（文/铁流）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（Acquisiton)。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（Tracking)。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。

国家天文台兴隆基地实现与“墨子号”天地对接，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系统的APT原理图

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。