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| 本文作者： 鐵流 | 2016-09-03 09:54 |
日前，“墨子號”量子衛(wèi)星與地面站通信試驗照片公布，紅光與綠光的對接顯得格外科幻。
據(jù)專家透露，“這其實是使用高功率激光來實現(xiàn)跟蹤瞄準——下行光用來校正接收望遠鏡的角度，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？
“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，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，稱之為信標光，并將該光束會聚到探測器中心，這個過程稱作捕獲體（Acquisiton)。
捕獲完成后，接收方也要發(fā)出一光束，要求該光束能準確地指向發(fā)出信標光的衛(wèi)星，這個過程稱作指向（Pointing)。
發(fā)出信標光的衛(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（粗跟蹤）子系統(tǒng)、精瞄準（精跟蹤）子系統(tǒng)和信號處理及控制子系統(tǒng)。粗瞄準（粗跟蹤）子系統(tǒng)主要完成捕獲、對準和大視場的跟蹤，粗瞄系統(tǒng)實質(zhì)為一個兩軸光學(xué)伺服轉(zhuǎn)臺，可帶動光學(xué)天線進行大范圍的運動，但是帶寬較小，跟蹤定位精度較低。精瞄系統(tǒng)用于對目標進行精瞄準和精跟蹤，通常是由壓電陶瓷或音圈電機驅(qū)動，精瞄系統(tǒng)帶寬大，精度高，但是運動范圍較小。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（跟蹤）子系統(tǒng)進行控制。
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，由粗瞄準裝置、精瞄準裝置、提前瞄準裝置和天線方向驅(qū)動裝置組成。
（SILEX系統(tǒng)的APT原理圖）
粗瞄準裝置由萬向轉(zhuǎn)臺、粗瞄準控制器和粗瞄準探測器組成，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)臺的瞄準方向，并且以一定的方式進行掃瞄捕獲，通過調(diào)整轉(zhuǎn)臺使入射光斑進入精瞄準控制器視場范圍。粗瞄準視場角為幾個毫弧度，靈敏度約為10PW，瞄準準精度為幾十毫弧度。由于光束的發(fā)散角很小，為保證較小的捕獲時間，應(yīng)盡量減小不確定區(qū)域的面積，即希望開環(huán)瞄準子系統(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，主要作用在于補償粗瞄裝置的瞄準誤差及跟蹤過程中衛(wèi)星平臺微振動的干擾。精瞄要求視場角為幾百微弧度，瞄準精度為幾個微弧度，跟蹤靈敏度大約為幾納瓦。
提前瞄準裝置由提前瞄準鏡、提前瞄準控制器和提前瞄準探測器。主要用于補償鏈路過程中在光束弛豫時間內(nèi)所發(fā)生的衛(wèi)星間的附加移動。有些系統(tǒng)中提前瞄準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)動裝置是光束對準任務(wù)的最終實施者，它接受來自開環(huán)瞄準、捕獲、跟蹤等三個子系統(tǒng)的指令，實現(xiàn)光束的對準和跟蹤。
早在1980年，林肯實驗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和林肯實驗室共同開發(fā)了ACCS-NASA通信展示系統(tǒng)，并成功地進行了名的Radar-c/s-SAR通信系統(tǒng)演示實驗。
到2013年，美國已多次開展遠距離激光通信試驗，其最長的通信距離達到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。在這個過程中，美國NASA的噴氣推進實驗室為研究激光通信技術(shù)還專門開發(fā)過為實現(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)實驗的戰(zhàn)略目標，提出很多新型概念和實驗規(guī)范。
80年代末至90年代初，歐空局實施了眾多通信實驗計劃，其中有效載荷模擬的PSDE計劃最為著名，在此期間還進行了以數(shù)據(jù)中斷為基礎(chǔ)的通信快速恢復(fù)計劃DRPP。
80年代末，歐空局展開了史上最為著名的SILEX高空激光通信實驗計劃，通信系統(tǒng)包括兩個終端，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）的高空無人機在4萬公里的距離下完成激光鏈路通信實驗。
墨子號衛(wèi)星和地面站的通信用采用以下方法逐步實現(xiàn)這一高難度連接。
首先利用掃描實現(xiàn)衛(wèi)星與地面站的初步連接。
掃描是指衛(wèi)星發(fā)出信標光束，利用精指向裝置的偏轉(zhuǎn)改變信標光的方向，使該信標光束在衛(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。
其次進入捕獲階段。
衛(wèi)星探測到信標光后，需要將探測到的信標光束與光通信系統(tǒng)的光軸準確對準，才能實施衛(wèi)星間的通信。因此，需要將光學(xué)探測器探測到的信標光束會聚到探測器中心，也就是實施捕獲過程。捕獲和跟蹤過程使用同一個探測器，最先探測到信標光的探測器部分稱為捕獲探測器。捕獲過程分兩步進行第一步，捕獲探測器探測到信標光束后，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。
再次是進入瞄準階段。
當捕獲成功后，停止螺旋掃描，光學(xué)偏差探測器會探測出光學(xué)天線與對方信標光的軸線的偏差，繼而根據(jù)這一偏差計算得出粗瞄系統(tǒng)和精瞄系統(tǒng)的位置指令，驅(qū)動光學(xué)天線和快速反射鏡，使指向偏差趨于零，實現(xiàn)精確瞄準，接下來就可進行鏈路通信了。
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動，所以要實時控制光學(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、運動信息實時計算APT系統(tǒng)的位置指令，粗瞄、精瞄系統(tǒng)根據(jù)位置指令進行實時伺服控制。
其實，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技術(shù)——歐洲的SILEX高空激光通信實驗計劃就涉及APT技術(shù)，本次“墨子號”量子衛(wèi)星與地面站通信試驗照片雖然顯得比較科幻，但卻還稱不上是中國獨有的“黑科技”，用專家的話講，“這其實是比較成熟的技術(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)對準后，就可以傳遞量子信號了”。
參考文獻：
《衛(wèi)星激光通信粗瞄控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)》，賈丁，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014年6月。
《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。
《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)精密機械研究所，2004年11月。
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