小衛(wèi)星也能激光通信

□ 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)星實現(xiàn)的。美國也曾經(jīng)考慮過用激光來實現(xiàn)軍用星地高速通信，但是因為預算問題被砍掉了。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）為此啟動了一個稱為“光學通信和傳感演示驗證項目”的計劃，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，這個計劃的規(guī)模要小得多，但距離實用化更近了一步。

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操作，當然有關技術(shù)也能用于其它類型的衛(wèi)星。這個項目最早叫做“用于立方星的一體化光學通信與交會傳感器”，后來改名叫“光學通信和傳感演示驗證項目”，簡稱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，在加利福尼亞州南部的威爾遜山天文臺設置了地面接收站。項目的承包商，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，而射頻/微波波束的角度以弧度計。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準。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平方毫米的交會用光學敏感器，左邊是陣列，右邊是數(shù)字信號處理器

AEROCUBE-OCSD的地面主站望遠鏡

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，這些能量實在是太小了，光的量子性幾乎可以忽略不計。射頻接收機可以檢測出0.1毫微微瓦～100毫微微瓦的信號，相當于每個比特有1000萬個光子。但優(yōu)化后的激光接收機可以檢測出單個光子。在工程實踐中，典型的光學接收機可以通過10個或數(shù)百個光子檢測出一個比特的信息。

為了工程實現(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)驗證了一種通信速率達到5.625吉比特每秒的雙向激光通信機。這種通信機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地面站上的6.5厘米孔徑設備，空間段是搭載于歐空局近場紅外實驗衛(wèi)星上的12.5厘米孔徑終端。這種空間段設備重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。這臺設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，例如轉(zhuǎn)動慣量小，轉(zhuǎn)向機動比較靈活。

在此之前，也曾經(jīng)有人研制過類似的激光通信設備，例如甚小型光學應答機（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)星本身的滾動來實現(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現(xiàn)10兆比特每秒的通信速率。

光學下行信號發(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1.5U立方星的有限體積，研制人員對激光器進行了高度優(yōu)化，實際尺寸為1厘米×9厘米×9厘米。需要注意的是，這臺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，可以反復充電100次。

反作用飛輪

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

按照測算，按照現(xiàn)有的設計，如果激光波束的半高寬為1.4°，可以實現(xiàn)5兆比特每秒的通信速率，如果縮小到0.5°，可以實現(xiàn)高達50兆比特每秒的通信速率。

精確的姿態(tài)控制

OSCD的飛行驗證任務要滿足兩個要求。

地面主站工作原理圖

飛行方向與各敏感器的相對位置

立方星的體積很小，一個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現(xiàn)5Mbit/s以上的通信速率。

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

那么，設計師打算怎么利用立方星和這些簡單而便宜的設備呢？

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)星都可以用標準的小衛(wèi)星釋放器攜帶到太空，然后送入預定軌道。為了利于激光通信，設計師還設法改善了姿態(tài)控制能力，指向精度可以達到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的標準立方星，也就是邊長10厘米的標準正方體。比較有特色的一個設計是，它具有可收放的翅膀，可以用來進行滾動控制。這是因為小衛(wèi)星飛行在近地軌道上，大氣雖然稀薄，但還是會對衛(wèi)星產(chǎn)生一定的阻力。因此，加一對翅膀，就可以主動利用這種阻力來進行姿態(tài)控制。星上裝有一臺精度為20米的GPS接收機，據(jù)說指向控制精度可以達到3度。這種可收放翅膀?qū)α⒎叫堑淖藨B(tài)控制精度貢獻很大。AEROCUBE-4C曾經(jīng)對著月球拍了一張照片，雖然只是一個遙遠的月牙，但對它那臺只有200萬像素的攝像頭來說，已經(jīng)算不錯了。

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和高精度的微機電速率陀螺。AEROCUBE-6則采取了自旋穩(wěn)定策略，驗證了UHF星間鏈路技術(shù)。這兩顆衛(wèi)星雖然各有各的任務，但是為OCSD任務積累了技術(shù)，很多元器件和分系統(tǒng)經(jīng)過改進可以直接采用。

執(zhí)行OCSD任務的衛(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米每秒的冷氣推進系統(tǒng)，足以讓兩顆AEROCUBE-OCSD實現(xiàn)計劃中的交會任務。

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裝有多臺太陽敏感器、地球地平線敏感器，可以持續(xù)保持對地定向。在太陽沒有被地球擋住的時候，也可以保持持續(xù)對日定向。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，精度達到0.5度。太陽敏感器同樣是成熟器件，精度達到0.2度。AEROCUBEOCSD采用了美國霍尼韋爾公司提供的一種磁力計，這將是這種磁力計的第一次飛行。AEROCUBE-4C衛(wèi)星飛行的時候，人們發(fā)現(xiàn)它的鋰電池會對磁力計產(chǎn)生干擾，導致了3度的誤差。于是在AEROCUBEOCSD上，人們把鋰電池設置在距離磁力計盡量遠的位置，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，用來進一步降低星體本身磁場造成的干擾。

交會與繞飛過程

星體設備示意圖

注意后方的小月牙，那是AEROCUBE-4C拍攝到的月球

組裝中的AEROCUBE-6

可見光相機也可以作為姿態(tài)控制敏感器使用。設計人員在AEROCUBE-4C的飛行試驗中發(fā)現(xiàn)，星上安裝的200萬像素相機可以用來確認星體相對于地球的指向。而一臺16毫米焦距、F2.0光圈的鏡頭在宇宙中完全可以識別5等星，與相關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)。而利用磁力計等手段，可以有效地縮小可見光相機的搜索范圍，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)實現(xiàn)了0.02°的理論姿態(tài)測量精度。

AEROCUBE-OCSD上的最后一類姿態(tài)測量手段是上行信標接收機，可以在光學地面站和衛(wèi)星之間實現(xiàn)閉環(huán)的指向控制。衛(wèi)星上的接收機采用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個象限，通過分析4個象限光電流的不同，就可以測量出兩個軸上的角度信息。這個敏感器本身就可以達到0.1°的測量精度。

前面談了姿態(tài)的測量問題，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上進行過飛行驗證，它的體積只有2.5立方厘米，總角動量為1毫牛米秒，可以實現(xiàn)0.1度的指向精度。

工作過程

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

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，用來精確獲知自己的軌道參數(shù)，然后發(fā)送給地面站。地面站的光學設備根據(jù)這些數(shù)據(jù)來精確跟蹤衛(wèi)星，用計算機生成一張與時刻相對應的衛(wèi)星方向表。根據(jù)測算，只要在兩天時間里，對每一圈軌道測定9個點的位置，就可以生成這張表。根據(jù)它就可以知道衛(wèi)星在任何時刻的精確位置，只要進入地面站的視野，光學望遠鏡根據(jù)表內(nèi)的數(shù)據(jù)對準天空，就可以和衛(wèi)星建立起激光通信聯(lián)系。

交會與繞飛

我們上面所談的是星地之間的激光通信，兩顆衛(wèi)星之間還要進行交會和繞飛試驗。兩顆衛(wèi)星首先要做交會動作，接近到一定程度之后才能互相發(fā)射激光照射對方。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確定彼此的相對位置、速度、摩擦力，然后啟動冷氣推力器，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)，實現(xiàn)相對于飛行方向的姿態(tài)改變。

兩顆衛(wèi)星彼此接近后，利用星上的雷達、光學傳感器、星敏感器和相機來彼此發(fā)現(xiàn)。因為立方星很小，因此雷達的作用距離也很近，只能在200米左右的距離發(fā)現(xiàn)對方?？梢詼y定距離、相對速率和偏航角。不但可以用來進行交會操作，也可以為未來的對接試驗做技術(shù)儲備。

光學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，測定相對位置。

按計劃，兩顆衛(wèi)星要在10千米遠的地方開始交會操作，先利用空氣阻力控制法抵達匯合點，彼此接近到兩千米距離，然后目標星保持航向，機動星利用推力器和其他姿態(tài)控制設備，開始相對接近操作，一邊前進一邊繞目標星飛行，形成螺旋狀的軌道。這一段飛行將持續(xù)22小時，期間兩者保持200米以上的距離以防碰撞。

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