量子卫星暗空间背景载荷测试时段仿真分析

蒋虎,邓雷

(1.中科院微小卫星创新研究院,上海201203;2.上海微小卫星工程中心,上海201203;3.中科院上海高等研究院,上海201203)



量子卫星暗空间背景载荷测试时段仿真分析

蒋虎1,2,3,邓雷1,2,3

(1.中科院微小卫星创新研究院,上海201203;2.上海微小卫星工程中心,上海201203;3.中科院上海高等研究院,上海201203)

量子卫星上的有些载荷器件对空间背景光较敏感。空间背景光来源主要有地球、月球等。量子卫星在轨运行期间,它与月亮、地球等天体相对位置的变化,使得量子卫星工作轨道上空间背景光分布是随时间变化的。考虑了主要空间背景光源的影响,对量子卫星暗空间背景载荷测试时段进行算例仿真、分析,为量子卫星顺利开展在轨测试和实验提供了技术支持。

量子科学实验卫星;载荷;仿真;暗空间背景

0 引 言

量子卫星是中科院“十二五”空间科学先导专项型号任务之一,其主要科学目标是借助卫星平台,进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子密钥网络实验,以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破;在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验,开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。量子卫星工程由中科院国家空间科学中心(简称“空间中心”)抓总负责。中国科学技术大学负责科学目标的提出和科学应用系统的研制;中科院上海微小卫星创新研究院(上海微小卫星工程中心)抓总研制卫星系统,中科院上海技术物理研究所联合中国科大研制有效载荷分系统;空间中心牵头负责地面支撑系统研制、建设和运行,对地观测与数字地球科学中心等单位参加。该卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心成功发射入轨[1-2]。目前,量子卫星在轨测试工作进展顺利,卫星平台测试和有效载荷测试均已完成,星地链路测试部分完成,正在进行参数调整、优化,寻找最佳工作点并已开始积累有效数据,2016年11月中旬左右将完成全部在轨测试工作。接着卫星将正式交付,开始相关科学实验[3]。量子卫星由量子实验控制与处理机、量子纠缠源、量子密钥通信机、量子纠缠发射机、高速相干激光通信机和量子载荷温控仪等载荷组成。量子卫星载荷含有单光子探测器,这个器件对可见光噪声较为敏感。为了确定太空中背景光本底噪声,量子卫星需要安排专门的工况开展暗空间背景环境下量子载荷测试和实验。本文将对暗空间背景光的来源进行分析及仿真,从而给出适合该测试模式的候选时段。本文的仿真结果已经在量子卫星的在轨测试中得到应用,并被证明是有效的,这为量子卫星的在轨测试的圆满成功提供了技术保障。

1 暗空间背景光污染源分析

量子卫星的工作轨道高度是500 km的太阳同步轨道,降交点地方时是0点左右。处于该轨道空间中,卫星可能遭遇的可能光污染源有:地球、月球、银河、其他邻近地球的行星等。其中主要的光污染源是:地球和月球。图1示出了量子卫星处于某空间位置时的示意图,量子卫星处于地影区,以惯性姿态飞行,太阳、月亮位于图示时刻的地球另外一侧(光照一侧),量子卫星密钥机光轴沿着Body_Z轴,图中左下侧给出了以Body_Z轴为中心,波束角为+/-60°的波束覆盖天区。理论上,只要月亮相对卫星的矢量不进入以Body_Z轴为中心,波束角为+/-90°的波束覆盖区,并且卫星处于地影区,即可以满足量子卫星开展暗空间背景测试条件。

图1 满足暗空间背景测试条件的示意图

2 满足暗空间背景测试条件的有效时段仿真

结合地面科学应用系统需求,卫星总体定期提供量子卫星过境光学地面站为期一个月的长期预报,供科学应用系统规划量子卫星在轨测试或实验时使用。暗空间背景测试也是卫星在轨测试或实验的一个测试模式,因此,需要对满足暗空间背景测试条件的有效时段进行事先仿真,供科学应用系统进行科学实验或测试规划时使用。以1 Nov 2016 00:00:00.000 UTCG～ 2 Nov 2016 00:00:00.000 UTCG期间为例子,表1示出各约束条件仿真结果。

表1 某天内卫星处于地影区的时间分布

从仿真数据看,在考察的时间内,卫星+Z轴与卫星-地心连线矢量夹角变化范围为0°～-180°, 其中,卫星+Z轴与卫星-地心连线矢量夹角处于[90°,180°]区间的时间段是满足可以用来进行暗空间背景测试的其中一个必要条件,如图2所示，卫星+Z轴与月亮矢量夹角变化曲线可以看出,在考察的时间内,月亮不会进入密钥通信机视场,如图3所示,综合考虑月亮、地球等污染光源因素以及卫星地影因素,可以得到如下时间段是满足所有约束条件的可安排暗空间背景测试的有效时间段,如表2所示。

图2 卫星+Z轴与卫星-地心连线矢量夹角

图3卫星+Z轴与月亮矢量夹角

表2 暗空间背景测试有效时段

从表2可以看出,一天内适合进行暗空间背景载荷测试的时段是比较多的,有十多次机会,但是实际每天的测试机会会因为月亮的周期运动而发生变化,即必须满足月光与卫星+Z轴保持在不小于90°的约束条件。

3 结束语

对量子卫星所处空间轨道、月亮、地球等因素的综合考虑,在量子卫星暗空间背景测试条件约束下进行相关因素的仿真计算,得到了考察时间段内,可以供科学应用系统选择的暗空间背景测试的有效时段。截至2016年12月底,量子卫星的在轨测试已经圆满结束,该仿真方法在卫星在轨测试中得到了应用与验证,为有效开展量子科学实验提供了必要的技术支撑。

[1] 任霄鹏. 世界首颗量子科学实验卫星发射成功[EB/OL].(2016-08-16)〔2016-10-20〕. http://www.cas.cn/zt/kjzt/lzwx/zxdt/201608/t20160817-4571496.shtml.

[2] 华夏.外媒热议中国成功发射世界首颗量子卫星[EB/OL].(2016-08-16)〔2016-10-20〕.http://news.xinhuanet.com/world/2016-08/16/c-129233554.htm.

[3] 任霄鹏.量子卫星阶段性成果发布:在轨测试进展顺利[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

蒋虎 (1969-),男,博士,研究员,现主要研究领域为卫星总体技术,卫星轨道分析与设计。

邓雷 (1976-),男,博士,副研究员,现主要研究领域为卫星总体技术,载荷系统设计。

联系人: 蒋虎 E-mail: hh9999ca@163.com