蔣虎,鄧?yán)?/p>

(1.中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院,上海201203;2.上海微小衛(wèi)星工程中心,上海201203;3.中科院上海高等研究院,上海201203)

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量子衛(wèi)星暗空間背景載荷測(cè)試時(shí)段仿真分析

蔣虎1,2,3,鄧?yán)?,2,3

(1.中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院,上海201203;2.上海微小衛(wèi)星工程中心,上海201203;3.中科院上海高等研究院,上海201203)

量子衛(wèi)星上的有些載荷器件對(duì)空間背景光較敏感?？臻g背景光來源主要有地球、月球等。量子衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間,它與月亮、地球等天體相對(duì)位置的變化,使得量子衛(wèi)星工作軌道上空間背景光分布是隨時(shí)間變化的?？紤]了主要空間背景光源的影響,對(duì)量子衛(wèi)星暗空間背景載荷測(cè)試時(shí)段進(jìn)行算例仿真、分析,為量子衛(wèi)星順利開展在軌測(cè)試和實(shí)驗(yàn)提供了技術(shù)支持。

量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星;載荷;仿真;暗空間背景

0 引 言

量子衛(wèi)星是中科院“十二五”空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)型號(hào)任務(wù)之一,其主要科學(xué)目標(biāo)是借助衛(wèi)星平臺(tái),進(jìn)行星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn),以期在空間量子通信實(shí)用化方面取得重大突破;在空間尺度進(jìn)行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn),開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究。量子衛(wèi)星工程由中科院國家空間科學(xué)中心(簡(jiǎn)稱“空間中心”)抓總負(fù)責(zé)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)負(fù)責(zé)科學(xué)目標(biāo)的提出和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的研制;中科院上海微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院(上海微小衛(wèi)星工程中心)抓總研制衛(wèi)星系統(tǒng),中科院上海技術(shù)物理研究所聯(lián)合中國科大研制有效載荷分系統(tǒng);空間中心牽頭負(fù)責(zé)地面支撐系統(tǒng)研制、建設(shè)和運(yùn)行,對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心等單位參加。該衛(wèi)星于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射入軌[1-2]。目前,量子衛(wèi)星在軌測(cè)試工作進(jìn)展順利,衛(wèi)星平臺(tái)測(cè)試和有效載荷測(cè)試均已完成,星地鏈路測(cè)試部分完成,正在進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、優(yōu)化,尋找最佳工作點(diǎn)并已開始積累有效數(shù)據(jù),2016年11月中旬左右將完成全部在軌測(cè)試工作。接著衛(wèi)星將正式交付,開始相關(guān)科學(xué)實(shí)驗(yàn)[3]。量子衛(wèi)星由量子實(shí)驗(yàn)控制與處理機(jī)、量子糾纏源、量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、高速相干激光通信機(jī)和量子載荷溫控儀等載荷組成。量子衛(wèi)星載荷含有單光子探測(cè)器,這個(gè)器件對(duì)可見光噪聲較為敏感。為了確定太空中背景光本底噪聲,量子衛(wèi)星需要安排專門的工況開展暗空間背景環(huán)境下量子載荷測(cè)試和實(shí)驗(yàn)。本文將對(duì)暗空間背景光的來源進(jìn)行分析及仿真,從而給出適合該測(cè)試模式的候選時(shí)段。本文的仿真結(jié)果已經(jīng)在量子衛(wèi)星的在軌測(cè)試中得到應(yīng)用,并被證明是有效的,這為量子衛(wèi)星的在軌測(cè)試的圓滿成功提供了技術(shù)保障。

1 暗空間背景光污染源分析

量子衛(wèi)星的工作軌道高度是500 km的太陽同步軌道,降交點(diǎn)地方時(shí)是0點(diǎn)左右。處于該軌道空間中,衛(wèi)星可能遭遇的可能光污染源有:地球、月球、銀河、其他鄰近地球的行星等。其中主要的光污染源是:地球和月球。圖1示出了量子衛(wèi)星處于某空間位置時(shí)的示意圖,量子衛(wèi)星處于地影區(qū),以慣性姿態(tài)飛行,太陽、月亮位于圖示時(shí)刻的地球另外一側(cè)(光照一側(cè)),量子衛(wèi)星密鑰機(jī)光軸沿著Body_Z軸,圖中左下側(cè)給出了以Body_Z軸為中心,波束角為+/-60°的波束覆蓋天區(qū)。理論上,只要月亮相對(duì)衛(wèi)星的矢量不進(jìn)入以Body_Z軸為中心,波束角為+/-90°的波束覆蓋區(qū),并且衛(wèi)星處于地影區(qū),即可以滿足量子衛(wèi)星開展暗空間背景測(cè)試條件。

圖1 滿足暗空間背景測(cè)試條件的示意圖

2 滿足暗空間背景測(cè)試條件的有效時(shí)段仿真

結(jié)合地面科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)需求,衛(wèi)星總體定期提供量子衛(wèi)星過境光學(xué)地面站為期一個(gè)月的長(zhǎng)期預(yù)報(bào),供科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)劃量子衛(wèi)星在軌測(cè)試或?qū)嶒?yàn)時(shí)使用。暗空間背景測(cè)試也是衛(wèi)星在軌測(cè)試或?qū)嶒?yàn)的一個(gè)測(cè)試模式,因此,需要對(duì)滿足暗空間背景測(cè)試條件的有效時(shí)段進(jìn)行事先仿真,供科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)或測(cè)試規(guī)劃時(shí)使用。以1 Nov 2016 00:00:00.000 UTCG～ 2 Nov 2016 00:00:00.000 UTCG期間為例子,表1示出各約束條件仿真結(jié)果。

表1 某天內(nèi)衛(wèi)星處于地影區(qū)的時(shí)間分布

從仿真數(shù)據(jù)看,在考察的時(shí)間內(nèi),衛(wèi)星+Z軸與衛(wèi)星-地心連線矢量夾角變化范圍為0°～-180°, 其中,衛(wèi)星+Z軸與衛(wèi)星-地心連線矢量夾角處于[90°,180°]區(qū)間的時(shí)間段是滿足可以用來進(jìn)行暗空間背景測(cè)試的其中一個(gè)必要條件,如圖2所示，衛(wèi)星+Z軸與月亮矢量夾角變化曲線可以看出,在考察的時(shí)間內(nèi),月亮不會(huì)進(jìn)入密鑰通信機(jī)視場(chǎng),如圖3所示,綜合考慮月亮、地球等污染光源因素以及衛(wèi)星地影因素,可以得到如下時(shí)間段是滿足所有約束條件的可安排暗空間背景測(cè)試的有效時(shí)間段,如表2所示。

圖2 衛(wèi)星+Z軸與衛(wèi)星-地心連線矢量夾角

圖3衛(wèi)星+Z軸與月亮矢量夾角

表2 暗空間背景測(cè)試有效時(shí)段

從表2可以看出,一天內(nèi)適合進(jìn)行暗空間背景載荷測(cè)試的時(shí)段是比較多的,有十多次機(jī)會(huì),但是實(shí)際每天的測(cè)試機(jī)會(huì)會(huì)因?yàn)樵铝恋闹芷谶\(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化,即必須滿足月光與衛(wèi)星+Z軸保持在不小于90°的約束條件。

3 結(jié)束語

對(duì)量子衛(wèi)星所處空間軌道、月亮、地球等因素的綜合考慮,在量子衛(wèi)星暗空間背景測(cè)試條件約束下進(jìn)行相關(guān)因素的仿真計(jì)算,得到了考察時(shí)間段內(nèi),可以供科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)選擇的暗空間背景測(cè)試的有效時(shí)段。截至2016年12月底,量子衛(wèi)星的在軌測(cè)試已經(jīng)圓滿結(jié)束,該仿真方法在衛(wèi)星在軌測(cè)試中得到了應(yīng)用與驗(yàn)證,為有效開展量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了必要的技術(shù)支撐。

[1] 任霄鵬. 世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功[EB/OL].(2016-08-16)〔2016-10-20〕. http://www.cas.cn/zt/kjzt/lzwx/zxdt/201608/t20160817-4571496.shtml.

[2] 華夏.外媒熱議中國成功發(fā)射世界首顆量子衛(wèi)星[EB/OL].(2016-08-16)〔2016-10-20〕.http://news.xinhuanet.com/world/2016-08/16/c-129233554.htm.

[3] 任霄鵬.量子衛(wèi)星階段性成果發(fā)布:在軌測(cè)試進(jìn)展順利[EB/OL]. (2016-10-12)〔2016-10-20〕.http://www.cas.cn/zt/kjzt/lzwx/zxdt/201610/t20161013-4577656.shtml.

Simulation of Candidate Time Intervals Suitable for QUESS Payload Calibration in Dark Space Background

JIANG Hu1,2,3,DENG Lei1,2,3

(1.ShanghaiEngineeringCenterforMicrosatellites,Shanghai201203,China; 2.MicrosatellitesInnovationInstitute,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201203,China; 3.ShanghaiAdvancedResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201203,China)

Payload of QUESS is sensitive to space background light. During payload testing, the time intervals should be singled out beforehand in order to make a successful QUESS payload calibration. Background light is mainly due to the Earth, the Moon, and so forth. QUESS orbiting in space, its relative positions varies with respect to the positions of the Moon and the Earth. To prevent from pollutions of background light, some time intervals should be carefully singled out during the QUESS payload calibrations. Therefore, some time intervals are simulated suitable to make QUESS payload calibrations. It has shown that such a research has led to much successful QUESS payload calibration in-orbit, which is key to QUESS experiments in orbit.

QUESS; payload; simulation; dark background space

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.003

2017-02-17

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0012-04

蔣虎 (1969-),男,博士,研究員,現(xiàn)主要研究領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星總體技術(shù),衛(wèi)星軌道分析與設(shè)計(jì)。

鄧?yán)?(1976-),男,博士,副研究員,現(xiàn)主要研究領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星總體技術(shù),載荷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

聯(lián)系人: 蔣虎 E-mail: hh9999ca@163.com