轻小型量子跟踪仪接收望远镜

随着量子保密通信网络及产业化发展,轻小型化接收望远镜满足量子跟踪仪规模化和便携式的多应用场景需求。对满足接收望远镜的技术体制进行了对比分析,确定了RC+小像元+量子模块的光学系统形式,采用小F数+微小像元的技术体制。设计了全铝一体化结构的φ280量子跟踪仪接收望远镜,F5的RC望远镜采用RSA-6061微晶铝合金作为反射镜的结构材料,配合一体化硬铝合金高刚性结构,静力学(重力变形和温度变形)仿真分析结果满足近衍射极限成像和高效率量子接收要求,动力学仿真分析结果表明,一阶模态为91 Hz,具有足够高的动态刚度和安全冗余。集成测试结果表明:望远镜的中心视场波像差RMS为λ/14.7,5个视场系统波像差均优于λ/12.7,可以确保近衍射极限高质量信标成像,奈奎斯特频率处的光学传递函数为0.15;HV+-四个偏振态的平均偏振对比度为454,全系统效率为51.93%,可以高质量接收量子密钥;-25℃和+30℃外场恒星成像实验验证了系统可以稳定、高质量提取质心用于脱靶量闭环;与“墨子号”星地量子密钥分发实验成码为92.9 kb,误码率为1.18%,能够实现高效率量子接收。

星地量子跟踪仪的跟瞄控制系统

星地量子通信传输距离长,卫星与地面存在相对运动,提高了对量子跟踪仪的跟踪性能要求。为了提高星地量子通信的跟踪精度,降低量子通信的误码率,本文对量子跟踪仪的跟瞄控制系统展开研究,并对影响跟踪精度的总扰动进行补偿。首先,介绍了星地量子通信链路、量子通信过程及其影响因素。接着,搭建了量子跟踪仪的运动数学模型。基于跟踪仪的数学模型,设计并提出自抗扰模型预测控制算法;针对模式切换问题,提出了分数阶跟踪微分器以优化轨迹减小超调。根据与“墨子号”卫星进行量子通信的实验结果:分数阶跟踪微分器对模式切换后的目标捕获速度提高了22%,提出的自抗扰模型预测控制相比于传统的PI控制有更强的抗扰动能力,削弱了俯仰换向的脱靶量尖峰,跟踪精度达到2.9″,提高了量子偏振数据接收量,总误码率降低到1.18%。本文提出的控制算法能够进一步提高量子跟踪仪的跟踪精度,降低了误码率,满足星地量子通信的精度要求。