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2020年3月25日 - 外军资讯
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  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?

纵观2011年,卫星技术的发展仍然显示出迅猛的势头,以美国为代表的国家,不断推陈出新。要点如下:

美国趣味科学网站12月11日报道称,据美国海军研究实验所说,宇航员们上个月从国际空间站上发射了一颗微型人造卫星,这颗卫星将被作为未来的“空间监视网络”的试验台。

  什么是APT

一、侦察与监视卫星
2011年,侦察与监视卫星仍是主要航天大国重点发展的领域。美国补充和更新了现役的“锁眼”光学侦察卫星和海洋监视卫星,快速空间响应卫星开始从试验转向应用;法国也开始更新其军民两用对地观测卫星;日本相继发射了新型光学和雷达侦察卫星。此外,俄罗斯仍采用“琥珀”系列胶片返回式侦察卫星补充其侦察能力。
美国更新和升级侦察监视卫星系统
1.NROL-49/-34任务补充、更新侦察卫星系统。2011年1月美国国家侦察办公室光学侦察卫星。4月发射NROL-34。任务包括一组2颗天基广域监视系统卫星。
2.首颗“快速空间响应”卫星进入早期运行阶段。2011年6月,首颗“快速空间响应”卫星入轨。ORS-1卫星是美国国防部ORS办公室的首颗战术应用卫星,由第一空间运行中队和美国战略司令部直接控制,主要用于为美国中央司令部提供战术情报支持,可使战场指挥官在十几分钟内获得所需的侦察图像,达到空间系统的“快速响应”能力。
3.首颗天基监视卫星具备初始运行能力。2011年3月,美国首颗天基空间监视系统卫星在完成5个月的在轨测试后,其控制权已转移到位于施里弗空军基地的第一空间运行中队,具备了初始运行能力。Block
10卫星运行在高度为650千米的近地轨道,可精确跟踪空间驻留目标以及大于10厘米的空间碎片。
俄罗斯沿用“琥珀/钴”-M卫星补充侦察能力
2011年6月,俄罗斯新一颗“琥珀/钴”-M从普列谢茨克航天发射场发射入轨。这颗卫星即“宇宙”-2472,运行在高度为214千米×320千米、倾角81°的低地近圆轨道。“琥珀/钴”-M卫星是俄罗斯从2004年开始应用的胶片返回式光学成像侦察卫星。
欧洲侧重发展军民两用对地观测能力
1.法国“昴宿星”卫星增强军民两用对地观测能力。2011年12月,法国首颗“昴宿星”卫星由“联盟”号运载火箭顺利发射升空,并进入高度为690千米的太阳同步轨道。卫星质量约为980千克,设计寿命为5年。这颗卫星是两颗下一代光学成像卫星中的一颗,旨在向军民用户提供服务,同时为商业用户预留了容量。
2.法国“电子情报卫星”试验雷达信号探测。365bet手机备用网址,2011年12月,法国4颗“电子情报卫星”作为“联盟”号运载火箭的次级载荷随“昴宿星”共同发射。该项目主要试验对地空雷达信号的探测,旨在验证法国未来业务化运行的“信号情报”电子侦察卫星技术。
3.西班牙计划建立军民两用的国家地球观测卫星系统。2011年6月,西班牙公布了其“国家地球观测卫星计划”。根据该项计划,西班牙将在2012年和2013年相继发射2颗地球观测卫星,分别是“西班牙合成孔径雷达观测卫星”和“西班牙地球观测系统卫星”。这将使西班牙成为欧洲首个拥有军民两用雷达与光学对地观测系统的国家。
卫星的成像侦察能力
2011年9月和12月,日本相继补充了2颗“情报搜集系统”侦察卫星,分别是“光学四号”卫星和“雷达三号”卫星。其中,“光学四号”卫星采用了第四代光学系统,其分辨率和上一代相同;“雷达三号”卫星采用了第三代合成孔径雷达,其成功发射将弥补IGS的全天候、全天时成像侦察能力。目前,在轨运行的IGS共有5颗卫星,包括4颗光学卫星和1颗雷达卫星。
二、预警卫星
2011年,美国预警卫星取得重要进展:新一代预警卫星系统卫星升空并开始测试;空间跟踪与监视系统演示卫星提前完成了任务。此外还有空军“商业搭载成功发射等。
1.天基红外系统的首颗地球静止轨道预警卫星成功发射并启动在轨测试。2011年5月,卫星搭乘“宇宙神”-5运载火箭从卡纳维拉尔角空军基地成功发射。6月21日,该卫星向地面顺利传回了首张红外图像。SBIRS首颗GEO卫星发射质量约4500千克,设计寿命为12年。
2.空间跟踪与监视系统演示卫星提前完成试验任务。至2011年4月,空间跟踪与监视系统演示卫星提前5个月完成了美国导弹防御局规定的所有22项“试验关注领域”任务。除完成“试验关注领域”任务外,STSS演示卫星在2011年7月和10月相继进行了2次跟踪试验,分别探测和跟踪了采用单级固体燃料的短程空射目标以及末段高空区域防御系统拦截试验的2个不同的导弹目标。
三、通信卫星
2011年,通信卫星领域的发展主要表现在美国部署了首颗新一代受保护通信卫星,并试验了具备快速响应能力的战术通信系统;俄罗斯进一步应用新型军用通信卫星。
美国部署新一代军用通信卫星,试验快速响应战术通信系统
2011年10月,先进极高频系统的首颗卫星进入运行位置,进行在轨测试。11月,AEHF-1卫星已经激活了其通信载荷。AEHF系统是美国新一代受保护军用通信卫星系统,第一颗卫星于2010年8月发射,但在轨道转移过程中,燃料管道堵塞导致远地点发动机无法正常启动。
2011年9月,“战术星”-4通信试验卫星成功发射,并进入低大椭圆轨道。“战术星”-4卫星是美国海军研究办公室联合的微小卫星验证项目。
2011年3月,美国国家侦察办公室的NROL-27数据中继卫星成功发射,使第三代卫星数据系统获得更新。
俄罗斯两颗通信卫星升空,保证军事通信能力
2011年5月~12月,俄罗斯共发射了3颗军用通信卫星,包括2颗“子午线”卫星和1颗新型的“鱼叉”中继卫星。其中一颗“子午线”卫星由于“联盟”号运载火箭故障而未能进入预定轨道。
首颗“鱼叉”军用中继卫星于2011年9月发射,将用于取代原先的“急流”数据中继系统的“喷泉”卫星,以保障侦察卫星数据的实时传输。
三、导航卫星
2011年,美国、俄罗斯和欧洲的卫星导航系统均取得了重要进展,特别是俄罗斯“格洛纳斯”(GLONASS)系统恢复了全运行能力。此外,日本和印度也在加紧构建独立的区域卫星导航系统和gps增强系统。
的现代化改进工作
2011年6月,美国第50空间联队第2空间运行中队完成了两个阶段的GPS星座构型调整计划,实现了“可扩展24颗卫星”构型。2011年7月,第二颗GPS-2F卫星顺利发射,并开始提供定位服务。目前,GPS星座共有31颗GPS卫星。
俄罗斯“格洛纳斯”系统恢复完全作业能力
2011年底,俄罗斯“格洛纳斯”导航系统恢复完全作业能力,已经有24颗“格洛纳斯”卫星同时在轨运行。至此,“格洛纳斯”系统开始提供全球覆盖。目前地球上空共有31颗“格洛纳斯”导航卫星,该系统实现全球覆盖需24颗星,覆盖俄罗斯全境需要18颗卫星。
欧洲推动卫星导航系统的发展
1.伽利略系统转入初始运行能力部署阶段。2011年10月,欧洲伽利略系统的首批2颗在轨验证卫星成功发射,从而开启了伽利略系统初始运行能力部署的新阶段。11月,这两颗卫星已开始进行在轨试验,卫星的运行控制也由法国CNES转移到位于德国奥伯法芬霍芬的伽利略控制中心。
2.欧洲基于GPS的区域导航系统开始全面运行。2011年3月,欧洲地球静止轨道导航中继服务系统信号,进入全面运行状态。
日本计划在2020年前部署“准天顶”卫星系统
2011年9月,日本政府表示将致力于在2020年前部署“准天顶”区域卫星导航系统。政府正在筹划的“准天顶”区域卫星系统计划由4颗~7颗卫星组成,包括“准天顶”卫星和地球静止轨道卫星,但卫星数量和布局等具体方案仍未明确。
印度开始部署GPS辅助地球静止轨道增强导航系统
2011年5月,印度GPS辅助地球静止轨道增强导航系统的首个载荷搭载于GSAT-8通信卫星成功发射,并部署在东经55.11°的地球静止轨道。GAGAN系统是基于GPS的增强系统,其有效载荷可转发L1信号和L5信号,可提高民用航空导航的精度和可靠性
四、环境探测卫星
2011年在环境探测卫星方面,美国、俄罗斯、欧洲和印度都取得了一定程度的进展,具体包括:
美国注重发展遥感卫星,开展近地轨道空间环境探测
1.发射NPOESS预备项目卫星。2011年10月,美国国家极轨运行环境卫星系统预备项目卫星成功发射,并最终进入了高度为824千米的太阳同步轨道。NPP卫星是美国新一代气象与气候监测卫星,搭载了5个科学仪器。
2.“快速探路者原型样机”探测空间环境。2011年2月,美国NRO办公室的NROL-66任务搭载于“米诺陶”-1型运载火箭成功发射,进入高度为1200千米的极地轨道。这次任务也是该办公室首次采用小型运载火箭执行发射任务。
俄罗斯未能将首颗新型测绘卫星送入预定轨道
2011年2月,俄罗斯GEO-IK-2新型测绘卫星由于运载火箭故障未能进入预定轨道。GEO-IK-2卫星是前苏联/俄罗斯第三代军民两用测绘卫星系统的卫星,原计划将在高度为1000千米、倾角为99.4°的近地轨道部署2颗卫星,从而利用无线电和激光高度计绘制地球表面的三维图像,以及进行目标定位。
印度发射“资源星”-2卫星
2011年4月,印度“资源星”-2卫星搭载于极轨卫星运载火箭成功发射,并进入高度为825千米×813千米的太阳同步轨道。“资源星”-2卫星是“资源星”-1卫星的后续任务,主要用于农业收割识别与监测、精确农业、水资源、森林测绘以及灾害管理等。该卫星由印度空间研究组织研制,卫星质量为1200千克,设计寿命为5年。

这种被称为“特种用途廉价卫星”的球形设备直径56厘米。在国际空间站第42批次远征机组人员的监督下,这颗卫星从日本的“希望”号实验舱利用一个机械手臂发射出去。

  “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。

365bet手机备用网址:中华墨翟号量子卫星天地对接 都用到了什么能力。编辑:国防科技网 责任编辑:张海

美国航天局说,SpinSat的一个主要任务目标将是测试新的电力控制微型喷气发动机在稳定这颗卫星的位置上表现如何。

  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。

然而,SpinSat的主要任务是充当空间监视的校准目标。军方的兴趣在于测试它是否能够跟踪航天器的轨道和转动并描述它们的特征。

365bet手机备用网址 2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)

这一项目的主要调查研究员安迪·尼古拉斯说:“我们能不能进行机动侦察、能不能进行变化侦察、我们能发现多小的旋转、我们能看到多小的轨道变化?”

  APT系统的结构

如果新发动机按计划运转,国际激光测距组织随后将利用世界各地的地面站观测SpinSat的运动。该组织对卫星的跟踪可以达到非常精确的地步——精确到大约1厘米,但军方希望能做得更好。

365bet手机备用网址:中华墨翟号量子卫星天地对接 都用到了什么能力。  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。

SpinSat上安装了几个回射器——3面镜子的立方体。当光照射到任何一个表面的时候,它都按原方向反射回去。因此,地面站可以对着移动的卫星发射激光,并根据反射回来的光线对其位置进行三角测量。

  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。

尼古拉斯说:“他们知道这种激光的移动速度和光一样。他们知道把激光指向哪里,从而获得非常准确的轨道位置,可以精确到毫米。”

365bet手机备用网址 3SILEX系统的APT原理图

随着激光从一个反射镜到另一个反射镜,研究人员还可以计算出这种卫星的自旋速率。因为每个反射镜之间都有空间,所以当SpinSat经过头顶时,科学家可以根据反射镜和地面站之间的距离如何变化来计算出卫星的自传速率。

  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。

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  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

365bet手机备用网址:中华墨翟号量子卫星天地对接 都用到了什么能力。  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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