專利名稱：一種空地激光通信中的超前瞄準方法
技術領域：
本發(fā)明涉及空間激光通信跟蹤瞄準技術，具體涉及ー種空地激光通信星上終端的超前瞄準(即Point Ahead)方法，可用于跟蹤狀態(tài)下星上終端通信光的超前預指向。
背景技術：
空間激光通信相比其他經典通信方式具備系統(tǒng)體積小，通信速率高及保密性好等優(yōu)點，但為了提高通信距離并減少系統(tǒng)資源消耗，通信光的發(fā)散角一般接近于發(fā)射衍射極限(μ rad量級)。在相對運動的兩個激光通信終端間，光束空間傳輸產生的時間延遲使得跟蹤出現滯后偏差，該偏差隨著終端間相對速度的増大、通信光發(fā)散角的減小而影響愈嚴重，甚至使得終端間通信鏈路不能正常建立。根據兩個相對運動通信終端的位置和速度，我們可以計算出通信光束應當如何偏離跟蹤方向進行發(fā)射，使得光束經過傳輸后剛好覆蓋接收終端，這就是超前貓準(Point Ahead)。 在眾多通信終端中，超前瞄準的實現是在通信光路中加入獨立的超前瞄準系統(tǒng)，由GPS數據、姿態(tài)數據以及當前光路狀態(tài)進行超前瞄準角計算，通過超前瞄準執(zhí)行機構驅動反射鏡偏轉實現通信光的超前瞄準；為了獲得較高的執(zhí)行精度，往往在通信光路中加入光電探測器監(jiān)視通信光的偏轉角度(如LCE終端)，或監(jiān)測通信光相對于信標光的偏轉角度(如LUCE終端)。這類方法有以下不利影響I)使用了獨立的超前瞄準系統(tǒng)，増加了星上終端的重量和系統(tǒng)復雜度，増加了星上資源的消耗，同時還使得整個系統(tǒng)的可靠性降低；2)考慮到當前星上激光器輸出功率有限，于通信光路中加入監(jiān)視器，分離了部分通信光功率，使得真正用于通信的通信光功率有限，降低了整個通信鏈路的性能。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供ー種空地激光通信中星上終端的超前瞄準(Point Ahead)方法，解決使用獨立超前瞄準系統(tǒng)帶來的資源消耗大、系統(tǒng)復雜和損失通信光功率的問題。本發(fā)明的技術思路已知WGS-84坐標系中地面站位置、衛(wèi)星的位置和速度，根據伽利略相対速度原理，可以得到慣性坐標系J2000. O下地面站相對于衛(wèi)星的位置矢量和速度矢量；通過坐標轉換，最終可將其轉換到儀器坐標系中表示，并且從這兩個向量可獲知超前瞄準時信標光偏離通信光的角度和方向。精跟蹤相機5-1探測器上各點對應于儀器坐標系中的跟蹤方向，并且在光電ニ維轉臺6轉角確定的情況下該對應關系是確定的；探測器上兩點的位置矢量，其模對應向量間的夾角，其方向表征了向量間的偏離方向。通過地面同軸標定，跟蹤模式下標定點(X(l，y0)對應通信光的出射方向；跟蹤點——信標光成像光斑的質心點，對應信標光入射的逆方向。已知信標光相對通信光的偏離方向和角度，可以得到信標光的像斑質心位置，即精跟蹤系統(tǒng)的跟蹤中心。將該跟蹤中心輸入精跟蹤系統(tǒng)5用于閉環(huán)控制，當精跟蹤相機5-1的輸出坐標值與給定的跟蹤中心一致時，通信光則沿著超前瞄準的方向出射。精跟蹤相機5-1探測器上點與儀器坐標系中方向向量的關系如圖I所示。本發(fā)明基于包括GPS系統(tǒng)I、姿態(tài)測量系統(tǒng)2的衛(wèi)星平臺和包括轉臺轉角測量系統(tǒng)
з、超前瞄準計算模塊4、精跟蹤系統(tǒng)5、光電ニ維轉臺6的通信終端實現。衛(wèi)星和通信終端具體組成如圖2所示。GPS系統(tǒng)I每隔Λ t時間可提供星上終端在WGS-84坐標系中的位置坐標；姿態(tài)測量系統(tǒng)2可提供衛(wèi)星平臺固定坐標系XjbZb相對于軌道質心坐標系的角度偏差偏航角V、滾動角貨以及俯仰角θ。轉臺轉角測量系統(tǒng)3可提供光電ニ維轉臺6俯仰軸轉動角度α和方位軸轉動角度β，間接表征光電ニ維轉臺6中望遠鏡6-1、反射鏡6-2,6-3, 6-4和6_5于坐標系XiYiZi中的姿態(tài)；超前瞄準計算模塊4根據GPS系統(tǒng)I、姿態(tài)測量系統(tǒng)2和轉臺轉角測量系統(tǒng)3的數據，計算實現超前瞄準時精跟蹤系統(tǒng)5所需的動態(tài)跟蹤中心。精跟蹤系統(tǒng)5對給定的跟蹤中心進行跟蹤精跟蹤控制模塊5-5將超前瞄準計算模塊4提供的動態(tài)跟蹤中心與精跟蹤相機5-1的當前輸出坐標值進行比較、處理，得到快速傾斜鏡驅動控制模塊5-4的輸入指令，由該模塊驅動快速傾斜鏡5-2到達指定位置，從而使信標光在精跟蹤相機5-1上的光斑質心與給定的動態(tài)跟蹤中心一致。本發(fā)明的完整工作流程如下I)通信終端組裝完成后，進行如下標定I.使入射信標光與出射通信光同軸，此時信標光在精跟蹤相機5-1探測面上成像，圖像處理后輸出探測器坐標系XdYdZd下的坐標值為(X(l，yQ)；II.通信終端工作在開環(huán)指向模式，調整信標光入射角使精跟蹤相機5-1輸出坐標值為(X。，Y0)，再次改變信標光入射角度Λ X，像斑質心坐標值變?yōu)?X’ O, f 0)，則質心變化距離與入射角度變化值之比為K
權利要求
1. ー種空地激光通信中星上終端的超前瞄準方法，它是基于包括GPS系統(tǒng)(I)、姿態(tài)測量系統(tǒng)(2)的衛(wèi)星平臺和包括轉臺轉角測量系統(tǒng)(3)、超前瞄準計算模塊(4)、精跟蹤系統(tǒng)(5)以及光電ニ維轉臺(6)的通信終端來實現的，其特征在于包括以下步驟1)通信終端組裝完成后，進行如下標定I.使入射信標光與出射通信光同軸，此時信標光在精跟蹤相機(5-1)探測面上成像，圖像處理后輸出探測器坐標系XdYdZd下的坐標值為(X(l，y。)；II.通信終端工作在開環(huán)指向模式，調整信標光入射角使精跟蹤相機(5-1)輸出坐標值為(Xci，y0)，再次改變信標光入射角度Δ X，像斑質心坐標值變?yōu)?X’ O,ザ0)，則質心變化距離與入射角度變化值之比為K
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空地激光通信中星上終端的超前瞄準方法，該方法利衛(wèi)星平臺GPS數據和姿態(tài)測量系統(tǒng)數據，結合當前通信端機的光路結構，計算通信光超前瞄準時信標光在精跟蹤相機上的成像位置，以此作為精跟蹤系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤中心，由精跟蹤系統(tǒng)控制快速傾斜鏡偏轉，使通信光出射方向偏離信標光光軸，從而實現超前瞄準。本發(fā)明基于精跟蹤系統(tǒng)實現，保證了超前瞄準的執(zhí)行精度，降低了系統(tǒng)的復雜度，減輕了質量，并且不會影響通信光的出射功率。
文檔編號G05D3/12GK102830714SQ20121027583
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月3日 優(yōu)先權日2012年8月3日
發(fā)明者周輝, 張亮, 吳金才, 賈建軍, 王建宇 申請人:中國科學院上海技術物理研究所