【德令哈科大望远镜。】
华西都市报记者探访量子卫星地面望远镜系统研发团队
我国自主研发的首颗量子通信卫星“墨子号”已顺利升空。
卫星升空后，如何跨越时空距离，和地面望远镜找到彼此？地面设备又如何精准捕捉卫星信号，实现天地间对话？作为量子激光通信系统的核心组成部分，中科院光电所研制的地面望远镜，正是通过发射信标光准确覆盖量子卫星，并快速捕获高精度跟踪星上信标光，从而搭建地星之间稳定的“对话通道”。8月17日，华西都市报记者走进中科院光电研究所，采访了成都“智造”地面望远镜系统研发团队。
空地光路对接 依靠直径不到5毫米激光光束
跨越遥远距离的卫星和望远镜如何实现对接“握手”？
实现空地牵手对话，首先要实现空地光路对接。用一个形象的比喻说，就像两个东西都在黑暗里面，通过事先设计好的轨道和准确的望远镜的天文指向，来建立一个链路，然后相互的发射信号过来，完成一个通信。
中科院光电技术研究所副研究员、量子科学实验卫星望远镜分系统副主任设计师贺东表示，卫星从地面站上空经过的时候，地面站将发射一束直径不到5毫米的激光光束覆盖卫星所在区域。卫星接收到信标光后，反馈一束信标光给地面站，随后地面站根据卫星返回的激光信号进行捕获跟踪，光路对接任务就算完成，此时卫星就可以与地面进行既定的各种测试。“让地面望远镜发现卫星，卫星看见地面望远镜。”贺东说，首先找得到彼此，实现光路对接，这也是实现空地对话的第一步。
见抓得准“针尖对麦芒式”跟踪
对“墨子号”升空后，将在500公里的近地轨道以每秒7.9公里的速度划过天际，通过每一个接收点的空域时间大约只有五分钟左右。
由于不是同步卫星，这颗量子卫星将以椭圆轨道绕地球飞行，这就表示，对每一个接收点来说，一天就只有一次机会和卫星进行通信连接，所以每一次的机会都弥足珍贵。
如何看得见，还能抓得准？贺东表示，星地光路对准是量子同时实验任务的难点之一，这种光子的发射与接收，是真正的“针尖对麦芒”，其相当于瞄准一个500公里外的目标射击，最终的误差不能超过50厘米，而且靶子还是移动的。
“没法对准，就没法通信。”贺东表示，卫星的位置是个绝对位置，我们望远镜的绝对指向能力精度也非常高。一个表盘360度，其中一份就是一度。将一度分成3600份，3600分之一度，就是一个角秒，我们的指向精确度技术是一个角秒，达到这样的精度，在国内国际都是最高的。
“对准之后，卫星上的信号发射回来要抓得稳。”贺东进一步解释说，这就要求跟踪精度要非常高。打个比方，假设手电筒的光能照到500公里外，我们的技术可以实现光斑晃动小于50厘米，这样的跟踪精度可见一斑。“当然，由于不可见光，在捕捉光波的时候还要保证波段和和方向不被改变。这样才能确保后期对信号处理的精确性。”
成都女掌门领衔“地空对话”技术
8月16日凌晨1点多，“墨子号”在酒泉卫星发射基地成功升空。黄永梅是现场见证人之一，卫星顺利升空的那一瞬间，她悬着许久的心终于落地。
“星地量子通信地面光学通信终端系统的研制和试验”项目2013年立项，2015年下半年完成安装调试。过去两年半时间，中科院光电所投入20人团队，在河北兴隆、青海德令哈、云南丽江、新疆南山，研制和改造了四台直径一米以上的观测望远镜，主要完成星地量子密钥分发实验、星地量子纠缠实验、星地相干激光通信实验等。作为量子卫星地面望远镜系统技术总指挥，也是团队唯一一位女掌门，黄永梅已经记不得自己在这四个量子通信地面站往返了多少次。
17日，华西都市报记者和黄永梅进行了对话。
华西都市报：“墨子号”顺利升空了，现在心情怎么样？
黄永梅：发射成功后，当天就搭乘飞机回了成都。我们团队以80后居多，过去几年付出了很多努力。首先是，四个点位都是在海拔3000米以上，条件相对困难，对于身体的挑战很大。其次，有些点位是新建的，团队为了设备安装调试加班加点，经常是工作到凌晨三四点，每天持续工作18个小时，非常辛苦。
华西都市报：目前有没有捕捉到卫星的信号？
黄永梅：卫星升空之后，按照规划，前三个月内，属于在轨测试期，不一定做通讯或者其他的试验任务，三个月以后做大量的常规工作。当然，如果条件允许，我们会尽快启动实验项目。目前尚没有捕捉到星上的信号，预计三天之后，地面望远镜或将获取到来自墨子号卫星的轨道信号，实现对卫星的首次跟踪。
华西都市报：量子卫星实验，实用的空间有多大？
黄永梅：量子很热，实用化的可能非常大，特别是量子密钥实验。
在我们的四个地面通信站中，河北兴隆和新疆的南山目前已经布局了光纤。从地域上讲，兴隆和南山不可能通过地面光纤实现量子保密通讯。但是通过卫星将兴隆站和南山站建立起密钥连接，可以实现两地的保密通信。
解密
关键部件手工研磨精度是头发丝的三十分之一
外表通体白色，安静地伫立在悬臂上，望着远方，就像一只充满好奇的眼睛。这个就是光电研究所研发的地面望远镜。不同于一般的天文望远镜，这台直径达1米以上、重达10多吨的“大家伙”，其量子光保偏、通光效率以及跟踪精度等均处于国际先进水平。
量子实验很复杂，对实验设备的要求也异乎寻常的高。在中科院光电所精密机械制造中心，项目工艺主管钱静告诉记者，不包括螺钉螺母等标准件，一台望远镜的机械零部件大概有300多件。卫星升空后，地面设备必须对它进行“针尖对麦芒”跟踪和对准，这对望远镜的很多关键部件要求很高，其中就包括关键部件——轴承环轴。
地面设备为了达到精准，主要是依靠望远镜轴线的回转精度和垂直方向偏摆精度。回转精度，靠轴承环的平面度等来完成。目前，光电所的技术，可以实现水平方向的轴承环，平面精度达到0.003毫米。垂直方向跟踪的精度，通过同轴孔同轴度来保证的，精度可达到0.005毫米。
这个精度是什么概念？钱静解释说，一根头发丝是0.07毫米，这个的精度是头发丝的二十分之一到三十分之一。特别值得一提的是，望远镜所需要的轴承环是通过研磨的方式加工的。其中，很大一部分是手工研磨。“轴承环研制，从最初的图纸到加工最后完成，大概要半年多。”钱静说。
华西都市报记者 张想玲
