□ 迟惑

激光通信是卫星通信界一直在研究的重要课题。早期的激光通信功能是大型卫星的专利，耗资巨大。最早的星间激光通信是由欧洲的“艾迪米斯”卫星和日本的“闪光”卫星实现的。美国也曾经考虑过用激光来实现军用星地高速通信，但是因为预算问题被砍掉了。如今，商业器件和小卫星技术的发展让卫星激光通信的门槛大为降低了。美国航宇局（NASA）为此启动了一个称为“光学通信和传感演示验证项目”的计划，由商业企业用两颗“立方星”来尝试星间、星地激光通信技术。和此前的卫星激光通信相比，这个计划的规模要小得多，但距离实用化更近了一步。

缘起

2012年，NASA打算找一家公司研究一下商业现货器件能不能支持立方星的星间通信和交会操作，当然有关技术也能用于其它类型的卫星。这个项目最早叫做“用于立方星的一体化光学通信与交会传感器”，后来改名叫“光学通信和传感演示验证项目”，简称OCSD。OCSD的空间段是两颗1.5U的立方星，也就是每颗体积为10厘米×10厘米×15厘米。同时，在加利福尼亚州南部的威尔逊山天文台设置了地面接收站。项目的承包商，是一家叫做航天技术有限公司的企业，于是卫星被称作AEROCUBE-OCSD。AEROCUBE意思就是“航天技术有限公司的立方星”。在此之前，这家公司还发射了几种小卫星，都是以AEROCUBE作为前缀。

激光通信的要诀

和射频通信不同的是，激光通信的波束非常非常窄。一般来说，红色激光的波束宽度以微弧度计，而射频/微波波束的角度以弧度计。表一给出了用10厘米直径发射天线发射不同波束的宽度和其他特性。UHF频段的波束几乎无法用来精确对准。近红外激光的理论波束宽度则只有5.5微弧度，在1000千米外的光斑直径也只有5.5米。精确的指向性是远程激光通信的必要条件。

表格中给出了不同频段的特性。经过计算可以发现，如果用一只10厘米孔径的天线来发射，UHF频段完全没有指向性可言，而近红外激光的波束宽度只有5.5微弧度，在1000千米距离上的覆盖区直径只有5.5米，良好的指向性是实现激光星间链路的必要条件。

表1 不同频段的波长、能量与波束宽度

1平方毫米的交会用光学敏感器，左边是阵列，右边是数字信号处理器

AEROCUBE-OCSD的地面主站望远镜

表中的第四列是以电子伏特单位表示的粒子特性。在射频波长上，这些能量实在是太小了，光的量子性几乎可以忽略不计。射频接收机可以检测出0.1毫微微瓦～100毫微微瓦的信号，相当于每个比特有1000万个光子。但优化后的激光接收机可以检测出单个光子。在工程实践中，典型的光学接收机可以通过10个或数百个光子检测出一个比特的信息。

为了工程实现OCSD，作为主承包商的航天技术有限公司与TESAT空间通信公司已经验证了一种通信速率达到5.625吉比特每秒的双向激光通信机。这种通信机的地面段是位于西班牙加纳利群岛特纳里夫岛易扎娜光学地面站上的6.5厘米孔径设备，空间段是搭载于欧空局近场红外实验卫星上的12.5厘米孔径终端。这种空间段设备重35千克，功耗120瓦，体积为0.5米×0.5米×0.6米，发射功率为0.7瓦，波长1064纳米。这台设备的波束宽度约为微弧度，采用万向架指向系统，显然不适于立方星。如果取消万向架，把波束宽度扩大到数百毫弧度，就可以用星体本身的姿态控制系统实现指向，这就能制造出更小、更轻的激光终端。这也可以利用立方星的一些优点，例如转动惯量小，转向机动比较灵活。

在此之前，也曾经有人研制过类似的激光通信设备，例如甚小型光学应答机（VSOTA），是日本RISESAT微卫星上安装的一种单下行式激光通信系统。RISESAT比立方星大得多，质量达到50千克，是一种边长为50厘米的立方体。VSOTA的发射波长有980纳米和1500纳米两种，输出功率分别为540毫瓦和80毫瓦，波束宽度分别为0.2度和0.075度。波束的指向是通过卫星本身的滚动来实现的。卫星本身的正态离散指向精度为0.1度。VSOTA可以在20厘米直径的地面接收终端上实现10兆比特每秒的通信速率。

光学下行信号发生器用来把激光从卫星发射到地面上。小卫星上没有多少供电能力，所以AEROCUBEOCSD采用了低功率调幅激光二极管和两级掺镱光纤放大器，平均输出功率14.7瓦，工作波长1064纳米，功耗88瓦。为了适应1.5U立方星的有限体积，研制人员对激光器进行了高度优化，实际尺寸为1厘米×9厘米×9厘米。需要注意的是，这台激光器不是由太阳电池阵直接供电，而是由一块专用锂电池供电。它可以在60瓦输出功率下持续工作180秒，可以反复充电100次。

反作用飞轮

AEROCUBE-OCSD的地面站成本也相当低，这从它的名称上就能看出来，叫做“移动通信和大气测量站”。主站设在加利福尼亚州，原本是用来跟踪NFIRE航天器的，它的望远镜口径是30厘米，可以用来跟踪低轨道卫星。还有两个辅助站分别设在德克萨斯州和佛罗里达州。

按照测算，按照现有的设计，如果激光波束的半高宽为1.4°，可以实现5兆比特每秒的通信速率，如果缩小到0.5°，可以实现高达50兆比特每秒的通信速率。

精确的姿态控制

OSCD的飞行验证任务要满足两个要求。

地面主站工作原理图

飞行方向与各敏感器的相对位置

立方星的体积很小，一个人用两只手就能围拢住

1．在近地轨道立方星和30厘米直径地面接收终端之间实现5Mbit/s以上的通信速率。

2．验证用商业现货器件实现临近航天器跟踪的能力，这些器件包括自动防撞雷达敏感器和低成本光电鼠标传感器。

那么，设计师打算怎么利用立方星和这些简单而便宜的设备呢？

前文说过，OCSD的空间段由两颗1.5U的卫星组成。这样的卫星都可以用标准的小卫星释放器携带到太空，然后送入预定轨道。为了利于激光通信，设计师还设法改善了姿态控制能力，指向精度可以达到1度以内。

在此之前，航天技术有限公司研制并发射过一种叫做AEROCUBE-4C的卫星，这是一种1U的标准立方星，也就是边长10厘米的标准正方体。比较有特色的一个设计是，它具有可收放的翅膀，可以用来进行滚动控制。这是因为小卫星飞行在近地轨道上，大气虽然稀薄，但还是会对卫星产生一定的阻力。因此，加一对翅膀，就可以主动利用这种阻力来进行姿态控制。星上装有一台精度为20米的GPS接收机，据说指向控制精度可以达到3度。这种可收放翅膀对立方星的姿态控制精度贡献很大。AEROCUBE-4C曾经对着月球拍了一张照片，虽然只是一个遥远的月牙，但对它那台只有200万像素的摄像头来说，已经算不错了。

在后续的立方星中，航天技术有限公司继续不断完善姿态控制技术，在AEROCUBE-5上增加了全三轴磁力计和高精度的微机电速率陀螺。AEROCUBE-6则采取了自旋稳定策略，验证了UHF星间链路技术。这两颗卫星虽然各有各的任务，但是为OCSD任务积累了技术，很多元器件和分系统经过改进可以直接采用。

执行OCSD任务的卫星自然被称作AEROCUBE-OCSD。与前几颗卫星不同的是，AEROCUBE-OCSD装的是一次性打开的翅膀，不能再收回。翅膀的姿态控制与飞行方向之比是4:1，这个概念类似于航空的“升阻比”。加上卫星还装了总冲量为10米每秒的冷气推进系统，足以让两颗AEROCUBE-OCSD实现计划中的交会任务。

一般来说，激光星间链路需要卫星的姿态控制精度保持在1度以内。AEROCUBE-OCSD装有多台太阳敏感器、地球地平线敏感器，可以持续保持对地定向。在太阳没有被地球挡住的时候，也可以保持持续对日定向。AEROCUBE-OCSD采用的地平线敏感器就是一种商业现货，采用4×16像素的面阵，精度达到0.5度。太阳敏感器同样是成熟器件，精度达到0.2度。AEROCUBEOCSD采用了美国霍尼韦尔公司提供的一种磁力计，这将是这种磁力计的第一次飞行。AEROCUBE-4C卫星飞行的时候，人们发现它的锂电池会对磁力计产生干扰，导致了3度的误差。于是在AEROCUBEOCSD上，人们把锂电池设置在距离磁力计尽量远的位置，把它造成的误差控制在1度以内。在一只翅膀上还装了一套磁力计，用来进一步降低星体本身磁场造成的干扰。

交会与绕飞过程

星体设备示意图

注意后方的小月牙，那是AEROCUBE-4C拍摄到的月球

组装中的AEROCUBE-6

可见光相机也可以作为姿态控制敏感器使用。设计人员在AEROCUBE-4C的飞行试验中发现，星上安装的200万像素相机可以用来确认星体相对于地球的指向。而一台16毫米焦距、F2.0光圈的镜头在宇宙中完全可以识别5等星，与相关的图像处理芯片相配合，可以用来判定星体指向，每秒更新一次数据。而利用磁力计等手段，可以有效地缩小可见光相机的搜索范围，加快搜星速度。目前，航天技术有限公司用多种技术相结合，已经实现了0.02°的理论姿态测量精度。

AEROCUBE-OCSD上的最后一类姿态测量手段是上行信标接收机，可以在光学地面站和卫星之间实现闭环的指向控制。卫星上的接收机采用2.5厘米直径的镜头，在镜头前面还有一只10纳米滤波器，可以有效挡住99%的日光以及地球和月球的反光，镜头后方的二极管阵列分成4个象限，通过分析4个象限光电流的不同，就可以测量出两个轴上的角度信息。这个敏感器本身就可以达到0.1°的测量精度。

前面谈了姿态的测量问题，而姿态的控制则采用一组磁扭矩器和一组反作用飞轮，每组各三件。航天技术公司曾经在AEROCUBE-6试飞过一种磁扭矩器，它所产生的扭矩可以提供足够的阻尼，或者给飞轮卸载。而袖珍反作用飞轮在AEROCUBE-4上进行过飞行验证，它的体积只有2.5立方厘米，总角动量为1毫牛米秒，可以实现0.1度的指向精度。

工作过程

验证飞行具体来说要达到这样的参数，首先地面站要在不大于900千米的距离上，在180秒内识别过顶的AEROCUBE-OCSD。考虑到AEROCUBE-OCSD采用500千米高的圆轨道，地面站的视线角会在30度以上。第二步是验证晴好天气下，地面站会不会受阳光干扰而无法分辨出哪个是卫星发射的激光、哪个是阳光。

上面两步完成后，AEROCUBEOCSD的A星和B星将在地面站指令下接收GPS信号，用来精确获知自己的轨道参数，然后发送给地面站。地面站的光学设备根据这些数据来精确跟踪卫星，用计算机生成一张与时刻相对应的卫星方向表。根据测算，只要在两天时间里，对每一圈轨道测定9个点的位置，就可以生成这张表。根据它就可以知道卫星在任何时刻的精确位置，只要进入地面站的视野，光学望远镜根据表内的数据对准天空，就可以和卫星建立起激光通信联系。

交会与绕飞

我们上面所谈的是星地之间的激光通信，两颗卫星之间还要进行交会和绕飞试验。两颗卫星首先要做交会动作，接近到一定程度之后才能互相发射激光照射对方。卫星发射后，从释放器入轨，部署在相距大约200米的轨道上，然后靠GPS确定彼此的相对位置、速度、摩擦力，然后启动冷气推力器，开始相互接近。两颗卫星都要展开翅膀来改变自己的弹道系数，实现相对于飞行方向的姿态改变。

两颗卫星彼此接近后，利用星上的雷达、光学传感器、星敏感器和相机来彼此发现。因为立方星很小，因此雷达的作用距离也很近，只能在200米左右的距离发现对方。可以测定距离、相对速率和偏航角。不但可以用来进行交会操作，也可以为未来的对接试验做技术储备。

光学敏感器的体积也非常小，它的焦平面阵面积只有1平方毫米，采用18×18阵元，结合数字信号处理器，就可以精确感知另一颗卫星发射的激光或对方星体上LED灯的信号，测定相对位置。

按计划，两颗卫星要在10千米远的地方开始交会操作，先利用空气阻力控制法抵达汇合点，彼此接近到两千米距离，然后目标星保持航向，机动星利用推力器和其他姿态控制设备，开始相对接近操作，一边前进一边绕目标星飞行，形成螺旋状的轨道。这一段飞行将持续22小时，期间两者保持200米以上的距离以防碰撞。

到发稿时为止，这两颗小卫星还没有发射升空。不过我们对它们的飞行成果还是挺期待的。