日前，“墨子號”量子衛(wèi)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(jù)專家透露，“這其實是使用高功率激光來實現(xiàn)跟蹤瞄準(zhǔn)——下行光用來校正接收望遠(yuǎn)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(xiàn)方便”。那么，在自由空間量子通信中使用的跟瞄技術(shù)到底是怎么一回事，其中又有哪些奧秘呢？
什么是APT
“墨子號”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，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)來的光束，稱之為信標(biāo)光，并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，這個過程稱作指向（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(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內(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、對準(zhǔn)和大視場的跟蹤，粗瞄系統(tǒng)實質(zhì)為一個兩軸光學(xué)伺服轉(zhuǎn)臺，可帶動光學(xué)天線進(jìn)行大范圍的運動，但是帶寬較小，跟蹤定位精度較低。精瞄系統(tǒng)用于對目標(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，精瞄系統(tǒng)帶寬大，精度高，但是運動范圍較小。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)動裝置組成。
粗瞄準(zhǔn)裝置由萬向轉(zhuǎn)臺、粗瞄準(zhǔn)控制器和粗瞄準(zhǔn)探測器組成，用于捕獲和跟蹤環(huán)節(jié)。根據(jù)衛(wèi)星平臺的軌道和姿態(tài)參數(shù)調(diào)整萬向轉(zhuǎn)臺的瞄準(zhǔn)方向，并且以一定的方式進(jìn)行掃瞄捕獲，通過調(diào)整轉(zhuǎn)臺使入射光斑進(jìn)入精瞄準(zhǔn)控制器視場范圍。粗瞄準(zhǔn)視場角為幾個毫弧度，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間，應(yīng)盡量減小不確定區(qū)域的面積，即希望開環(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)誤差及跟蹤過程中衛(wèi)星平臺微振動的干擾。精瞄要求視場角為幾百微弧度，瞄準(zhǔn)精度為幾個微弧度，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)探測器。主要用于補(bǔ)償鏈路過程中在光束弛豫時間內(nèi)所發(fā)生的衛(wèi)星間的附加移動。有些系統(tǒng)中提前瞄準(zhǔn)探測器是與精瞄探測器共用，另一些系統(tǒng)中這兩者是分離的。天線方向驅(qū)動裝置是光束對準(zhǔn)任務(wù)的最終實施者，它接受來自開環(huán)瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤等三個子系統(tǒng)的指令，實現(xiàn)光束的對準(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，一部分入射到信號光檢測器(APD)，用于進(jìn)行通信；另一部分入射到CCD測角系統(tǒng)，用于瞄準(zhǔn)角度偏差信號的檢測。
星上計算機(jī)系統(tǒng)用于對整個通信終端進(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、光學(xué)通信系統(tǒng)控制。采用CCD測角系統(tǒng)作為捕獲、跟蹤探測器測量接收端和發(fā)射端之間的角度誤差。信號光探測器采用雪崩光電二極管(APD)；萬向轉(zhuǎn)臺的運動采用伺服電機(jī)驅(qū)動，測角傳感器采用絕對式光電編碼器。伺服電機(jī)和編碼器均為中空式，安裝在萬向轉(zhuǎn)臺的轉(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)星平臺內(nèi)部，望遠(yuǎn)鏡平面與衛(wèi)星平臺表面平行，作為安裝基準(zhǔn)平面。
建立通信鏈路的四個階段
墨子號衛(wèi)星和地面站的通信用采用以下方法逐步實現(xiàn)這一高難度連接。
首先利用掃描實現(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)星探測到信標(biāo)光后，需要將探測到的信標(biāo)光束與光通信系統(tǒng)的光軸準(zhǔn)確對準(zhǔn)，才能實施衛(wèi)星間的通信。因此，需要將光學(xué)探測器探測到的信標(biāo)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(biāo)光的探測器部分稱為捕獲探測器。捕獲過程分兩步進(jìn)行第一步，捕獲探測器探測到信標(biāo)光束后，利用FPA的偏轉(zhuǎn)使光束會聚到跟蹤探測器上。第二步，將進(jìn)人到跟蹤探測器的光束繼續(xù)會聚，直至跟蹤探測器中心區(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)偏差探測器會探測出光學(xué)天線與對方信標(biāo)光的軸線的偏差，繼而根據(jù)這一偏差計算得出粗瞄系統(tǒng)和精瞄系統(tǒng)的位置指令，驅(qū)動光學(xué)天線和快速反射鏡，使指向偏差趨于零，實現(xiàn)精確瞄準(zhǔn)，接下來就可進(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運動，所以要實時控制光學(xué)天線和快速反射鏡的指向。主控系統(tǒng)會根據(jù)雙方的坐標(biāo)、運動信息實時計算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)行實時伺服控制。
結(jié)語
其實，APT技術(shù)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(jīng)有過不少應(yīng)用，是比較成熟的技術(shù)，美國和歐洲也都掌握該項技術(shù)——歐洲的SILEX高空激光通信實驗計劃就涉及APT技術(shù)，而美國NASA的噴氣推進(jìn)實驗室為研究激光通信技術(shù)還專門開發(fā)過為實現(xiàn)亞微弧級的定位精度，而研發(fā)APT算法和相應(yīng)測試平臺。本次“墨子號”量子衛(wèi)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(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)對準(zhǔn)后，就可以傳遞量子信號了”。
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