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中国量子卫星天地对接 一技术实现科幻通信


作者:    时间:2016/9/4 20:01:57  来源:   

     日前,“墨子号”量子卫星与地面站通信试验照片公布,红光与绿光的对接显得格外科幻。据专家透露,“这其实是使用高功率激光来实现跟踪瞄准——下行光用来校正接收望远镜的角度,上行光用来校正激光器的角度。上下行光谱原则上有差异即可,目前选择红光和绿光只是工程实现方便”。那么,在自由空间量子通信中使用的跟瞄技术到底是怎么一回事,其中又有哪些奥秘呢?

  什么是APT

  “墨子号”量子卫星与地面站之所以能够实现比较科幻的通信试验,其关键技术就在于APT技术。为了能在卫星与卫星之间或卫星与地面站之间实现可靠通信,首先要求一颗卫星能捕捉到另一颗卫星或地面站发来的光束,称之为信标光,并将该光束会聚到探测器中心,这个过程称作捕获体(Acqulisiton)。捕获完成后,接收方也要发出一光束,要求该光束能准确地指向发出信标光的卫星,这个过程称作指向(Pointing)。发出信标光的卫星接收到此光束后,也要相应地完成捕获过程,才能使两颗卫星或卫星和地面站最终达到通信连接状态。为保证这两颗卫星或卫星与地面站一直处于通信状态,必须一直保持这种精确的连接状态,这过程称作跟踪口(Tracikllg)。人们称以上的捕获、指向及跟踪过程为APT技术。

  由于光通信中的通信光束非常窄。因此,为了确保接收方能够接收到足够强的信号能量,必须要保证通信光束与系统光轴的误差控制到误差范围以内,APT技术正是确保了这一高精度要求。因此,APT技术在星间激光通信中扮演着极为重要的角色。

  APT系统的结构

  APT系统可分为粗瞄准(粗跟踪)子系统、精瞄准(精跟踪)子系统和信号处理及控制子系统。粗瞄准(粗跟踪)子系统主要完成捕获、对准和大视场的跟踪,粗瞄系统实质为一个两轴光学伺服转台,可带动光学天线进行大范围的运动,但是带宽较小,跟踪定位精度较低。精瞄系统用于对目标进行精瞄准和精跟踪,通常是由压电陶瓷或音圈电机驱动,精瞄系统带宽大,精度高,但是运动范围较小。所以通常将粗瞄系统和精瞄系统组成复合轴控制系统,从而可以进行大范围、高精度、快速地定位和跟踪。信号处理及控制系统负责根据光电编码器和CCD传感器反馈的信息对粗、精瞄准(跟踪)子系统进行控制。

  以技术比较成熟的SILEX系统为例。SILEX系统的结构由粗瞄准装置、精瞄准装置、提前瞄准装置和天线方向驱动装置组成。

  粗瞄准装置由万向转台、粗瞄准控制器和粗瞄准探测器组成,用于捕获和跟踪环节。根据卫星平台的轨道和姿态参数调整万向转台的瞄准方向,并且以一定的方式进行扫瞄捕获,通过调整转台使入射光斑进入精瞄准控制器视场范围。粗瞄准视场角为几个毫弧度,灵敏度约为10PW,瞄准准精度为几十毫弧度。由于光束的发散角很小,为保证较小的捕获时间,应尽量减小不确定区域的面积,即希望开环瞄准子系统有更高的精确度。

  精瞄装置由精瞄镜、精瞄控制器和精瞄探测器组成,主要作用在于补偿粗瞄装置的瞄准误差及跟踪过程中卫星平台微振动的干扰。精瞄要求视场角为几百微弧度,瞄准精度为几个微弧度,跟踪灵敏度大约为几纳瓦。

  提前瞄准装置由提前瞄准镜、提前瞄准控制器和提前瞄准探测器。主要用于补偿链路过程中在光束弛豫时间内所发生的卫星间的附加移动。有些系统中提前瞄准探测器是与精瞄探测器共用,另一些系统中这两者是分离的。天线方向驱动装置是光束对准任务的最终实施者,它接受来自开环瞄准、捕获、跟踪等三个子系统的指令,实现光束的对准和跟踪。

  APT系统的工作原理

  APT系统的原理如下图所示。该终端在调制电路部分应用直接调制方式对激光器进行调制。发射光束经准直望远镜系统将其进行准直,使之平行输出并经精瞄镜、分束片和两个全反射镜反射后由发射窗口发射。接收光束由滤波器滤去杂光后经粗瞄装置和望远镜系统进入接收光学系统。入射光经分光束后分成两部分,一部分入射到信号光检测器(APD),用于进行通信;另一部分入射到CCD测角系统,用于瞄准角度偏差信号的检测。

  星上计算机系统用于对整个通信终端进行控制,包括粗瞄准装置系统控制、精瞄准装置系统控制、CCD图像检测、光学通信系统控制。采用CCD测角系统作为捕获、跟踪探测器测量接收端和发射端之间的角度误差。信号光探测器采用雪崩光电二极管(APD);万向转台的运动采用伺服电机驱动,测角传感器采用绝对式光电编码器。伺服电机和编码器均为中空式,安装在万向转台的转桶外;精瞄准装置使用的是二维压电精瞄镜。精瞄镜和光学系统安装在卫星平台内部,望远镜平面与卫星平台表面平行,作为安装基准平面。

  建立通信链路的四个阶段

  墨子号卫星和地面站的通信用采用以下方法逐步实现这一高难度连接。

  首先利用扫描实现卫星与地面站的初步连接。扫描是指卫星发出信标光束,利用精指向装置的偏转改变信标光的方向,使该信标光束在卫星或地面站可能出现的立体角范围内扫描,直到扫描到卫星或地面站。在扫描过程中,首先要确定扫描的立体角范围,这可以由卫星导航系统中的星历表确定。其次要根据卫星或地面站的位置确定扫描策略。

  其次进入捕获阶段。卫星探测到信标光后,需要将探测到的信标光束与光通信系统的光轴准确对准,才能实施卫星间的通信。因此,需要将光学探测器探测到的信标光束会聚到探测器中心,也就是实施捕获过程。捕获和跟踪过程使用同一个探测器,最先探测到信标光的探测器部分称为捕获探测器。捕获过程分两步进行第一步,捕获探测器探测到信标光束后,利用FPA的偏转使光束会聚到跟踪探测器上。第二步,将进人到跟踪探测器的光束继续会聚,直至跟踪探测器中心区域。

  再次是进入瞄准阶段。当捕获成功后,停止螺旋扫描,光学偏差探测器会探测出光学天线与对方信标光的轴线的偏差,继而根据这一偏差计算得出粗瞄系统和精瞄系统的位置指令,驱动光学天线和快速反射镜,使指向偏差趋于零,实现精确瞄准,接下来就可进行链路通信了。

  最后是跟踪阶段。除了地球同步轨道卫星之间或地球同步轨道卫星与地面站之间的通信链路情况外,通信双方往往存在相对运动,所以要实时控制光学天线和快速反射镜的指向。主控系统会根据双方的坐标、运动信息实时计算APT系统的位置指令,粗瞄、精瞄系统根据位置指令进行实时伺服控制。

  结语

  其实,APT技术除了在激光通信、量子通信中使用,在激光测距,天文观测等已经有过不少应用,是比较成熟的技术,美国和欧洲也都掌握该项技术——欧洲的SILEX高空激光通信实验计划就涉及APT技术,而美国NASA的喷气推进实验室为研究激光通信技术还专门开发过为实现亚微弧级的定位精度,而研发APT算法和相应测试平台。本次“墨子号”量子卫星与地面站通信试验照片虽然显得比较科幻,但却还称不上是中国独有的“黑科技”,用专家的话讲,“这其实是比较成熟的技术,只是这次量子卫星要求跟瞄精度比较高……在保持星地光学系统对准后,就可以传递量子信号了”。

关键词:量子卫星
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