背景介紹

隨著低軌衛星互聯網的發展，星間激光通信作為(wei) 實現高速、低延遲數據傳(chuan) 輸的關(guan) 鍵技術，正逐漸成為(wei) 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麵臨(lin) 更大的挑戰。其中，頻繁的星間接入與(yu) 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(yu) 維持能力。

為(wei) 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裏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(yu) 穩鏈能力，成為(wei) 當前激光通信係統研究的關(guan) 鍵方向。指向誤差修正技術，是解決(jue) 這一問題的核心技術手段。通過恒星標校和星間標校結合，有望顯著提升係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(yu) 控製，支撐未來大規模星座係統的高性能運行。

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，提出了一種基於(yu) 參數尋優(you) 的激光通信終端指向在軌快速標校方案。該方案綜合應用複雜的坐標係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(you) 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。修正後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(wei) 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，實現了同軌道麵上衛星之間最小指向誤差為(wei) 0.10 mrad，最大0.95 mrad，平均誤差為(wei) 0.46 mrad，如圖2（a）所示；異軌道麵衛星之間最小指向誤差為(wei) 0.01 mrad，最大1.46 mrad，平均誤差為(wei) 0.51 mrad，如圖2（b）所示，在軌驗證結果與(yu) 最後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後，指向殘差約為(wei) 0.5 mrad，平均捕獲時間從(cong) 最初大於(yu) 8 min減小到小於(yu) 15 s，最大不超過30 s，與(yu) 國內(nei) 其它在軌建鏈驗證試驗（θ_FOU＜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）同軌道麵；（b）異軌道麵

從(cong) 修正後的指向誤差驗證數據可知，同軌道麵衛星間的指向精度總體(ti) 上優(you) 於(yu) 異軌道麵衛星間，這與(yu) 軌道特性相吻合，同軌道麵建鏈，電機的動態範圍小，指向也更加精確；異軌道麵間的建鏈，動態範圍更大，需要修正的方位、俯仰電機指向位置也更廣。同時，這兩(liang) 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、軌道外流對於(yu) 衛星艙板的形變等多方麵因素所引起的。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(chuan) 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(yu) 展望

在後續工作中，團隊將聚焦於(yu) 高精度指向實時修正模型的建立與(yu) 優(you) 化，進一步將係統指向殘差從(cong) 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(wei) 基於(yu) 激光星間鏈路的衛星互聯網建設提供關(guan) 鍵技術支撐。