背景介紹
隨著低軌衛星互聯網的發展，星間激光通信作為實現高速、低延遲數據傳輸的關鍵技術，正逐漸成為新一代衛星網絡的核心。然而，低軌衛星具有軌道高度低、運動速度快等特點，導致激光鏈路在建立和保持過程中面臨更大的挑戰。其中，頻繁的星間接入與退出使得激光通信終端必須具備快速、高精度的鏈路建立與維持能力。
為了實現快速建鏈，激光束的指向精度要求極高，衛星的激光建鏈過程猶如在數百公里外拿著激光筆照射快速移動的對端目標，任何微小的姿態擾動、軌道預報誤差或光軸誤差都可能導致通信中斷。因此，提高激光終端在動態環境下的快速建鏈與穩鏈能力，成為當前激光通信系統研究的關鍵方向。指向誤差修正技術，是解決這一問題的核心技術手段。通過恒星標校和星間標校結合，有望顯著提升系統對鏈路擾動的魯棒性，實現低軌衛星網絡中高效、穩定的激光通信鏈路動態管理與控制，支撐未來大規模星座系統的高性能運行。
創新工作
中國科學院上海光學精密機械研究所侯霞、魯紹文團隊針對星載激光通信中快速建鏈的應用需求，提出了一種基于參數尋優的激光通信終端指向在軌快速標校方案。該方案綜合應用復雜的坐標系轉換和誤差修正矩陣，實現了對理論指向矢量的高精度修正，采用了斐波那契查找算法結合最小二乘法的尋優策略，提高了標校過程的收斂速度和精度，實現了對激光通信終端光軸的快速、精確標校。修正后的指向誤差結果如圖1所示，最小0.02 mrad，最大0.81 mrad，平均誤差為0.42 mrad。
圖1 指向誤差修正擬合曲線
課題組在衛星上進行了多次在軌驗證，實現了同軌道面上衛星之間最小指向誤差為0.10 mrad，最大0.95 mrad，平均誤差為0.46 mrad，如圖2（a）所示；異軌道面衛星之間最小指向誤差為0.01 mrad，最大1.46 mrad，平均誤差為0.51 mrad，如圖2（b）所示，在軌驗證結果與最后一次指向偏差修正結果吻合。階段性在軌驗證實驗表明，對激光終端指向偏差修正后，指向殘差約為0.5 mrad，平均捕獲時間從最初大于8 min減小到小于15 s，最大不超過30 s，與國內其它在軌建鏈驗證試驗（θFOU＜1.5 mrad）相比具有顯著提升。
圖2 星載激光通信終端建鏈測試。（a）同軌道面；（b）異軌道面
從修正后的指向誤差驗證數據可知，同軌道面衛星間的指向精度總體上優于異軌道面衛星間，這與軌道特性相吻合，同軌道面建鏈，電機的動態范圍小，指向也更加精確；異軌道面間的建鏈，動態范圍更大，需要修正的方位、俯仰電機指向位置也更廣。同時，這兩種鏈路的指向誤差都存在周期性變化的特點，這是由軌道周期特性、軌道外流對于衛星艙板的形變等多方面因素所引起的。同時，經多次建鏈試驗結果統計，指向誤差較大的時候均是衛星進出陰影區的時候，衛星進出陰影區時，溫度、能源、傳感器和動力學環境的變化共同作用，導致指向誤差增大。
總結與展望
在后續工作中，團隊將聚焦于高精度指向實時修正模型的建立與優化，進一步將系統指向殘差從當前水平減小至激光束散角量級，實現秒級建鏈功能。該研究將顯著提升激光鏈路的穩定性和可用性，為基于激光星間鏈路的衛星互聯網建設提供關鍵技術支撐。
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