測器，最先探測到信標(biāo)光的探測器部分稱為捕獲探測器。捕獲過程分兩步進(jìn)行第一步，捕獲探測器探測到信標(biāo)光束后，利用FPA的偏轉(zhuǎn)使光束會聚到跟蹤探測器上。

第二步，將進(jìn)人到跟蹤探測器的光束繼續(xù)會聚，直至跟蹤探測器中心區(qū)域。

再次是進(jìn)入瞄準(zhǔn)階段。

當(dāng)捕獲成功后，停止螺旋掃描，光學(xué)偏差探測器會探測出光學(xué)天線與對方信標(biāo)光的軸線的偏差，繼而根據(jù)這一偏差計(jì)算得出粗瞄系統(tǒng)和精瞄系統(tǒng)的位置指令，驅(qū)動(dòng)光學(xué)天線和快速反射鏡，使指向偏差趨于零，實(shí)現(xiàn)精確瞄準(zhǔn)，接下來就可進(jìn)行鏈路通信了。

最后是跟蹤階段。

除了地球同步軌道衛(wèi)星之間或地球同步軌道衛(wèi)星與地面站之間的通信鏈路情況外，通信雙方往往存在相對運(yùn)動(dòng)，所以要實(shí)時(shí)控制光學(xué)天線和快速反射鏡的指向。主控系統(tǒng)會根據(jù)雙方的坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)信息實(shí)時(shí)計(jì)算APT系統(tǒng)的位置指令，粗瞄、精瞄系統(tǒng)根據(jù)位置指令進(jìn)行實(shí)時(shí)伺服控制。

| 結(jié)語

其實(shí)，APT技術(shù)除了在激光通信、量子通信中使用，在激光測距，天文觀測等已經(jīng)有過不少應(yīng)用，是比較成熟的技術(shù)，美國和歐洲也都掌握該項(xiàng)技術(shù)——?dú)W洲的SILEX高空激光通信實(shí)驗(yàn)計(jì)劃就涉及APT技術(shù)，本次“墨子號”量子衛(wèi)星與地面站通信試驗(yàn)照片雖然顯得比較科幻，但卻還稱不上是中國獨(dú)有的“黑科技”，用專家的話講，“這其實(shí)是比較成熟的技術(shù)，只是這次量子衛(wèi)星要求跟瞄精度比較高......在保持星地光學(xué)系統(tǒng)對準(zhǔn)后，就可以傳遞量子信號了”。

參考文獻(xiàn)：

1. 《衛(wèi)星激光通信粗瞄控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》，賈丁，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014年6月。

2. 《衛(wèi)星光通信終端跟瞄控制方法研究》，賈琪，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010年7月。

3. 《星間光通信中的APT技術(shù)及其控制系統(tǒng)》，劉錫民、劉立人、郎海濤、潘衛(wèi)清、趙棟，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，2004年11月。

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