什么是APT

　　“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星與地面站之所以能夠?qū)崿F(xiàn)比較科幻的通信試驗(yàn)，其關(guān)鍵技術(shù)就在于APT技術(shù)。為了能在衛(wèi)星與衛(wèi)星之間或衛(wèi)星與地面站之間實(shí)現(xiàn)可靠通信，首先要求一顆衛(wèi)星能捕捉到另一顆衛(wèi)星或地面站發(fā)來(lái)的光束，稱(chēng)之為信標(biāo)光，并將該光束會(huì)聚到探測(cè)器中心，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)作捕獲體（Acqulisiton)。捕獲完成后，接收方也要發(fā)出一光束，要求該光束能準(zhǔn)確地指向發(fā)出信標(biāo)光的衛(wèi)星，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)作指向（Pointing)。發(fā)出信標(biāo)光的衛(wèi)星接收到此光束后，也要相應(yīng)地完成捕獲過(guò)程，才能使兩顆衛(wèi)星或衛(wèi)星和地面站最終達(dá)到通信連接狀態(tài)。為保證這兩顆衛(wèi)星或衛(wèi)星與地面站一直處于通信狀態(tài)，必須一直保持這種精確的連接狀態(tài)，這過(guò)程稱(chēng)作跟蹤口（Tracikllg)。人們稱(chēng)以上的捕獲、指向及跟蹤過(guò)程為APT技術(shù)。

　　由于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(qiáng)的信號(hào)能量，必須要保證通信光束與系統(tǒng)光軸的誤差控制到誤差范圍以?xún)?nèi)，APT技術(shù)正是確保了這一高精度要求。因此，APT技術(shù)在星間激光通信中扮演著極為重要的角色。
 

　　APT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　APT系統(tǒng)可分為粗瞄準(zhǔn)（粗跟蹤）子系統(tǒng)、精瞄準(zhǔn)（精跟蹤）子系統(tǒng)和信號(hào)處理及控制子系統(tǒng)。粗瞄準(zhǔn)（粗跟蹤）子系統(tǒng)主要完成捕獲、對(duì)準(zhǔn)和大視場(chǎng)的跟蹤，粗瞄系統(tǒng)實(shí)質(zhì)為一個(gè)兩軸光學(xué)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，可帶動(dòng)光學(xué)天線進(jìn)行大范圍的運(yùn)動(dòng)，但是帶寬較小，跟蹤定位精度較低。精瞄系統(tǒng)用于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精瞄準(zhǔn)和精跟蹤，通常是由壓電陶瓷或音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，精瞄系統(tǒng)帶寬大，精度高，但是運(yùn)動(dòng)范圍較小。所以通常將粗瞄系統(tǒng)和精瞄系統(tǒng)組成復(fù)合軸控制系統(tǒng)，從而可以進(jìn)行大范圍、高精度、快速地定位和跟蹤。信號(hào)處理及控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)根據(jù)光電編碼器和CCD傳感器反饋的信息對(duì)粗、精瞄準(zhǔn)（跟蹤）子系統(tǒng)進(jìn)行控制。
 

　　以技術(shù)比較成熟的SILEX系統(tǒng)為例。SILEX系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示，由粗瞄準(zhǔn)裝置、精瞄準(zhǔn)裝置、提前瞄準(zhǔn)裝置和天線方向驅(qū)動(dòng)裝置組成。
 

　　粗瞄準(zhǔn)裝置由萬(wàn)向轉(zhuǎn)臺(tái)、粗瞄準(zhǔn)控制器和粗瞄準(zhǔn)探測(cè)器組成，用于捕獲和跟蹤環(huán)節(jié)。根據(jù)衛(wèi)星平臺(tái)的軌道和姿態(tài)參數(shù)調(diào)整萬(wàn)向轉(zhuǎn)臺(tái)的瞄準(zhǔn)方向，并且以一定的方式進(jìn)行掃瞄捕獲，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)使入射光斑進(jìn)入精瞄準(zhǔn)控制器視場(chǎng)范圍。粗瞄準(zhǔn)視場(chǎng)角為幾個(gè)毫弧度，靈敏度約為10PW，瞄準(zhǔn)準(zhǔn)精度為幾十毫弧度。由于光束的發(fā)散角很小，為保證較小的捕獲時(shí)間，應(yīng)盡量減小不確定區(qū)域的面積，即希望開(kāi)環(huán)瞄準(zhǔn)子系統(tǒng)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(cè)器組成，主要作用在于補(bǔ)償粗瞄裝置的瞄準(zhǔn)誤差及跟蹤過(guò)程中衛(wèi)星平臺(tái)微振動(dòng)的干擾。精瞄要求視場(chǎng)角為幾百微弧度，瞄準(zhǔn)精度為幾個(gè)微弧度，跟蹤靈敏度大約為幾納瓦。

　　提前瞄準(zhǔn)裝置由提前瞄準(zhǔn)鏡、提前瞄準(zhǔn)控制器和提前瞄準(zhǔn)探測(cè)器。主要用于補(bǔ)償鏈路過(guò)程中在光束弛豫時(shí)間內(nèi)所發(fā)生的衛(wèi)星間的附加移動(dòng)。有些系統(tǒng)中提前瞄準(zhǔn)探測(cè)器是與精瞄探測(cè)器共用，另一些系統(tǒng)中這兩者是分離的。天線方向驅(qū)動(dòng)裝置是光束對(duì)準(zhǔn)任務(wù)的最終實(shí)施者，它接受來(lái)自開(kāi)環(huán)瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤等三個(gè)子系統(tǒng)的指令，實(shí)現(xiàn)光束的對(duì)準(zhǔn)和跟蹤。
 

　　APT系統(tǒng)的工作原理

　　APT系統(tǒng)的原理如下圖所示。該終端在調(diào)制電路部分應(yīng)用直接調(diào)制方式對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制。發(fā)射光束經(jīng)準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)將其進(jìn)行準(zhǔn)直，使之平行輸出并經(jīng)精瞄鏡、分束片和兩個(gè)全反射鏡反射后由發(fā)射窗口發(fā)射。接收光束由濾波器濾去雜光后經(jīng)粗瞄裝置和望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)進(jìn)入接收光學(xué)系統(tǒng)。入射光經(jīng)分光束后分成兩部分，一部分入射到信號(hào)光檢測(cè)器(APD)，用于進(jìn)行通信；另一部分入射到CCD測(cè)角系統(tǒng)，用于瞄準(zhǔn)角度偏差信號(hào)的檢測(cè)。

　　星上計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于對(duì)整個(gè)通信終端進(jìn)行控制，包括粗瞄準(zhǔn)裝置系統(tǒng)控制、精瞄準(zhǔn)裝置系統(tǒng)控制、CCD圖像檢測(cè)、光學(xué)通信系統(tǒng)控制。采用CCD測(cè)角系統(tǒng)作為捕獲、跟蹤探測(cè)器測(cè)量接收端和發(fā)射端之間的角度誤差。信號(hào)光探測(cè)器采用雪崩光電二極管(APD)；萬(wàn)向轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，測(cè)角傳感器采用絕對(duì)式光電編碼器。伺服電機(jī)和編碼器均為中空式，安裝在萬(wàn)向轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)桶外；精瞄準(zhǔn)裝置使用的是二維壓電精瞄鏡。精瞄鏡和光學(xué)系統(tǒng)安裝在衛(wèi)星平臺(tái)內(nèi)部，望遠(yuǎn)鏡平面與衛(wèi)星平臺(tái)表面平行，作為安裝基準(zhǔn)平面。
 

　　建立通信鏈路的四個(gè)階段

　　墨子號(hào)衛(wèi)星和地面站的通信用采用以下方法逐步實(shí)現(xiàn)這一高難度連接。

　　首先利用掃描實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面站的初步連接。掃描是指衛(wèi)星發(fā)出信標(biāo)光束，利用精指向裝置的偏轉(zhuǎn)改變信標(biāo)光的方向，使該信標(biāo)光束在衛(wèi)星或地面站可能出現(xiàn)的立體角范圍內(nèi)掃描，直到掃描到衛(wèi)星或地面站。在掃描過(guò)程中，首先要確定掃描的立體角范圍，這可以由衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的星歷表確定。其次要根據(jù)衛(wèi)星或地面站的位置確定掃描策略。

　　其次進(jìn)入捕獲階段。衛(wèi)星探測(cè)到信標(biāo)光后，需要將探測(cè)到的信標(biāo)光束與光通信系統(tǒng)的光軸準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)，才能實(shí)施衛(wèi)星間的通信。因此，需要將光學(xué)探測(cè)器探測(cè)到的信標(biāo)光束會(huì)聚到探測(cè)器中心，也就是實(shí)施捕獲過(guò)程。捕獲和跟蹤過(guò)程使用同一個(gè)探測(cè)器，最先探測(cè)到信標(biāo)光的探測(cè)器部分稱(chēng)為捕獲探測(cè)器。捕獲過(guò)程分兩步進(jìn)行第一步，捕獲探測(cè)器探測(cè)到信標(biāo)光束后，利用FPA的偏轉(zhuǎn)使光束會(huì)聚到跟蹤探測(cè)器上。第二步，將進(jìn)人到跟蹤探測(cè)器的光束繼續(xù)會(huì)聚，直至跟蹤探測(cè)器中心區(qū)域。

　　再次是進(jìn)入瞄準(zhǔn)階段。當(dāng)捕獲成功后，停止螺旋掃描，光學(xué)偏差探測(cè)器會(huì)探測(cè)出光學(xué)天線與對(duì)方信標(biāo)光的軸線的偏差，繼而根據(jù)這一偏差計(jì)算得出粗瞄系統(tǒng)和精瞄系統(tǒng)的位置指令，驅(qū)動(dòng)光學(xué)天線和快速反射鏡，使指向偏差趨于零，實(shí)現(xiàn)精確瞄準(zhǔn)，接下來(lái)就可進(jìn)行鏈路通信了。

　　最后是跟蹤階段。除了地球同步軌道衛(wèi)星之間或地球同步軌道衛(wèi)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(duì)運(yùn)動(dòng)，所以要實(shí)時(shí)控制光學(xué)天線和快速反射鏡的指向。主控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)雙方的坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)信息實(shí)時(shí)計(jì)算APT系統(tǒng)的位置指令，粗瞄、精瞄系統(tǒng)根據(jù)位置指令進(jìn)行實(shí)時(shí)伺服控制。
 

　　結(jié)語(yǔ)

　　其實(shí)，APT技術(shù)除了在激光通信、量子通信中使用，在激光測(cè)距，天文觀測(cè)等已經(jīng)有過(guò)不少應(yīng)用，是比較成熟的技術(shù)，美國(guó)和歐洲也都掌握該項(xiàng)技術(shù)——歐洲的SILEX高空激光通信實(shí)驗(yàn)計(jì)劃就涉及APT技術(shù)，而美國(guó)NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室為研究激光通信技術(shù)還專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)過(guò)為實(shí)現(xiàn)亞微弧級(jí)的定位精度，而研發(fā)APT算法和相應(yīng)測(cè)試平臺(tái)。本次“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星與地面站通信試驗(yàn)照片雖然顯得比較科幻，但卻還稱(chēng)不上是中國(guó)獨(dú)有的“黑科技”，用專(zhuān)家的話(huà)講，“這其實(shí)是比較成熟的技術(shù)，只是這次量子衛(wèi)星要求跟瞄精度比較高……在保持星地光學(xué)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)后，就可以傳遞量子信號(hào)了”。