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中国墨子号量子卫星天地对接采用了哪些技术一

“墨子号”量子卫星与地面站通信测试照片

(文/铁刘)近日,“墨子号”量子卫星与地面站通信测试照片曝光。 红光和绿光的对接显得特别科幻。 据专家介绍,“这实际上是利用高功率激光器来实现跟踪瞄准——下行光用来校正接收望远镜的角度,上行光用来校正激光的角度。从原理上来说,上下行光谱不同即可,目前选择红光,绿光只是工程上的方便。 那么,自由空间量子通信所采用的跟踪瞄准技术到底是什么,其中又有何玄机呢?

什么是APT

“墨子号”量子卫星和地面站之所以能够实现比较科幻的通信实验,关键技术在于APT技术。 为了实现卫星之间或卫星与地面站之间的可靠通信,首先需要一颗卫星捕获另一颗卫星或地面站发出的光束(称为信标光),并将光束会聚。 对于探测器的中心来说,这个过程称为采集(Acqulisiton)。 捕获完成后,接收器还必须发射光束,要求该光束准确指向发射信标光的卫星。 这个过程称为指向。 发射信标光的卫星接收到这束光束后,也必须完成相应的捕获过程,使两颗卫星或卫星与地面站最终达到通信连接状态。 为了保证两颗卫星或者卫星与地面站始终处于通信状态,必须时刻保持这种精确的连接状态。 此过程称为跟踪端口 (Tracikllg)。 人们将上述捕获、指向和跟踪过程称为APT技术。

因为光通信中的通信光束很窄。 因此,为了保证接收机能够接收到足够强的信号能量,需要保证通信光束与系统光轴之间的误差控制在误差范围内。 APT技术保证了这一高精度要求。 因此,APT技术在星间激光通信中发挥着极其重要的作用。

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国家天文台兴隆基地实现与“墨子”号对接。 图为兴隆观测基地1米望远镜(左)

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)子系统和信号处理与控制子系统。 粗瞄准(粗跟踪)子系统主要完成大视场的捕获、对准和跟踪。 粗瞄准系统本质上是一个两轴光学伺服转台,可以驱动光学天线进行大范围移动,但带宽较小,跟踪定位困难。 准确率较低。 精确瞄准系统用于对目标进行精确瞄准和精确跟踪。 通常由压电陶瓷或音圈电机驱动。 精密瞄准系统带宽大、精度高,但移动范围小。 因此,通常将粗瞄准系统和精瞄准系统组合成复合轴控制系统,从而可以进行大范围、高精度、快速的定位跟踪。 信号处理与控制系统负责根据光电编码器和CCD传感器的反馈信息控制粗、精瞄准(跟踪)子系统。

以技术成熟的SILEX系统为例。 SILEX系统结构如下图所示,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。

SILEX系统APT示意图

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。 根据卫星平台的轨道和姿态参数调整云台转台的瞄准方向,按照一定的方式进行扫描捕捉。 通过调节转盘,使入射光斑进入精密瞄准控制器的视野。 粗瞄准视场数毫弧度,灵敏度10PW左右,瞄准精度数十毫弧度。 由于光束的发散角很小,为了保证较小的采集时间,应尽量减小不确定区域的面积,即希望开环瞄准子系统具有更高的精度。

精瞄准装置由精瞄准镜、精瞄准控制器和精瞄准探测器组成。 其主要作用是补偿粗瞄准装置的瞄准误差和跟踪过程中卫星平台微振动的干扰。 精细瞄准需要数百微弧度的视场、几个微弧度的瞄准精度以及大约几纳瓦的跟踪灵敏度。

预瞄准装置由预瞄准器、预瞄准控制器和预瞄准探测器组成。 它主要用于补偿链路期间波束弛豫时间内发生的卫星之间的额外移动。 在某些系统中,预瞄准探测器与精瞄准探测器共享,而在其他系统中,两者是分开的。 天线方向驱动装置是波束对准任务的最终实现者。 它接受开环瞄准、捕获、跟踪三个子系统的指令,实现波束对准和跟踪。

APT系统如何运作

APT系统原理如下图所示。 终端在调制电路中采用直接调制方式来调制激光。 发射光束经准直望远镜系统准直后平行输出,经精密瞄准器、分光镜和两个全反射镜反射后从发射窗发射。 接收到的光束经滤光片滤除后,通过粗瞄准装置和望远镜系统进入接收光学系统。 入射光被分成光束后分为两部分。 一部分入射到信号光探测器(APD)进行通信; 另一部分入射到CCD测角系统,用于检测瞄准角偏差信号。

星载计算机系统用于控制整个通信终端,包括粗瞄准器系统控制、细瞄准器系统控制、CCD图像检测、光通信系统控制等。 采用CCD测角系统作为捕获和跟踪探测器,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); 万向转台的运动由伺服电机驱动,角度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,安装在万向转盘旋转筒外; 精确瞄准装置采用二维压电精密瞄准镜。 精密反射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参考面。

中国发布“墨子号”量子卫星与地面站通信试验照片

建立通信链路的四个阶段

墨子卫星与地面站的通信采用以下方式逐步实现这一困难的连接。

首先使用扫描来建立卫星和地面站之间的初步连接。 扫描是指卫星发出信标光束,利用精密指向装置的偏转改变信标光的方向,使信标光束在卫星或地面站可能的立体角范围内扫描,直至卫星或地面站被扫描。 在扫描过程中,首先要确定扫描的立体角范围,可以通过卫星导航系统中的星历来确定。 其次,应根据卫星或地面站的位置确定扫描策略。

接下来进入捕捉阶段。 卫星检测到信标光后,需要将检测到的信标光束与光通信系统的光轴精确对准,才能实现星间通信。 因此,需要将光学探测器探测到的信标光束会聚到探测器的中心,即实现捕获过程。 捕获和跟踪过程使用相同的探测器,探测器中首先检测到信标光的部分称为捕获探测器。 获取过程分两步进行。 第一步,在采集探测器探测到信标光束后,利用 FPA 的偏转将光束会聚到跟踪探测器上。 第二步,进入跟踪探测器的光束继续汇聚,直到跟踪探测器的中心区域。

又到了进入瞄准阶段的时候了。 当捕获成功后,停止螺旋扫描,光学偏差检测器将检测光学天线与对方信标灯轴线的偏差,然后计算出粗瞄准系统和精瞄准系统的位置指令。瞄准系统根据这个偏差,驱动光学天线和快速反射镜,使指向偏差为零,实现精确瞄准,然后进行链路通信。

最后一步是跟踪阶段。 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外,通信双方之间经常存在相对运动,因此必须实时控制光学天线和快镜的指向。 主控系统会根据双方的坐标和运动信息实时计算APT系统的位置指令,粗瞄准和精瞄准系统根据位置指令进行实时伺服控制。

中国发布“墨子号”量子卫星与地面站通信试验照片

结论

事实上,APT技术除了应用于激光通信、量子通信之外,还应用于激光测距、天文观测等多种应用。 激光通信实验计划涉及APT技术,NASA喷气推进实验室也开发了APT算法和相应的测试平台,用于研究激光通信技术实现亚微弧级定位精度。 虽然“墨子号”量子卫星与地面站通信测试的照片看起来颇为科幻,但这并不是中国独有的“黑科技”。 用专家的话说,“这其实是一项比较成熟的技术,只不过这次的量子卫星要求瞄准精度比较高……保持卫星与地面光学系统对准后,就可以传输量子信号了。”

参考:

《卫星激光通信粗瞄准控制系统的优化设计与实现》,丁嘉,哈尔滨工业大学,2014年6月

《卫星光通信终端跟踪瞄准控制方法研究》,贾琪,哈尔滨工业大学,2010年7月

《星间光通信中的APT技术及其控制系统》,刘锡民、刘立仁、郎海​​涛、潘伟清、赵东,中国科学院上海光机所,2004年11月