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——下行光用來校正接收望遠鏡的角度，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實現(xiàn)比較科幻的通信試驗，其關鍵技術就在于APT技術。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，要求該光束能準確地指向發(fā)出信標光的衛(wèi)星，這個過程稱作指向（Pointing)。發(fā)出信標光的衛(wèi)星接收到此光束后，也要相應地完成捕獲過程，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。
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，APT技術正是確保了這一高精度要求。因此，APT技術在星間激光通信中扮演著極為重要的角色。
APT系統(tǒng)的結構
APT系統(tǒng)可分為粗瞄準（粗跟蹤）子系統(tǒng)、精瞄準（精跟蹤）子系統(tǒng)和信號處理及控制子系統(tǒng)。粗瞄準（粗跟蹤）子系統(tǒng)主要完成捕獲、對準和大視場的跟蹤，粗瞄系統(tǒng)實質為一個兩軸光學伺服轉臺，可帶動光學天線進行大范圍的運動，但是帶寬較小，跟蹤定位精度較低。精瞄系統(tǒng)用于對目標進行精瞄準和精跟蹤，通常是由壓電陶瓷或音圈電機驅動，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)組成復合軸控制系統(tǒng)，從而可以進行大范圍、高精度、快速地定位和跟蹤。信號處理及控制系統(tǒng)負責根據(jù)光電編碼器和CCD傳感器反饋的信息對粗、精瞄準（跟蹤）子系統(tǒng)進行控制。
以技術比較成熟的SILEX系統(tǒng)為例。SILEX系統(tǒng)的結構如下圖所示，由粗瞄準裝置、精瞄準裝置、提前瞄準裝置和天線方向驅動裝置組成。
粗瞄準裝置由萬向轉臺、粗瞄準控制器和粗瞄準探測器組成，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)調整萬向轉臺的瞄準方向，并且以一定的方式進行掃瞄捕獲，通過調整轉臺使入射光斑進入精瞄準控制器視場范圍。粗瞄準視場角為幾個毫弧度，靈敏度約為10PW，瞄準準精度為幾十毫弧度。由于光束的發(fā)散角很小，為保證較小的捕獲時間，應盡量減小不確定區(qū)域的面積，即希望開環(huán)瞄準子系統(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，主要作用在于補償粗瞄裝置的瞄準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，瞄準精度為幾個微弧度，跟蹤靈敏度大約為幾納瓦。
提前瞄準裝置由提前瞄準鏡、提前瞄準控制器和提前瞄準探測器。主要用于補償鏈路過程中在光束弛豫時間內所發(fā)生的衛(wèi)星間的附加移動。有些系統(tǒng)中提前瞄準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。天線方向驅動裝置是光束對準任務的最終實施者，它接受來自開環(huán)瞄準、捕獲、跟蹤等三個子系統(tǒng)的指令，實現(xiàn)光束的對準和跟蹤。
APT系統(tǒng)的工作原理
APT系統(tǒng)的原理如下圖所示。該終端在調制電路部分應用直接調制方式對激光器進行調制。發(fā)射光束經(jīng)準直望遠鏡系統(tǒng)將其進行準直，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)粗瞄裝置和望遠鏡系統(tǒng)進入接收光學系統(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)，用于進行通信；另一部分入射到CCD測角系統(tǒng)，用于瞄準角度偏差信號的檢測。
星上計算機系統(tǒng)用于對整個通信終端進行控制，包括粗瞄準裝置系統(tǒng)控制、精瞄準裝置系統(tǒng)控制、CCD圖像檢測、光學通信系統(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)；萬向轉臺的運動采用伺服電機驅動，測角傳感器采用絕對式光電編碼器。伺服電機和編碼器均為中空式，安裝在萬向轉臺的轉桶外；精瞄準裝置使用的是二維壓電精瞄鏡。精瞄鏡和光學系統(tǒng)安裝在衛(wèi)星平臺內部，望遠鏡平面與衛(wèi)星平臺表面平行，作為安裝基準平面。
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)出信標光束，利用精指向裝置的偏轉改變信標光的方向，使該信標光束在衛(wèi)星或地面站可能出現(xiàn)的立體角范圍內掃描，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。
其次進入捕獲階段。衛(wèi)星探測到信標光后，需要將探測到的信標光束與光通信系統(tǒng)的光軸準確對準，才能實施衛(wèi)星間的通信。因此，需要將光學探測器探測到的信標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，最先探測到信標光的探測器部分稱為捕獲探測器。捕獲過程分兩步進行第一步，捕獲探測器探測到信標光束后，利用FPA的偏轉使光束會聚到跟蹤探測器上。第二步，將進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。
再次是進入瞄準階段。當捕獲成功后，停止螺旋掃描，光學偏差探測器會探測出光學天線與對方信標光的軸線的偏差，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，驅動光學天線和快速反射鏡，使指向偏差趨于零，實現(xiàn)精確瞄準，接下來就可進行鏈路通信了。
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、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)位置指令進行實時伺服控制。
結語
其實，APT技術除了在激光通信、量子通信中使用，在激光測距，天文觀測等已經(jīng)有過不少應用，是比較成熟的技術，美國和歐洲也都掌握該項技術——歐洲的SILEX高空激光通信實驗計劃就涉及APT技術，而美國NASA的噴氣推進實驗室為研究激光通信技術還專門開發(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，只是這次量子衛(wèi)星要求跟瞄精度比較高……在保持星地光學系統(tǒng)對準后，就可以傳遞量子信號了”。
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