□ 遲惑

激光通信是衛(wèi)星通信界一直在研究的重要課題。早期的激光通信功能是大型衛(wèi)星的專利，耗資巨大。最早的星間激光通信是由歐洲的“艾迪米斯”衛(wèi)星和日本的“閃光”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的。美國也曾經(jīng)考慮過用激光來實(shí)現(xiàn)軍用星地高速通信，但是因?yàn)轭A(yù)算問題被砍掉了。如今，商業(yè)器件和小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展讓衛(wèi)星激光通信的門檻大為降低了。美國航宇局（NASA）為此啟動(dòng)了一個(gè)稱為“光學(xué)通信和傳感演示驗(yàn)證項(xiàng)目”的計(jì)劃，由商業(yè)企業(yè)用兩顆“立方星”來嘗試星間、星地激光通信技術(shù)。和此前的衛(wèi)星激光通信相比，這個(gè)計(jì)劃的規(guī)模要小得多，但距離實(shí)用化更近了一步。

緣起

2012年，NASA打算找一家公司研究一下商業(yè)現(xiàn)貨器件能不能支持立方星的星間通信和交會(huì)操作，當(dāng)然有關(guān)技術(shù)也能用于其它類型的衛(wèi)星。這個(gè)項(xiàng)目最早叫做“用于立方星的一體化光學(xué)通信與交會(huì)傳感器”，后來改名叫“光學(xué)通信和傳感演示驗(yàn)證項(xiàng)目”，簡(jiǎn)稱OCSD。OCSD的空間段是兩顆1.5U的立方星，也就是每顆體積為10厘米×10厘米×15厘米。同時(shí)，在加利福尼亞州南部的威爾遜山天文臺(tái)設(shè)置了地面接收站。項(xiàng)目的承包商，是一家叫做航天技術(shù)有限公司的企業(yè)，于是衛(wèi)星被稱作AEROCUBE-OCSD。AEROCUBE意思就是“航天技術(shù)有限公司的立方星”。在此之前，這家公司還發(fā)射了幾種小衛(wèi)星，都是以AEROCUBE作為前綴。

激光通信的要訣

和射頻通信不同的是，激光通信的波束非常非常窄。一般來說，紅色激光的波束寬度以微弧度計(jì)，而射頻/微波波束的角度以弧度計(jì)。表一給出了用10厘米直徑發(fā)射天線發(fā)射不同波束的寬度和其他特性。UHF頻段的波束幾乎無法用來精確對(duì)準(zhǔn)。近紅外激光的理論波束寬度則只有5.5微弧度，在1000千米外的光斑直徑也只有5.5米。精確的指向性是遠(yuǎn)程激光通信的必要條件。

表格中給出了不同頻段的特性。經(jīng)過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，如果用一只10厘米孔徑的天線來發(fā)射，UHF頻段完全沒有指向性可言，而近紅外激光的波束寬度只有5.5微弧度，在1000千米距離上的覆蓋區(qū)直徑只有5.5米，良好的指向性是實(shí)現(xiàn)激光星間鏈路的必要條件。

表1 不同頻段的波長、能量與波束寬度

1平方毫米的交會(huì)用光學(xué)敏感器，左邊是陣列，右邊是數(shù)字信號(hào)處理器

AEROCUBE-OCSD的地面主站望遠(yuǎn)鏡

表中的第四列是以電子伏特單位表示的粒子特性。在射頻波長上，這些能量實(shí)在是太小了，光的量子性幾乎可以忽略不計(jì)。射頻接收機(jī)可以檢測(cè)出0.1毫微微瓦～100毫微微瓦的信號(hào)，相當(dāng)于每個(gè)比特有1000萬個(gè)光子。但優(yōu)化后的激光接收機(jī)可以檢測(cè)出單個(gè)光子。在工程實(shí)踐中，典型的光學(xué)接收機(jī)可以通過10個(gè)或數(shù)百個(gè)光子檢測(cè)出一個(gè)比特的信息。

為了工程實(shí)現(xiàn)OCSD，作為主承包商的航天技術(shù)有限公司與TESAT空間通信公司已經(jīng)驗(yàn)證了一種通信速率達(dá)到5.625吉比特每秒的雙向激光通信機(jī)。這種通信機(jī)的地面段是位于西班牙加納利群島特納里夫島易扎娜光學(xué)地面站上的6.5厘米孔徑設(shè)備，空間段是搭載于歐空局近場(chǎng)紅外實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上的12.5厘米孔徑終端。這種空間段設(shè)備重35千克，功耗120瓦，體積為0.5米×0.5米×0.6米，發(fā)射功率為0.7瓦，波長1064納米。這臺(tái)設(shè)備的波束寬度約為微弧度，采用萬向架指向系統(tǒng)，顯然不適于立方星。如果取消萬向架，把波束寬度擴(kuò)大到數(shù)百毫弧度，就可以用星體本身的姿態(tài)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)指向，這就能制造出更小、更輕的激光終端。這也可以利用立方星的一些優(yōu)點(diǎn)，例如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)比較靈活。

在此之前，也曾經(jīng)有人研制過類似的激光通信設(shè)備，例如甚小型光學(xué)應(yīng)答機(jī)（VSOTA），是日本RISESAT微衛(wèi)星上安裝的一種單下行式激光通信系統(tǒng)。RISESAT比立方星大得多，質(zhì)量達(dá)到50千克，是一種邊長為50厘米的立方體。VSOTA的發(fā)射波長有980納米和1500納米兩種，輸出功率分別為540毫瓦和80毫瓦，波束寬度分別為0.2度和0.075度。波束的指向是通過衛(wèi)星本身的滾動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。衛(wèi)星本身的正態(tài)離散指向精度為0.1度。VSOTA可以在20厘米直徑的地面接收終端上實(shí)現(xiàn)10兆比特每秒的通信速率。

光學(xué)下行信號(hào)發(fā)生器用來把激光從衛(wèi)星發(fā)射到地面上。小衛(wèi)星上沒有多少供電能力，所以AEROCUBEOCSD采用了低功率調(diào)幅激光二極管和兩級(jí)摻鐿光纖放大器，平均輸出功率14.7瓦，工作波長1064納米，功耗88瓦。為了適應(yīng)1.5U立方星的有限體積，研制人員對(duì)激光器進(jìn)行了高度優(yōu)化，實(shí)際尺寸為1厘米×9厘米×9厘米。需要注意的是，這臺(tái)激光器不是由太陽電池陣直接供電，而是由一塊專用鋰電池供電。它可以在60瓦輸出功率下持續(xù)工作180秒，可以反復(fù)充電100次。

反作用飛輪

AEROCUBE-OCSD的地面站成本也相當(dāng)?shù)停@從它的名稱上就能看出來，叫做“移動(dòng)通信和大氣測(cè)量站”。主站設(shè)在加利福尼亞州，原本是用來跟蹤NFIRE航天器的，它的望遠(yuǎn)鏡口徑是30厘米，可以用來跟蹤低軌道衛(wèi)星。還有兩個(gè)輔助站分別設(shè)在德克薩斯州和佛羅里達(dá)州。

按照測(cè)算，按照現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，如果激光波束的半高寬為1.4°，可以實(shí)現(xiàn)5兆比特每秒的通信速率，如果縮小到0.5°，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)50兆比特每秒的通信速率。

精確的姿態(tài)控制

OSCD的飛行驗(yàn)證任務(wù)要滿足兩個(gè)要求。

地面主站工作原理圖

飛行方向與各敏感器的相對(duì)位置

立方星的體積很小，一個(gè)人用兩只手就能圍攏住

1．在近地軌道立方星和30厘米直徑地面接收終端之間實(shí)現(xiàn)5Mbit/s以上的通信速率。

2．驗(yàn)證用商業(yè)現(xiàn)貨器件實(shí)現(xiàn)臨近航天器跟蹤的能力，這些器件包括自動(dòng)防撞雷達(dá)敏感器和低成本光電鼠標(biāo)傳感器。

那么，設(shè)計(jì)師打算怎么利用立方星和這些簡(jiǎn)單而便宜的設(shè)備呢？

前文說過，OCSD的空間段由兩顆1.5U的衛(wèi)星組成。這樣的衛(wèi)星都可以用標(biāo)準(zhǔn)的小衛(wèi)星釋放器攜帶到太空，然后送入預(yù)定軌道。為了利于激光通信，設(shè)計(jì)師還設(shè)法改善了姿態(tài)控制能力，指向精度可以達(dá)到1度以內(nèi)。

在此之前，航天技術(shù)有限公司研制并發(fā)射過一種叫做AEROCUBE-4C的衛(wèi)星，這是一種1U的標(biāo)準(zhǔn)立方星，也就是邊長10厘米的標(biāo)準(zhǔn)正方體。比較有特色的一個(gè)設(shè)計(jì)是，它具有可收放的翅膀，可以用來進(jìn)行滾動(dòng)控制。這是因?yàn)樾⌒l(wèi)星飛行在近地軌道上，大氣雖然稀薄，但還是會(huì)對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生一定的阻力。因此，加一對(duì)翅膀，就可以主動(dòng)利用這種阻力來進(jìn)行姿態(tài)控制。星上裝有一臺(tái)精度為20米的GPS接收機(jī)，據(jù)說指向控制精度可以達(dá)到3度。這種可收放翅膀?qū)α⒎叫堑淖藨B(tài)控制精度貢獻(xiàn)很大。AEROCUBE-4C曾經(jīng)對(duì)著月球拍了一張照片，雖然只是一個(gè)遙遠(yuǎn)的月牙，但對(duì)它那臺(tái)只有200萬像素的攝像頭來說，已經(jīng)算不錯(cuò)了。

在后續(xù)的立方星中，航天技術(shù)有限公司繼續(xù)不斷完善姿態(tài)控制技術(shù)，在AEROCUBE-5上增加了全三軸磁力計(jì)和高精度的微機(jī)電速率陀螺。AEROCUBE-6則采取了自旋穩(wěn)定策略，驗(yàn)證了UHF星間鏈路技術(shù)。這兩顆衛(wèi)星雖然各有各的任務(wù)，但是為OCSD任務(wù)積累了技術(shù)，很多元器件和分系統(tǒng)經(jīng)過改進(jìn)可以直接采用。

執(zhí)行OCSD任務(wù)的衛(wèi)星自然被稱作AEROCUBE-OCSD。與前幾顆衛(wèi)星不同的是，AEROCUBE-OCSD裝的是一次性打開的翅膀，不能再收回。翅膀的姿態(tài)控制與飛行方向之比是4:1，這個(gè)概念類似于航空的“升阻比”。加上衛(wèi)星還裝了總沖量為10米每秒的冷氣推進(jìn)系統(tǒng)，足以讓兩顆AEROCUBE-OCSD實(shí)現(xiàn)計(jì)劃中的交會(huì)任務(wù)。

一般來說，激光星間鏈路需要衛(wèi)星的姿態(tài)控制精度保持在1度以內(nèi)。AEROCUBE-OCSD裝有多臺(tái)太陽敏感器、地球地平線敏感器，可以持續(xù)保持對(duì)地定向。在太陽沒有被地球擋住的時(shí)候，也可以保持持續(xù)對(duì)日定向。AEROCUBE-OCSD采用的地平線敏感器就是一種商業(yè)現(xiàn)貨，采用4×16像素的面陣，精度達(dá)到0.5度。太陽敏感器同樣是成熟器件，精度達(dá)到0.2度。AEROCUBEOCSD采用了美國霍尼韋爾公司提供的一種磁力計(jì)，這將是這種磁力計(jì)的第一次飛行。AEROCUBE-4C衛(wèi)星飛行的時(shí)候，人們發(fā)現(xiàn)它的鋰電池會(huì)對(duì)磁力計(jì)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致了3度的誤差。于是在AEROCUBEOCSD上，人們把鋰電池設(shè)置在距離磁力計(jì)盡量遠(yuǎn)的位置，把它造成的誤差控制在1度以內(nèi)。在一只翅膀上還裝了一套磁力計(jì)，用來進(jìn)一步降低星體本身磁場(chǎng)造成的干擾。

交會(huì)與繞飛過程

星體設(shè)備示意圖

注意后方的小月牙，那是AEROCUBE-4C拍攝到的月球

組裝中的AEROCUBE-6

可見光相機(jī)也可以作為姿態(tài)控制敏感器使用。設(shè)計(jì)人員在AEROCUBE-4C的飛行試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，星上安裝的200萬像素相機(jī)可以用來確認(rèn)星體相對(duì)于地球的指向。而一臺(tái)16毫米焦距、F2.0光圈的鏡頭在宇宙中完全可以識(shí)別5等星，與相關(guān)的圖像處理芯片相配合，可以用來判定星體指向，每秒更新一次數(shù)據(jù)。而利用磁力計(jì)等手段，可以有效地縮小可見光相機(jī)的搜索范圍，加快搜星速度。目前，航天技術(shù)有限公司用多種技術(shù)相結(jié)合，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了0.02°的理論姿態(tài)測(cè)量精度。

AEROCUBE-OCSD上的最后一類姿態(tài)測(cè)量手段是上行信標(biāo)接收機(jī)，可以在光學(xué)地面站和衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的指向控制。衛(wèi)星上的接收機(jī)采用2.5厘米直徑的鏡頭，在鏡頭前面還有一只10納米濾波器，可以有效擋住99%的日光以及地球和月球的反光，鏡頭后方的二極管陣列分成4個(gè)象限，通過分析4個(gè)象限光電流的不同，就可以測(cè)量出兩個(gè)軸上的角度信息。這個(gè)敏感器本身就可以達(dá)到0.1°的測(cè)量精度。

前面談了姿態(tài)的測(cè)量問題，而姿態(tài)的控制則采用一組磁扭矩器和一組反作用飛輪，每組各三件。航天技術(shù)公司曾經(jīng)在AEROCUBE-6試飛過一種磁扭矩器，它所產(chǎn)生的扭矩可以提供足夠的阻尼，或者給飛輪卸載。而袖珍反作用飛輪在AEROCUBE-4上進(jìn)行過飛行驗(yàn)證，它的體積只有2.5立方厘米，總角動(dòng)量為1毫牛米秒，可以實(shí)現(xiàn)0.1度的指向精度。

工作過程

驗(yàn)證飛行具體來說要達(dá)到這樣的參數(shù)，首先地面站要在不大于900千米的距離上，在180秒內(nèi)識(shí)別過頂?shù)腁EROCUBE-OCSD。考慮到AEROCUBE-OCSD采用500千米高的圓軌道，地面站的視線角會(huì)在30度以上。第二步是驗(yàn)證晴好天氣下，地面站會(huì)不會(huì)受陽光干擾而無法分辨出哪個(gè)是衛(wèi)星發(fā)射的激光、哪個(gè)是陽光。

上面兩步完成后，AEROCUBEOCSD的A星和B星將在地面站指令下接收GPS信號(hào)，用來精確獲知自己的軌道參數(shù)，然后發(fā)送給地面站。地面站的光學(xué)設(shè)備根據(jù)這些數(shù)據(jù)來精確跟蹤衛(wèi)星，用計(jì)算機(jī)生成一張與時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星方向表。根據(jù)測(cè)算，只要在兩天時(shí)間里，對(duì)每一圈軌道測(cè)定9個(gè)點(diǎn)的位置，就可以生成這張表。根據(jù)它就可以知道衛(wèi)星在任何時(shí)刻的精確位置，只要進(jìn)入地面站的視野，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡根據(jù)表內(nèi)的數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)天空，就可以和衛(wèi)星建立起激光通信聯(lián)系。

交會(huì)與繞飛

我們上面所談的是星地之間的激光通信，兩顆衛(wèi)星之間還要進(jìn)行交會(huì)和繞飛試驗(yàn)。兩顆衛(wèi)星首先要做交會(huì)動(dòng)作，接近到一定程度之后才能互相發(fā)射激光照射對(duì)方。衛(wèi)星發(fā)射后，從釋放器入軌，部署在相距大約200米的軌道上，然后靠GPS確定彼此的相對(duì)位置、速度、摩擦力，然后啟動(dòng)冷氣推力器，開始相互接近。兩顆衛(wèi)星都要展開翅膀來改變自己的彈道系數(shù)，實(shí)現(xiàn)相對(duì)于飛行方向的姿態(tài)改變。

兩顆衛(wèi)星彼此接近后，利用星上的雷達(dá)、光學(xué)傳感器、星敏感器和相機(jī)來彼此發(fā)現(xiàn)。因?yàn)榱⒎叫呛苄?，因此雷達(dá)的作用距離也很近，只能在200米左右的距離發(fā)現(xiàn)對(duì)方?？梢詼y(cè)定距離、相對(duì)速率和偏航角。不但可以用來進(jìn)行交會(huì)操作，也可以為未來的對(duì)接試驗(yàn)做技術(shù)儲(chǔ)備。

光學(xué)敏感器的體積也非常小，它的焦平面陣面積只有1平方毫米，采用18×18陣元，結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理器，就可以精確感知另一顆衛(wèi)星發(fā)射的激光或?qū)Ψ叫求w上LED燈的信號(hào)，測(cè)定相對(duì)位置。

按計(jì)劃，兩顆衛(wèi)星要在10千米遠(yuǎn)的地方開始交會(huì)操作，先利用空氣阻力控制法抵達(dá)匯合點(diǎn)，彼此接近到兩千米距離，然后目標(biāo)星保持航向，機(jī)動(dòng)星利用推力器和其他姿態(tài)控制設(shè)備，開始相對(duì)接近操作，一邊前進(jìn)一邊繞目標(biāo)星飛行，形成螺旋狀的軌道。這一段飛行將持續(xù)22小時(shí)，期間兩者保持200米以上的距離以防碰撞。

到發(fā)稿時(shí)為止，這兩顆小衛(wèi)星還沒有發(fā)射升空。不過我們對(duì)它們的飛行成果還是挺期待的。