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微小卫星激光通信系统(CLICK-B/C)
作者：孙旭
求真影像技术研究室研一成员
概述
美国麻省理工学院 MIT、佛罗里达大学UF和美国航空航天局（NASA）联合研制的 CLICK 系统，用于验证星间、星地激光通信。CLICK-B/C 系统包括光学和电子学两部分，终端上半部分为光学系统，下半部分电子学系统，外形尺寸为1.5（96mm×96mm×147mm）。激光终端采用卫星作为粗指向机构（CPA），利用星历数据解算卫星开环粗指向。精指向机构（FPA）是快速反射镜。
CLICK终端设计中采用信标光和信号光，粗跟信标光收发分立设计，信标光发散角全角为 22.2mrad（1/e2），发射功率为250mW，信标光接收分为两部分，分别为粗跟位置解算和精跟位置解算两个支路。其中：粗跟解算支路使用分立镜头，型号为 Aptina MT9P031，其通光口径为16.1mm，利用CMOS面阵探测器解算光斑位置，信标光精跟位置解算支路用四象限探测器作为位置传感器，与信号光收发支路共用开普勒10倍缩束望远系统，通光口径为20mm，利用微机电快反镜作为 FPA，空间光缩束后，经由近红外/短波红外分色片和短波红外1537/1563nm分色片共分为3个光学支路，分别是信标光精跟位置解算支路，信号光发射支路和通信支路。在信标光精跟支路和信号光通信支路上装有相应谱段的窄带滤光片。信号光发散角全角120.2μrad（1/e2），发射功率为200mW。通信支路利用200μm空间靶面APD作为探测器。
图1 CLICK激光终端布局
图2 CLICK激光原理框图
CLICK-B/C有效载荷
CLICK-B和-C立方体卫星设计用于演示光通信相互之间的交叉链接以及到PorTeL的下行链接。设计了两种有效载荷实现在25公里范围内的交联通信速率至少为每小时20兆比特到580公里。每个有效载荷也有一个用于光学的芯片原子钟(CSAC)时间传输使测距能力优于50厘米(1.6纳秒)。两个有效载荷几乎相同，唯一的区别是它们的波长发送和接收。
CLICK-B/C有效载荷约为1.5U。有效载荷电流最佳估计质量大约1700克。CLICK-B/C载荷在机械设计上不同于CLICK-B/C用于安装光学装置的有效载荷。CLICK-B/C有效载荷使用一个专门的光学工作台，用于安装所有的光学设计，不像CLICK-A其中光学工作台也作为主要结构。专用光学追求长凳有两个原因。
首先，它更容易对准光学上的光学，当光学工作台可以从载重结构上拆下时。第二，光学工作台的热隔离有助于减少热弹性位移。其余的机械设计是相当类似的CLICK-A与电子坐在安装光学工作台的板下面。光放大器和电子学安装在这个板的下面。有前面和后面的板安装中间板。前面和后面的板也作为安装位置的轨道沿着有效载荷的角。轨道与CLICK-A非常相似设计和用于与承载它们的航天器总线接口和连接CLICK-B/C负载。与CLICK-A的另一个区别是添加了电子元素载荷后面的板子。安装在背板和FPGA之间板是一个散热器，设计用于从FPGA板吸收热量有效载荷的后板。
CLICK-B/C有效负载在两个不同的波长上运行，以启用全双工交联。CLICK-B有效载荷在1537nm和CLICK-C发射有效载荷在1563nm发射。有两个波长的原因与满有关双工操作和有效负载接收过滤器。如果有效载荷都在发射接收到1550nm的光，它就会自我污染，并很可能探测到光它产生。当试图从另一个有效载荷接收时，这就成为了一个问题，它也可以在1550nm处发射;接收有效载荷将无法区分它发射的光和它从另一个有效载荷接收的光。
为了防止这种情况，每个有效载荷在距离中心频率13nm处工作1550nm。有了适当的滤波器和激光源，CLICK-B有效载荷发射波长为1537nm，接收波长为1563nm，而CLICK-C负载发射在1563nm处接收1537nm处。这种光的调制目前正在进行中从最初的计划修改。
最初的计划是用同样的激光FBG成立为CLICK-A，但人们发现博通公司不是生产1611F050和1611F017激光器所需的时间更长。由于这次采购挑战，有效载荷的调制结构目前正在更新到使用可用的组件。CLICK-B/C使用相同的掺铒光纤放大器作为CLICK-A。EDFA后的预期光功率在左右200兆瓦。CLICK-B/C的光学布局比CLICK-A更加复杂。光在光串中的运动轨迹覆盖CLICK-B/C光学工作台CAD的顶部。在CLICK&2a中，有一个976nm上行信标，从PorTeL光学传输地面站，用于协调指向有效载荷。对于CLICK-B/C有效载荷，每个有效载荷对其他有效载荷都有自己的976nm信标能够精确地指向对方。信标激光束散度大比用于通信的激光更大。较大的光束散度意味着有效载荷更容易看到，因此更容易关闭粗线指收购。有效载荷有相同的摄像头和镜头用于CLICK-A任务，用于信标的粗略采集。
摄像机和镜头的视野大，有效载荷能告诉航天器如何调整它的指向指向另一个有效载荷基于这个信标摄像机是感应的。一旦粗采集关闭，就使用下一组光学。光学的发射和接收部分由一个有望远镜的望远镜开始英寸的孔。望远镜的第一个透镜(L1)将光聚焦到正过a的地方望远镜上有针孔。还有另一个视点(L2)用来聚焦离开望远镜的光照射到正交光电二极管(四单元)上。这个传感器用来确定信标光点的位置。在光离开之后L2，光从一个FSM上反射出来这个FSM用来精确定位有效载荷，类似于CLICK-A的指向系统。反射FSM后，976通过望远镜接收到的毫微米的光被设计用来反射的滤光片反射信标的976nm波长和通过交联的1550nm波长另一个有效载荷。976nm的信标光然后击中正交光电二极管来确定FSM是如何影响它反射的光的交联∼1550nm的光通过第一个滤光片，然后击中第二个滤光片设计用于通过从另一个有效载荷接收的交联光，同时反射当前的有效载荷是透射光。一旦收到交联∼1550nm的光通过第二个滤光片，它击中另一个透镜(L3)，使光聚焦在雪崩光电二极管(APD)上。APD用于感知接收到的信号然后输入电子设备进行解调。有效载荷发射的光从发射准直器(Tx)离开光纤，并从第二准直器反射过滤器。传输的光然后通过光链返回到外部有效载荷。
与CLICK-A有效负载一样，CLICK-B/C有效负载都是托管的蓝色峡谷科技公司的XB3飞船巴士此总线提供粗有效载荷的指向以及功率和传统射频通信链路到地面指挥和控制。它还提供射频通信交联以协调两颗卫星之间的光学传输实验。CLICK-B/C有效载荷和航天器之间的接口几乎与CLICK-A相同。
CLICK-B/C任务也被选为立方体卫星学生发射计划(cssli)的一部分，但航天器的确切火箭和轨道将被安置到哪里还有待确定。预计立方体卫星将是通过典型的立方体卫星部署器部署到太空中。部署后，计时器启动45分钟，然后打开航天器并展开太阳能电池板。一次在有效载荷投入使用之前，航天器将处于安全模式。一旦CLICK-B/C进入轨道，有效载荷将被配置为差动阻力配置。这就改变了卫星的朝向飞船的速度矢量。
将一个卫星设置为具有较高阻力的方向，另一个设置为阻力较低的方向使彼此之间形成相对的分离。这对于确保建立适当的链路距离，25公里到580公里，以测试交联能力有效载荷的。一旦在选定的分离点，有效载荷将尝试与相互沟通。首先，建立一个射频交联来交易蜉蝣数据，则尝试进行光交联。每个有效载荷也能够与便携式光学地面站通信。
本期未完，下期见
求真微语
人生就有许多这样的奇迹，看似比登天还难的事，有时轻而易举就可以做到，其中的差别就在于非凡的信念。
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编辑 | 田少乾
初审 | 蒋青芳
终审 | 耿同同
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