「墨子號」天地對接用了哪些技術

科技 08-30

（文/鐵流）日前，「墨子號」量子衛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。據專家透露，「這其實是使用高功率激光來實現跟蹤瞄準——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方便」。那麼，在自由空間量子通信中使用的跟瞄技術到底是怎麼一回事，其中又有哪些奧秘呢？

「墨子號」天地對接用了哪些技術

什麼是APT

「墨子號」量子衛星與地面站之所以能夠實現比較科幻的通信試驗，其關鍵技術就在於APT技術。為了能在衛星與衛星之間或衛星與地面站之間實現可靠通信，首先要求一顆衛星能捕捉到另一顆衛星或地面站發來的光束，稱之為信標光，並將該光束會聚到探測器中心，這個過程稱作捕獲體（Acqulisiton)。捕獲完成後，接收方也要發出一光束，要求該光束能準確地指向發出信標光的衛星，這個過程稱作指向（Pointing)。發出信標光的衛星接收到此光束後，也要相應地完成捕獲過程，才能使兩顆衛星或衛星和地面站最終達到通信連接狀態。為保證這兩顆衛星或衛星與地面站一直處於通信狀態，必須一直保持這種精確的連接狀態，這過程稱作跟蹤口（Tracikllg)。人們稱以上的捕獲、指向及跟蹤過程為APT技術。

由於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光軸的誤差控制到誤差範圍以內，APT技術正是確保了這一高精度要求。因此，APT技術在星間激光通信中扮演著極為重要的角色。

「墨子號」天地對接用了哪些技術

國家天文台興隆基地實現與「墨子號」天地對接，圖為興隆觀測基地1米望遠鏡（左）

APT系統的結構

APT系統可分為粗瞄準（粗跟蹤）子系統、精瞄準（精跟蹤）子系統和信號處理及控制子系統。粗瞄準（粗跟蹤）子系統主要完成捕獲、對準和大視場的跟蹤，粗瞄系統實質為一個兩軸光學伺服轉檯，可帶動光學天線進行大範圍的運動，但是帶寬較小，跟蹤定位精度較低。精瞄系統用於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動，精瞄系統帶寬大，精度高，但是運動範圍較小。所以通常將粗瞄系統和精瞄系統組成複合軸控制系統，從而可以進行大範圍、高精度、快速地定位和跟蹤。信號處理及控制系統負責根據光電編碼器和CCD感測器反饋的信息對粗、精瞄準（跟蹤）子系統進行控制。

以技術比較成熟的SILEX系統為例。SILEX系統的結構如下圖所示，由粗瞄準裝置、精瞄準裝置、提前瞄準裝置和天線方向驅動裝置組成。

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SILEX系統的APT原理圖

粗瞄準裝置由萬向轉檯、粗瞄準控制器和粗瞄準探測器組成，用於捕獲和跟蹤環節。根據衛星平台的軌道和姿態參數調整萬向轉檯的瞄準方向，並且以一定的方式進行掃瞄捕獲，通過調整轉檯使入射光斑進入精瞄準控制器視場範圍。粗瞄準視場角為幾個毫弧度，靈敏度約為10PW，瞄準准精度為幾十毫弧度。由於光束的發散角很小，為保證較小的捕獲時間，應盡量減小不確定區域的面積，即希望開環瞄準子系統有更高的精確度。

精瞄裝置由精瞄鏡、精瞄控制器和精瞄探測器組成，主要作用在於補償粗瞄裝置的瞄準誤差及跟蹤過程中衛星平台微振動的干擾。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。主要用於補償鏈路過程中在光束弛豫時間內所發生的衛星間的附加移動。有些系統中提前瞄準探測器是與精瞄探測器共用，另一些系統中這兩者是分離的。天線方向驅動裝置是光束對準任務的最終實施者，它接受來自開環瞄準、捕獲、跟蹤等三個子系統的指令，實現光束的對準和跟蹤。

APT系統的工作原理

APT系統的原理如下圖所示。該終端在調製電路部分應用直接調製方式對激光器進行調製。發射光束經準直望遠鏡系統將其進行準直，使之平行輸出並經精瞄鏡、分束片和兩個全反射鏡反射後由發射窗口發射。接收光束由濾波器濾去雜光後經粗瞄裝置和望遠鏡系統進入接收光學系統。入射光經分光束後分成兩部分，一部分入射到信號光檢測器(APD)，用於進行通信；另一部分入射到CCD測角系統，用於瞄準角度偏差信號的檢測。

「墨子號」天地對接用了哪些技術

星上計算機系統用於對整個通信終端進行控制，包括粗瞄準裝置系統控制、精瞄準裝置系統控制、CCD圖像檢測、光學通信系統控制。採用CCD測角系統作為捕獲、跟蹤探測器測量接收端和發射端之間的角度誤差。信號光探測器採用雪崩光電二極體(APD)；萬向轉檯的運動採用伺服電機驅動，測角感測器採用絕對式光電編碼器。伺服電機和編碼器均為中空式，安裝在萬向轉檯的轉桶外；精瞄準裝置使用的是二維壓電精瞄鏡。精瞄鏡和光學系統安裝在衛星平台內部，望遠鏡平面與衛星平台表面平行，作為安裝基準平面。

建立通信鏈路的四個階段

墨子號衛星和地面站的通信用採用以下方法逐步實現這一高難度連接。

首先利用掃描實現衛星與地面站的初步連接。掃描是指衛星發出信標光束，利用精指向裝置的偏轉改變信標光的方向，使該信標光束在衛星或地面站可能出現的立體角範圍內掃描，直到掃描到衛星或地面站。在掃描過程中，首先要確定掃描的立體角範圍，這可以由衛星導航系統中的星曆表確定。其次要根據衛星或地面站的位置確定掃描策略。

其次進入捕獲階段。衛星探測到信標光後，需要將探測到的信標光束與光通信系統的光軸準確對準，才能實施衛星間的通信。因此，需要將光學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後，利用FPA的偏轉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會聚，直至跟蹤探測器中心區域。

再次是進入瞄準階段。當捕獲成功後，停止螺旋掃描，光學偏差探測器會探測出光學天線與對方信標光的軸線的偏差，繼而根據這一偏差計算得出粗瞄系統和精瞄系統的位置指令，驅動光學天線和快速反射鏡，使指向偏差趨於零，實現精確瞄準，接下來就可進行鏈路通信了。

最後是跟蹤階段。除了地球同步軌道衛星之間或地球同步軌道衛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天線和快速反射鏡的指向。主控系統會根據雙方的坐標、運動信息實時計算APT系統的位置指令，粗瞄、精瞄系統根據位置指令進行實時伺服控制。

結語

其實，APT技術除了在激光通信、量子通信中使用，在激光測距，天文觀測等已經有過不少應用，是比較成熟的技術，美國和歐洲也都掌握該項技術——歐洲的SILEX高空激光通信實驗計劃就涉及APT技術，而美國NASA的噴氣推進實驗室為研究激光通信技術還專門開發過為實現亞微弧級的定位精度，而研發APT演算法和相應測試平台。本次「墨子號」量子衛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，只是這次量子衛星要求跟瞄精度比較高……在保持星地光學系統對準後，就可以傳遞量子信號了」。

參考文獻：

《衛星激光通信粗瞄控制系統優化設計與實現》，賈丁，哈爾濱工業大學，2014年6月

《衛星光通信終端跟瞄控制方法研究》，賈琪，哈爾濱工業大學，2010年7月

《星間光通信中的APT技術及其控制系統》，劉錫民、劉立人、郎海濤、潘衛清、趙棟，中國科學院上海光學精密機械研究所，2004年11月

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