CN107856888A - 星地双光路对准系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种星地双光路对准系统，包括：量子纠缠源，用于生成处于纠缠状态的纠缠光子；量子密钥通信机，从所述量子纠缠源获取所述纠缠光子，与地面上的第一接收站建立量子光信道并将获取的所述纠缠光子中的单个光子发射到所述第一接收站；量子纠缠发射机，从所述量子纠缠源获取所述纠缠光子，与地面上的第二接收站建立量子光信道，并将获取的所述纠缠光子中的单个光子发射到地面上的所述第二接收站。本发明包括量子密钥通信机和量子纠缠发射机两个量子通信设备，星地对准精度较高，给出了量子科学实验卫星的总体设计构架功能及性能指标设计等，为开展国际首次大空间尺度的量子科学实验奠定坚实的技术基础。

Description

星地双光路对准系统
技术领域
本发明涉及空间技术技术领域，特别是涉及卫星设备技术领域，具体为一种星地双光路对准系统。
版权申明
本专利文件披露的内容包含受版权保护的材料。该版权为版权所有人所有。版权所有人不反对任何人复制专利与商标局的官方记录和档案中所存在的该专利文件或者该专利披露。
背景技术
目前，一般飞行器与地面站的捕获或对准通常采用无线电或可见光手段，通常指向精度并不高，约0.3～0.5度左右。这种精度下，只需采取经典的方法即可实现。作为世界首颗量子科学实验卫星，它要求星地对准精度达到3.5u弧度，因此我们需要设计一种高精度的星地双光路对准系统，以满足量子科学实验卫星开展有效的量子通信需求，同时确保卫星在轨实验的有效性。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的实施例的目的在于提供一种星地双光路对准系统，用来解决星地高速量子通信过程中星地光路对准问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明的实施例提供一种星地双光路对准系统，装设于卫星本体上，所述星地双光路对准系统包括：量子纠缠源，用于生成处于纠缠状态的纠缠光子；量子密钥通信机，从所述量子纠缠源获取所述纠缠光子，与地面上的第一接收站建立量子光信道并将获取的所述纠缠光子中的单个光子发射到所述第一接收站；量子纠缠发射机，从所述量子纠缠源获取所述纠缠光子，与地面上的第二接收站建立量子光信道，并将获取的所述纠缠光子中的单个光子发射到地面上的所述第二接收站。
于本发明的一实施例中，所述卫星本体包含呈阶梯状的支撑架、分别设置于所述支撑架底部、中部和顶部的底板、中层板和顶板。
于本发明的一实施例中，所述量子密钥通信机与地面上的所述接收站之间传输的信息流、所述量子纠缠发射机与地面上的所述接收站之间传输的信息流均包括测量和控制卫星工作的测控信息流、向卫星上传和下载指定数据的数传信息流；其中；所述测控信息流至少包括：卫星轨道测量数据、卫星状态遥测数据、卫星工作模式控制数据、卫星时间管理数据以及卫星运行工程参数数据；所述数传信息流包括从卫星下载的载荷实验数据、工程遥测数据和卫星轨道数据，向卫星上传的载荷指令数据。
于本发明的一实施例中，所述星地双光路对准系统还包括：姿控系统，用于控制所述卫星本体的指向、所述量子密钥通信机和所述量子纠缠发射机对地面所述接收站的光轴的捕获、瞄准和跟踪。
于本发明的一实施例中，所述姿控系统根据卫星本体的工作模式形成三种指向模式：对地定向、对日定向和对地面接收站定向的对站定向。
于本发明的一实施例中，所述姿控系统配合所述量子密钥通信机与地面上的所述接收站进行信道链路效率定标、载荷发散角扫描、载荷精跟踪定标点标定以及星地偏振基矢对准标定中的一种或多种。
于本发明的一实施例中，所述姿控系统配合量子纠缠发射机与地面上的所述第二接收站进行信道链路效率定标、载荷发散角扫描、载荷精跟踪定标点标定、星地偏振基矢对准标定、全系统偏振对比度测试的一种或多种。
于本发明的一实施例中，所述量子纠缠源、所述量子密钥通信机和所述量子纠缠发射机分别装设于所述中层板上；其中所述量子密钥通信机探出于所述顶板的表面。
于本发明的一实施例中，所述星地双光路对准系统还包括：装设于所述中层板上的量子实验控制与处理机，采用冷热备份模式，分别与所述量子纠缠源、所述量子密钥通信机、所述量子纠缠发射机相连，用于控制所述量子纠缠源工作，并向所述量子密钥通信机和所述量子纠缠发射机发送指令数据并从所述量子密钥通信机和所述量子纠缠发射机采集所述量子密钥通信机和所述量子纠缠发射机接收到的数据。
于本发明的一实施例中，所述星地双光路对准系统还包括：装设于所述中层板上且与所述量子密钥通信机紧邻的激光通信机，所述激光通信机与所述量子密钥通信机进行激光通信并与所述量子实验控制与处理机相连，从所述量子实验控制与处理机接收控制指令，并将从所述量子密钥通信机接收到的数据传输至所述量子实验控制与处理机。
于本发明的一实施例中，所述量子纠缠源分别通过光纤接口与所述量子密钥通信机、所述量子纠缠发射机相连；所述量子密钥通信机通过光纤接口与所述激光通信机相连；所述量子密钥通信机和所述量子纠缠发射机采用同步光光纤接口相连。
于本发明的一实施例中，所述星地双光路对准系统还包括：装设于所述底板和所述中层板之间的量子密钥通信机的电控箱、量子纠缠发射机的电控箱、USB应答机以及装设于所述中层板上的激光通信机的电控箱。
于本发明的一实施例中，所述星地双光路对准系统还包括：分别与所述量子纠缠源、所述量子密钥通信机和所述量子纠缠发射机相连装设于所述底板上的载荷温控仪。
于本发明的一实施例中，所述星地双光路对准系统还包括：装设于所述底板上与所述量子实验控制与处理机相连的星务计算机、装设于中层板上用于数据双向传输的至少一个数传通信机。
于本发明的一实施例中，所述星地双光路对准系统还包括：与所述星务计算机相连的热控模块；所述热控模块包括热敏测温电阻和热管。
于本发明的一实施例中，所述星地双光路对准系统还包括：装设于底板上的电池供电模块和电源控制器。
于本发明的一实施例中，所述星地双光路对准系统还包括：装设于所述底板和所述中层板之间的微波网络模块和微波开关。
于本发明的一实施例中，所述卫星本体的两侧分别设有太阳板翼，各所述太阳板翼分别有可收拢或延伸打开的至少两块相连的太阳能基板组成。
于本发明的一实施例中，所述星务计算机控制卫星的工作模式，即待机模式、通信模式、科学实验模式以及安全模式。
于本发明的一实施例中，在待机模式下，所述姿控系统处于对日定向，所述量子实验控制与处理机和所述载荷温控仪处于开机状态，所述量子密钥通信机、所述量子纠缠发射机以及量子纠缠源处于关机状态。
于本发明的一实施例中，在通信模式下，所述姿控系统处于Z轴对地定向，所述量子实验控制与处理机和所述载荷温控仪处于开机状态，所述量子密钥通信机、所述量子纠缠发射机以及量子纠缠源处于关机状态；所述数传通信机对地数据通信。
于本发明的一实施例中，在科学实验模式下，所述姿控系统处于对站定向，所述量子实验控制与处理机和所述载荷温控仪处于开机状态，所述量子密钥通信机、所述量子纠缠发射机以及量子纠缠源根据不同实验任务数据选择开机或关机状态。
于本发明的一实施例中，在卫星出现故障或所述姿控系统出现故障时，所述星务计算机控制卫星处于安全模式；所述量子实验控制与处理机、所述载荷温控仪处于开机状态，所述量子密钥通信机、所述量子纠缠发射机以及量子纠缠源处于关机状态；所述姿控系统处于对日定向模式，以获取足够的太阳能量。
于本发明的一实施例中，所述量子纠缠源生成的所述纠缠光子包含诱骗态纠缠光子和高亮度纠缠态纠缠光子。
于本发明的一实施例中，所述姿控系统包括星敏感器探头、太阳敏感器探头、天线、磁强计探头、磁力矩器、光纤陀螺。
于本发明的一实施例中，所述星敏感器探头为两个，分别以一定倾斜角度装设于所述底板的内表面上并探出所述支撑架。
于本发明的一实施例中，所述星敏感器探头分别沿Y轴背对设置且向下倾斜与Z轴的夹角为30°～35°，向X轴方向倾斜20°～25°。
于本发明的一实施例中，所述姿控系统还包括装设于所述底板和所述中层板之间、分别与各所述星敏感器探头相连的星敏线路盒。
于本发明的一实施例中，所述太阳敏感器探头为三个，其中两个所述太阳敏感器探头装设于所述底板的外表面上且位置与所述星敏感器探头对应，另外一个所述太阳敏感器探头装设于所述顶板的外表面。
于本发明的一实施例中，装设于所述底板的外表面上的两个所述太阳敏感器探头指向背离所述底板的外表面的Z轴方向，装设于所述顶板的外表面的所述太阳敏感器指向背离所述顶板的外表面的Z轴方向。
于本发明的一实施例中，所述姿控系统还包括装设于所述底板和所述中层板之间、分别与各所述太阳敏感器探头相连的太阳敏感器线路盒。
于本发明的一实施例中，所述天线包括数传天线、GPS天线以及测控天线；其中，所述底板的外表面和所述顶板的外表面上分别装设有所述数传天线、所述GPS天线以及所述测控天线。
于本发明的一实施例中，所述测控系统还包括装设于所述底板和所述中层板之间的GPS接收机。
于本发明的一实施例中，所述磁强计探头装设于所述顶板的外表面。
于本发明的一实施例中，所述姿控系统还包括装设于所述底板和所述中层板之间、分别与所述磁强计探头和所述磁力矩器相连的磁组件线路盒。
于本发明的一实施例中，所述光纤陀螺装设于所述底板和所述中层板之间。
于本发明的一实施例中，所述遥控终端装设于所述底板和所述中层板之间。
于本发明的一实施例中，所述磁力矩器为两个，分别沿Y轴方向装设于所述中层板上。
于本发明的一实施例中，所述姿控系统还包括装设于底板上的飞轮。
于本发明的一实施例中，所述飞轮包括斜装飞轮和沿Z轴方向装设的飞轮。
如上所述，本发明的星地双光路对准系统具有如下有益效果：
本发明包括量子密钥通信机和量子纠缠发射机两个量子通信设备，星地对准精度较高，给出了量子科学实验卫星的总体设计构架功能及性能指标设计等，为开展国际首次大空间尺度的量子科学实验奠定坚实的技术基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1显示为本发明的星地双光路对准系统在一实施例中的整体原理结构示意图。
图2显示为本发明的星地双光路对准系统的外部结构示意图。
图3显示为本发明的星地双光路对准系统展开时的外部结构示意图。
图4显示为本发明的星地双光路对准系统内部的整体结构示意图。
图5显示为本发明的星地双光路对准系统待机模式下数据流示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明的实施例的目的在于提供一种星地双光路对准系统，用来解决星地高速量子通信过程中星地光路对准问题。以下将详细阐述本发明的星地双光路对准系统的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本发明的星地双光路对准系统。
本发明的实施例提供一种星地双光路对准系统，如图1所示，所述星地双光路对准系统装设于卫星本体上，所述星地双光路对准系统包括：量子纠缠源10，量子密钥通信机20和量子纠缠发射机30，量子实验控制与处理机40以及星务计算机50。
于本实施例中，所述量子纠缠源10用于生成处于纠缠状态的纠缠光子；于本实施例中，所述量子纠缠源10生成的所述纠缠光子包含诱骗态纠缠光子和高亮度纠缠态纠缠光子。
于本实施例中，所述量子密钥通信机20从所述量子纠缠源10获取所述纠缠光子，与地面上的第一接收站建立量子光信道并将获取的所述纠缠光子中的单个光子发射到所述第一接收站；
于本实施例中，所述量子纠缠发射机30从所述量子纠缠源10获取所述纠缠光子，与地面上的第二接收站建立量子光信道，并将获取的所述纠缠光子中的单个光子发射到地面上的所述第二接收站。
于本实施例中，所述量子密钥通信机20与地面上的所述接收站之间传输的信息流、所述量子纠缠发射机30与地面上的所述接收站之间传输的信息流均包括测量和控制卫星工作的测控信息流、向卫星上传和下载指定数据的数传信息流；其中；所述测控信息流至少包括：卫星轨道测量数据、卫星状态遥测数据、卫星工作模式控制数据、卫星时间管理数据以及卫星运行工程参数数据；所述数传信息流包括从卫星下载的载荷实验数据、工程遥测数据和卫星轨道数据，向卫星上传的载荷指令数据。
星地信息流主要包括测控信息流与数传信息流两部分。
1)测控信息流，测控信息流主要包括以下功能：
A)对卫星测定轨并上注轨道数据；
B)卫星(包含载荷状态)状态遥测；
C)对卫星和载荷的工作模式进行遥控切换；
D)卫星系统时间管理；
E)卫星所需的相关参数、数据注入。
2)数传信息流，数传信息流主要包括以下功能：
A)卫星过境时，下传载荷科学数据、工程遥测及轨道数据等；
B)卫星过境时，根据需要上传载荷科学数据。
卫星本体上各设备之间的信息流主要包括三种类型：数据信息、控制信息和状态信息。
数据信息包括通过以下接口传输的数据：高频接口，RS422异步接口、三线OC门同步串口接口(简称三限制接口)、三线LVDS同步串口接口(简称LVDS接口)，卫星CAN总线和载荷CAN总线。
控制信息主要包括单机开关控制的数字量(简称数字量)和控制磁力矩器的电压模拟量(简称模拟量)。
状态信息主要包括表征开关状态数字量(简称数字量)和表征单机或部件工作是否正常的电压值(简称模拟量)。
各载荷单机和部分平台单机通过CAN总线和星务计算机50通信，其它单机通过独立接口线(RS422，模拟信号及TTL等接口)和星务计算机50通信。
于本实施例中，所述卫星本体呈长方型，内部承力为板式结构，－Z面是卫星长期光照面。
根据卫星的构型、电池片的贴片面积及星外仪器的外形尺寸，所述卫星本体的尺寸为：
发射状态：
本体尺寸1330mm×1330mm×1137mm(X×Y×Z)；
包络尺寸1593.5mm×1729mm×1753mm(X×Y×Z)。
在轨飞行状态：
包络尺寸1593.5mm×6632mm×1753mm(X×Y×Z)。
综合考虑载荷和各天线的指向要求、姿态测量部件以及载荷设备的视场需求，星内设备安装要求和设备散热需求来布局星内外的仪器设备。
具体地，于本实施例中，如图2和图3所示，所述卫星本体包含呈阶梯状的支撑架80、分别设置于所述支撑架80底部、中部和顶部的底板803、中层板804和顶板805。
于本实施例中，如图2和图3所示，所述卫星本体的两侧分别设有太阳板翼：第一太阳板翼801和第二太阳板翼802，各所述太阳板翼分别有可收拢或延伸打开的至少两块相连的太阳能基板组成。
太阳板翼采用双翼展开形式，每翼三块基板组成。发射时，如图2所示，太阳板翼收拢压紧在卫星本体的±Y面上，卫星入轨后沿±Y向展开，如图3所示。
于本实施例中，如图4所示，所述量子纠缠源10、所述量子密钥通信机20和所述量子纠缠发射机30分别装设于所述中层板804上，其中所述量子密钥通信机20探出于所述顶板805的表面，既降低了发射时的力学载荷又便于载荷的安装和调试。
于本实施例中，所述星地双光路对准系统还包括：姿控系统，用于控制所述卫星本体的指向、所述量子密钥通信机20和所述量子纠缠发射机30对地面所述接收站的光轴的捕获、瞄准和跟踪。
具体地，于本实施例中，所述姿控系统包括星敏感器探头、太阳敏感器探头90、天线、磁强计探头104、磁力矩器107、光纤陀螺：包括第一光纤陀螺114和第二光纤陀螺110。
于本实施例中，所述磁强计探头104装设于所述顶板805的外表面；所述光纤陀螺114装设于所述底板803和所述中层板804之间；所述磁力矩器107为两个，分别沿Y轴方向装设于所述中层板804上。
于本实施例中，所述星敏感器探头为两个，分别以一定倾斜角度装设于所述底板803的内表面上并探出所述支撑架80。所述星敏感器探头布置在底板803内侧，遮光罩伸出星外，采用支架安装以保证沿±Y向且往-Z方向上翘35度往+X偏20度。
具体地，所述星敏感器探头分别沿Y轴背对设置且向下倾斜与Z轴的夹角为30°～35°，向X轴方向倾斜20°～25°。
于本实施例中，所述姿控系统还包括装设于所述底板803和所述中层板804之间、分别与各所述星敏感器探头相连的星敏线路盒。
于本实施例中，所述太阳敏感器探头90为三个，其中两个所述太阳敏感器探头90装设于所述底板803的外表面上且位置与所述星敏感器探头对应，另外一个所述太阳敏感器探头90装设于所述顶板805的外表面。
即两个所述太阳敏感器探头90布置于底板803外侧指向-Z，另外一个所述太阳敏感器探头90布置于顶板805指向+Z向。
于本实施例中，装设于所述底板803的外表面上的两个所述太阳敏感器探头90指向背离所述底板803的外表面的Z轴方向，装设于所述顶板805的外表面的所述太阳敏感器指向背离所述顶板805的外表面的Z轴方向。
于本实施例中，所述姿控系统还包括装设于所述底板803和所述中层板804之间、分别与各所述太阳敏感器探头90相连的太阳敏感器线路盒109。
于本实施例中，所述天线包括数传天线101、GPS天线103以及测控天线102；其中，所述底板803的外表面和所述顶板805的外表面上分别装设有所述数传天线101、所述GPS天线103以及所述测控天线102。
于本一实施例中，所述测控系统还包括装设于所述底板803和所述中层板804之间的GPS接收机。
于本实施例中，所述姿控系统还包括装设于所述底板803和所述中层板804之间、分别与所述磁强计探头104和所述磁力矩器107相连的磁组件线路盒。
于本实施例中，还包括遥控终端，装设于所述底板803和所述中层板804之间。
于本实施例中，所述姿控系统还包括装设于底板803上的飞轮108。所述飞轮108包括斜装飞轮和沿Z轴方向装设的飞轮。
于本实施例中，所述姿控系统根据卫星本体的工作模式形成三种指向模式：对地定向、对日定向和对地面接收站定向的对站定向。
于本实施例中，所述姿控系统配合所述量子密钥通信机20与地面上的所述接收站进行信道链路效率定标、载荷发散角扫描、载荷精跟踪定标点标定以及星地偏振基矢对准标定中的一种或多种。
于本实施例中，所述姿控系统配合量子纠缠发射机30与地面上的所述第二接收站进行信道链路效率定标、载荷发散角扫描、载荷精跟踪定标点标定、星地偏振基矢对准标定、全系统偏振对比度测试的一种或多种。
于本实施例中，所述星地双光路对准系统还包括：装设于所述中层板804上的量子实验控制与处理机40，所述量子实验控制与处理机40可以包括两个：第一量子实验控制与处理机401和第二量子实验控制与处理机402。量子实验控制与处理机40采用冷热备份模式，分别与所述量子纠缠源10、所述量子密钥通信机20、所述量子纠缠发射机30相连，用于控制所述量子纠缠源10工作，并向所述量子密钥通信机20和所述量子纠缠发射机30发送指令数据并从所述量子密钥通信机20和所述量子纠缠发射机30采集所述量子密钥通信机20和所述量子纠缠发射机30接收到的数据。
于本实施例中，所述星地双光路对准系统还包括：装设于所述中层板804上且与所述量子密钥通信机20紧邻的激光通信机70，所述激光通信机70与所述量子密钥通信机20进行激光通信并与所述量子实验控制与处理机40相连，从所述量子实验控制与处理机40接收控制指令，并将从所述量子密钥通信机20接收到的数据传输至所述量子实验控制与处理机40。激光通信机70包括激光通信机光机主体701和激光通信机的电控箱702。
其中，于本实施例中，所述量子纠缠源10分别通过光纤接口与所述量子密钥通信机20、所述量子纠缠发射机30相连；所述量子密钥通信机20通过光纤接口与所述激光通信机70相连；所述量子密钥通信机20和所述量子纠缠发射机30采用同步光光纤接口相连。
于本实施例中，所述星地双光路对准系统还包括：装设于所述底板803和所述中层板804之间的量子密钥通信机的电控箱202、量子纠缠发射机的电控箱、USB应答机以及装设于所述中层板804上的激光通信机70的电控箱。所述量子密钥通信机20包括量子密钥通信机的光机主体201和量子密钥通信机的电控箱202。所述量子纠缠发射机30包括量子纠缠发射机的光机主体301和量子纠缠发射机的电控箱(图4中未示出)。
于本实施例中，所述星地双光路对准系统还包括：分别与所述量子纠缠源10、所述量子密钥通信机20和所述量子纠缠发射机30相连装设于所述底板803上的载荷温控仪(图中未示出)。
于本实施例中，所述星务计算机50装设于所述底板803上与所述量子实验控制与处理机40相连、至少一个数传通信机60装设于中层板804上用于数据双向传输。
于本实施例中，所述星地双光路对准系统还包括：与所述星务计算机50相连的热控模块；所述热控模块包括热敏测温电阻和热管。
于本实施例中，所述星地双光路对准系统还包括：装设于底板803上的电池供电模块和电源控制器。
于本实施例中，所述星地双光路对准系统还包括：装设于所述底板803和所述中层板804之间的微波网络模块和微波开关112。
于本实施例中，如图5所示，所述星务计算机50控制卫星的工作模式，即待机模式、通信模式、科学实验模式以及安全模式。所以本实施例中，卫星在轨运行期间，根据整星状态和工作内容划分，共有：待机模式、通信模式、科学实验模式、安全模式共4种模式。
于本施例中，在待机模式下，所述姿控系统处于对日定向，所述量子实验控制与处理机40和所述载荷温控仪处于开机状态，所述量子密钥通信机20、所述量子纠缠发射机30以及量子纠缠源10处于关机状态。
即在待机模式下，卫星姿态保持对日定向，载荷除量子实验控制处理机和载荷温控仪开机外，载荷温控仪温控设置为正常温度，其余载荷单机均为关机状态，数传通信机60加电，功放关闭。
于本实施例中，在通信模式下，所述姿控系统处于Z轴对地定向，所述量子实验控制与处理机40和所述载荷温控仪处于开机状态，所述量子密钥通信机20、所述量子纠缠发射机30以及量子纠缠源10处于关机状态；所述数传通信机60对地数据通信。
即在通信模式下，卫星姿态维持+Z轴对地定向，载荷除量子实验控制处理机和载荷温控仪开机外，载荷温控仪温控设置为正常温度，其余载荷单机均为关机状态，数传通信机60加电，功放开机工作，进行对地数据通信。
于本实施例中，在科学实验模式下，所述姿控系统处于对站定向，所述量子实验控制与处理机40和所述载荷温控仪处于开机状态，所述量子密钥通信机20、所述量子纠缠发射机30以及量子纠缠源10根据不同实验任务数据选择开机或关机状态。
即在科学实验模式下，根据导引律姿控进行对站跟踪指向，载荷单机根据不同实验任务由注入指令控制开关机状态，载荷温控仪维持正常温度控温，数传通信机60加电，接收科学数据，并存放于大容量存储单元，功放关闭。
于本实施例中，在卫星出现故障或所述姿控系统出现故障时，所述星务计算机50控制卫星处于安全模式；所述量子实验控制与处理机40、所述载荷温控仪处于开机状态，所述量子密钥通信机20、所述量子纠缠发射机30以及量子纠缠源10处于关机状态；所述姿控系统处于对日定向模式，以获取足够的太阳能量。
当卫星出现故障、姿态指向故障等的情况下，通过自主或遥控方式进入安全模式。在该模式下，载荷单机除实验控制与处理机和载荷温控仪开机外其余单机关机，载荷温控仪维持存储温度，数传通信机60开机。当有能源不足进入减载模式或者星务计算机50进入最小模式时，关闭除载荷温控仪外的其余载荷单机，载荷温控仪维持存储温度，数传通信机60关机。星务计算机50、USB应答机和GPS开机，姿控分系统进行太阳捕获，然后对太阳形成偏置定向，保证星上能源供应。当地面遥控卫星退出安全模式后，姿控保持偏置动量或转换成零动量再建立工作姿态。
为完成科学实验任务，量子卫星有效载荷具有15种工作模式，支持多种在轨定标和量子科学实验项目，有效载荷工作模式定义与各模式支持与科学实验项目如表1所示。
表1有效载荷工作模式定义与各模式支持与科学实验项目
于本实施例中，卫星采用星务计算机50集中管理的方式实现整星功能。GPS接收机、电源控制器、数传通信机60、量子实验控制与处理机40、载荷温控仪与星务计算机50采用CAN总线通信，其它单机或分系统通过独立接口线(RS422，AD、DA、OC及TTL等接口)和星务计算机50通信；实验控制与处理机通过总线传递遥测遥控等管理信息，通过LVDS接口传递载荷数据，共同完成量子实验载荷单机的管理和数据处理。
卫星经过环境试验、专项试验等考核，确定整星技术状态和指标符合性如表2所示。
表2整星功能测试结果符合性
表3整星主要技术指标符合性
作为星地双光路对准系统的组成部分，我们在国内选取了5个光学地面站，分别为西藏阿里，新疆南山，青海德令哈，北京兴隆，云南丽江等，其中南山-德令哈，德令哈-丽江可以分别组成两组双站来开展量子科学实验双站观测。各站站坐标见表4。
表4光学地面站坐标
综上所述，本发明包括量子密钥通信机和量子纠缠发射机两个量子通信设备，星地对准精度较高，给出了量子科学实验卫星的总体设计构架功能及性能指标设计等，为开展国际首次大空间尺度的量子科学实验奠定坚实的技术基础。所以本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (40)

1.一种星地双光路对准系统，其特征在于，装设于卫星本体上，所述星地双光路对准系统包括：
量子纠缠源，用于生成处于纠缠状态的纠缠光子；
量子密钥通信机，从所述量子纠缠源获取所述纠缠光子，与地面上的第一接收站建立量子光信道并将获取的所述纠缠光子中的单个光子发射到所述第一接收站；
量子纠缠发射机，从所述量子纠缠源获取所述纠缠光子，与地面上的第二接收站建立量子光信道，并将获取的所述纠缠光子中的单个光子发射到地面上的所述第二接收站。
2.根据权利要求1所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述卫星本体包含呈阶梯状的支撑架、分别设置于所述支撑架底部、中部和顶部的底板、中层板和顶板。
3.根据权利要求1所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述量子密钥通信机与地面上的所述接收站之间传输的信息流、所述量子纠缠发射机与地面上的所述接收站之间传输的信息流均包括测量和控制卫星工作的测控信息流、向卫星上传和下载指定数据的数传信息流；其中；
所述测控信息流至少包括：卫星轨道测量数据、卫星状态遥测数据、卫星工作模式控制数据、卫星时间管理数据以及卫星运行工程参数数据；
所述数传信息流包括从卫星下载的载荷实验数据、工程遥测数据和卫星轨道数据，向卫星上传的载荷指令数据。
4.根据权利要求2所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述星地双光路对准系统还包括：姿控系统，用于控制所述卫星本体的指向、所述量子密钥通信机和所述量子纠缠发射机对地面所述接收站的光轴的捕获、瞄准和跟踪。
5.根据权利要求4所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述姿控系统根据卫星本体的工作模式形成三种指向模式：对地定向、对日定向和对地面接收站定向的对站定向。
6.根据权利要求5所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述姿控系统配合所述量子密钥通信机与地面上的所述接收站进行信道链路效率定标、载荷发散角扫描、载荷精跟踪定标点标定以及星地偏振基矢对准标定中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述姿控系统配合量子纠缠发射机与地面上的所述第二接收站进行信道链路效率定标、载荷发散角扫描、载荷精跟踪定标点标定、星地偏振基矢对准标定、全系统偏振对比度测试的一种或多种。
8.根据权利要求2所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述量子纠缠源、所述量子密钥通信机和所述量子纠缠发射机分别装设于所述中层板上；其中所述量子密钥通信机探出于所述顶板的表面。
9.根据权利要求2所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述星地双光路对准系统还包括：装设于所述中层板上的量子实验控制与处理机，采用冷热备份模式，分别与所述量子纠缠源、所述量子密钥通信机、所述量子纠缠发射机相连，用于控制所述量子纠缠源工作，并向所述量子密钥通信机和所述量子纠缠发射机发送指令数据并从所述量子密钥通信机和所述量子纠缠发射机采集所述量子密钥通信机和所述量子纠缠发射机接收到的数据。
10.根据权利要求9所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述星地双光路对准系统还包括：装设于所述中层板上且与所述量子密钥通信机紧邻的激光通信机，所述激光通信机与所述量子密钥通信机进行激光通信并与所述量子实验控制与处理机相连，从所述量子实验控制与处理机接收控制指令，并将从所述量子密钥通信机接收到的数据传输至所述量子实验控制与处理机。
11.根据权利要求10所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述量子纠缠源分别通过光纤接口与所述量子密钥通信机、所述量子纠缠发射机相连；所述量子密钥通信机通过光纤接口与所述激光通信机相连；所述量子密钥通信机和所述量子纠缠发射机采用同步光光纤接口相连。
12.根据权利要求10所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述星地双光路对准系统还包括：装设于所述底板和所述中层板之间的量子密钥通信机的电控箱、量子纠缠发射机的电控箱、USB应答机以及装设于所述中层板上的激光通信机的电控箱。
13.根据权利要求9所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述星地双光路对准系统还包括：分别与所述量子纠缠源、所述量子密钥通信机和所述量子纠缠发射机相连装设于所述底板上的载荷温控仪。
14.根据权利要求13所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述星地双光路对准系统还包括：装设于所述底板上与所述量子实验控制与处理机相连的星务计算机、装设于中层板上用于数据双向传输的至少一个数传通信机。
15.根据权利要求14所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述星地双光路对准系统还包括：与所述星务计算机相连的热控模块；所述热控模块包括热敏测温电阻和热管。
16.根据权利要求14所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述星地双光路对准系统还包括：装设于底板上的电池供电模块和电源控制器。
17.根据权利要求14所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述星地双光路对准系统还包括：装设于所述底板和所述中层板之间的微波网络模块和微波开关。
18.根据权利要求16所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述卫星本体的两侧分别设有太阳板翼，各所述太阳板翼分别有可收拢或延伸打开的至少两块相连的太阳能基板组成。
19.根据权利要求14所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述星务计算机控制卫星的工作模式，即待机模式、通信模式、科学实验模式以及安全模式。
20.根据权利要求19所述的星地双光路对准系统，其特征在于，在待机模式下，所述姿控系统处于对日定向，所述量子实验控制与处理机和所述载荷温控仪处于开机状态，所述量子密钥通信机、所述量子纠缠发射机以及量子纠缠源处于关机状态。
21.根据权利要求19所述的星地双光路对准系统，其特征在于，在通信模式下，所述姿控系统处于Z轴对地定向，所述量子实验控制与处理机和所述载荷温控仪处于开机状态，所述量子密钥通信机、所述量子纠缠发射机以及量子纠缠源处于关机状态；所述数传通信机对地数据通信。
22.根据权利要求19所述的星地双光路对准系统，其特征在于，在科学实验模式下，所述姿控系统处于对站定向，所述量子实验控制与处理机和所述载荷温控仪处于开机状态，所述量子密钥通信机、所述量子纠缠发射机以及量子纠缠源根据不同实验任务数据选择开机或关机状态。
23.根据权利要求19所述的星地双光路对准系统，其特征在于，在卫星出现故障或所述姿控系统出现故障时，所述星务计算机控制卫星处于安全模式；所述量子实验控制与处理机、所述载荷温控仪处于开机状态，所述量子密钥通信机、所述量子纠缠发射机以及量子纠缠源处于关机状态；所述姿控系统处于对日定向模式，以获取足够的太阳能量。
24.根据权利要求1所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述量子纠缠源生成的所述纠缠光子包含诱骗态纠缠光子和高亮度纠缠态纠缠光子。
25.根据权利要求4所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述姿控系统包括星敏感器探头、太阳敏感器探头、天线、磁强计探头、磁力矩器、光纤陀螺。
26.根据权利要求25所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述星敏感器探头为两个，分别以一定倾斜角度装设于所述底板的内表面上并探出所述支撑架。
27.根据权利要求26所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述星敏感器探头分别沿Y轴背对设置且向下倾斜与Z轴的夹角为30°～35°，向X轴方向倾斜20°～25°。
28.根据权利要求25至27任一权利要求所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述姿控系统还包括装设于所述底板和所述中层板之间、分别与各所述星敏感器探头相连的星敏线路盒。
29.根据权利要求25所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述太阳敏感器探头为三个，其中两个所述太阳敏感器探头装设于所述底板的外表面上且位置与所述星敏感器探头对应，另外一个所述太阳敏感器探头装设于所述顶板的外表面。
30.根据权利要求26所述的星地双光路对准系统，其特征在于，装设于所述底板的外表面上的两个所述太阳敏感器探头指向背离所述底板的外表面的Z轴方向，装设于所述顶板的外表面的所述太阳敏感器指向背离所述顶板的外表面的Z轴方向。
31.根据权利要求25、29或30所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述姿控系统还包括装设于所述底板和所述中层板之间、分别与各所述太阳敏感器探头相连的太阳敏感器线路盒。
32.根据权利要求25所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述天线包括数传天线、GPS天线以及测控天线；其中，所述底板的外表面和所述顶板的外表面上分别装设有所述数传天线、所述GPS天线以及所述测控天线。
33.根据权利要求32所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述测控系统还包括装设于所述底板和所述中层板之间的GPS接收机。
34.根据权利要求25所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述磁强计探头装设于所述顶板的外表面。
35.根据权利要求25所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述姿控系统还包括装设于所述底板和所述中层板之间、分别与所述磁强计探头和所述磁力矩器相连的磁组件线路盒。
36.根据权利要求25所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述光纤陀螺装设于所述底板和所述中层板之间。
37.根据权利要求25所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述遥控终端装设于所述底板和所述中层板之间。
38.根据权利要求25所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述磁力矩器为两个，分别沿Y轴方向装设于所述中层板上。
39.根据权利要求25所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述姿控系统还包括装设于底板上的飞轮。
40.根据权利要求39所述的星地双光路对准系统，其特征在于，所述飞轮包括斜装飞轮和沿Z轴方向装设的飞轮。
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