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“墨子号”天地对接 用了哪些技术
关键字: 墨子号量子通信量子卫星天文台望远镜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”。
参考文献:
《卫星激光通信粗瞄控制系统优化设计与实现》,贾丁,哈尔滨工业大学,2014年6月
《卫星光通信终端跟瞄控制方法研究》,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、刘立人、郎海涛、潘卫清、赵栋,中国科学院上海光学精密机械研究所,2004年11月
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