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光电跟瞄系统在空间光通信领域的应用

星网VS星链

作为马斯克的杰作,星链技术更目前低轨卫星通讯领域的翘楚。尤其是俄乌战争发挥的作用,让全世界都为之动容。
 

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作为世界第二大经济体的中国,在太空技术比肩欧美俄的今天,发展近地轨道技术也是迫在眉睫,根据目前的报道,中国已向国际电信联盟(ITU)提交了布局1.3万颗低轨卫星的申请。最终实现以“星网”国家队主导卫星互联网,民营企业主导卫星物联网,互相配合、优势互补、融合发展,积极推进和地基移动通讯网、地基物联网、北斗等的融合,为低轨道通信卫星的发展创造新的优势,打开低轨卫星通导遥一体化广阔市场,提供全球性多维动态综合时空服务。
 

 

截至目前,我国在低轨卫星互联网星座建设方面由“国家队”推出了“鸿雁星座”、“虹云工程”、“星网工程”等计划并相继成功发射,这标志着我国低轨宽带互联网卫星系统建设迈出实质性的一步,将进一步带动低轨卫星通信产业的增长。
 

由于我们在航天领域的独立自主性,中国“星网”比之美国“星链”有更大的优势,其一更加安全。因为中国的部署轨道更低,可以很好的解决碰撞、干扰等问题,减少信号传输时间和路径损耗,提供更快、更准确的导航定位服务,最终提高“星网”系统的稳定性和可靠性。其二,我们的火箭回收技术日趋成熟,这将大大提高发射成本效益。
 

空间光通信技术
 

星网或星链在星与星之间、星与基站之间往往采用激光通信技术,即将语言、文字、数据、图像等信息以激光作为载体,从一个平台发射,由另一个平台接收,从而实现信息传递的功能。


 

激光通信有通讯容量大、保密性强、结构轻便、设备经济的优点,但不同波长的激光在大气中有不同的衰减,容易受近地3000米左右的大气影响,但可以通过多星多链的方式来解决这个问题,因此将成为未来通讯方式的主流。就概念而论,上千公里都可以对准,大气传输光学线路非常简单,即用发射机将激光束发射到接收机即可。
 

光电跟瞄系统
 

卫星间要进行可靠的通信链路,其关键技术是实现对光信号的瞄准、捕获和跟踪(Pointing,Acquisition and Tracking,简称PAT)。由于卫星间的信号传输光束束宽窄、传输距离长,所以对卫星光通信PAT系统的控制精度要求远高于对卫星微波通信系统的要求。所以这就对精瞄系统提出了较高精度要求,如果精瞄系统的精度和工作带宽达不到相应的要求就会导致通信链路的失败。

在卫星光通信精瞄系统中,实现高精度的光束控制是核心问题,目前所采用的控制工具主要是基于压电、音圈原理的超高精度快反镜(Fast steering mirror, FSM)。
 


 

卫星光通信光学系统示意图
 
在这套微纳角度定位技术中,入射光经快反镜驱动的反射镜片反射,从而实现重复定位精度达到微弧度级的角度偏转,同时由外部传感器回传的脱靶量与快反镜构成光闭环系统,构建了这套实时、高速、超远距离的PAT跟瞄系统。
 
在激光通信的PAT系统中,对快反镜的指标要求往往会有比较大的差异;重庆巅慧科技有限公司在超精密定位技术领域有近20年的技术积累,分别在PZT压电陶瓷及驱动控制技术、音圈电机模组及驱动控制技术、电容位移传感及调制解调技术等领域有大量的实际应用经验和技术储备;因此,巅慧科技在激光通讯领域根据应用场景的不同,定制设计各种不同标准的微纳定位系统,乃至于实现整套PAT解决方案都成为了可能。
 

 
超高精度压电快反镜FSM-230.02
 



 

型号: FSM-230.02
口径: 20mm-30mm
执行器: 压电
运动轴数: 2轴
控制方式: 开/闭环
镜面运动角度: ≥±1.5mrad
重复定位精度: 0.5μrad(多次测量RMS)
闭环响应带宽: ≥1kHz (3dB带宽)
阶跃响应时间: 5ms
 

 
大口径压电快反镜FSM-250.02
 
 


 

型号: FSM-250.02
口径: φ50.8mm*10mm
执行器: 压电
运动轴数: 2轴
控制方式: 开/闭环
镜面运动角度: ≥±1.5mrad
重复定位精度: 1.5μrad(RMS)
闭环响应带宽: ≥1kHz (3dB带宽)
阶跃响应时间: 5ms
 

 
 
大角度音圈快反镜FSM-720.02
 


 

型号: FSM-720.02
口径: φ20mm
执行器: 音圈
运动轴数: 2轴
控制方式: 闭环
镜面运动角度: ±1.5°
重复定位精度: ≤1″
闭环响应带宽: ≤600Hz@25urad(带载)
非线性: ≤0.02%
 

 
 
大口径音圈快反镜FSM-750/760/770/780.02
 



 

型号: FSM-750/760/770/780.02
口径: φ50mm-φ80mm
执行器: 音圈
运动轴数: 2轴
控制方式: 闭环
镜面运动角度: ±0.5°
重复定位精度: ≤5μrad
闭环响应带宽: ≥200Hz @±0.1mrad
阶跃响应时间: 2ms
 

 
 
 
超高精度电容位移传感器