CN101227235A - 机载激光通信系统捕获模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的机载激光通信系统捕获模拟装置，由GPS天线(1)，经纬仪(2)，激光器(10)，陀螺(3)电台及天线(40)，GPS天线(5)，支架(6)，俯仰转台(7)，横滚转台(8)和航向转台(9)构成；其可以实现动静条件下的飞机视轴指北标校，并且适合不同机型的验证，避免了上机飞行实验验证而造成巨大的财力和物力的浪费，同时由于所有验证过程都是在地面完成的，安全性也大大提高。经过坐标转过过程解算出的通信视轴旋转方位角和俯仰角的大小与经纬仪旋转的俯仰角和方位角相比较可以确定捕获不确定区域大小为35mrad，同时证明旋转角的大小和旋转方向过程是正确的。系统经过3×3扫描矩阵可以实现视轴精确对准。

Description

机载激光通信系统捕获模拟装置

技术领域

本发明涉及机载激光通信系统捕获模拟装置，属于激光通信技术领域。

技术背景

激光通信系统以激光作为信息载体，激光的高度相干性和空间定向性，决定了空间激光通信与RF通信相比在许多方面优势明显：抗干扰能力强、安全性好、设备体积小、重量轻、频谱不受管制、功耗低、系统机动性强、造价低、透明传输协议等。激光通信系统是点对点进行通信的，在通信前需要使两个通信视轴指向不确定区域，然后通过天线扫描技术实现两个通信视轴的精确对准，这就是捕获过程。因此在实际工作过程中通信视轴能否正确的旋转到不确定区域，捕获不确定区域的大小，天线扫描矩阵的选取成为激光通信系统能否正常工作的前提条件。捕获是开环捕获过程，包括天线初始对准和天线扫描两个主要过程，通信终端通过位置和姿态传感器获得相应的参数，结合坐标转换矩阵解算旋转方位角和俯仰角，通过伺服控制完成天线初始对准。从目前国外报道的激光通信技术看，位置和姿态参数的获得，对于星载激光通信终端可通过星历表和星敏感器获得，对于机载终端可通过GPS得(Lu Gang，Lu Yimin，Deng Tianping，Liu Hui.Automatic alignment of optical beam based GPS for free-spacelaser communication system[J].SPIE，2003：5160-55.

Yushan Lil，Hazem Refail，James J.Sluss，Jr.l，et al...Positioning and Tracking Control System Analysis for MobileFreeSpace Optical Network[J].SPIE，2005：58921D-1～58921D-12.)。考虑国内外激光通信主要向临近空间悬浮平台及无人机方面发展，GPS和陀螺的结合应用无疑将成为今后技术的主流。目前单纯验证机载光通信系统捕获的装置还没有报道，而且对于捕获不确定区域的打小，也没有一套模拟系统能够在地面上进行验证与确定。

发明内容

为了实现模拟状态下的机载激光通信捕获过程，并确定捕获确定区域大小。本发明的目的在于提供机载激光通信系统捕获模拟装置。

本发明提供的机载激光通信系统捕获模拟装置的构成如下：

1)如图1所示，本发明提供的机载光通信捕获装置由由GPS天线1，经纬仪2，激光器10，陀螺3电台及天线40，GPS天线5，支架6，俯仰转台7，横滚转台8和航向转台9构成。

所述的GPS天线1和GPS天线5，经纬仪2，激光器10，陀螺3和电台及天线4顺次安置在支架6上，分别固定好且保持刚性连接；所述俯仰台7，横滚台8，航向台9是固联在一起的，并且将天线支架6固定在俯仰台7上，保持刚性连接。

所述的GPS天线1做为主天线，并作为坐标原点，通过GPS得到的位置坐标作为原点坐标；所述的经纬仪2用来模拟通信视轴，给出俯仰角和航向角的真值，并确定捕获不确定区域大小。

所述的激光器10完成通信视轴3×3所述的矩阵扫描，验证模拟系统原理正确性。所述的陀螺3完成对模拟实验系统姿态角的测量，测量俯仰台7，横滚台8，航向台9所旋转的角度。

所述的电台及天线4将GPS天线1测量坐标值发射出去。

所述的GPS天线5与GPS天线1一起过程基线测量天线支架6的姿态角。所述的支架6起支撑和连接作用。所述的俯仰转台7测量天线支架6的俯仰角。所述的横滚转台8测量天线支架6的横滚角。所述的航向转台9测量天线支架6的航向角。

2)坐标转换过程

如图2所示，在机载系统中需要用到如下坐标转换过程，才能实现通信视轴指向不确定区域。首先通过步骤11获得GPS天线1位置坐标为WGS-84坐标，然后通过步骤12得到北东天坐标，通过步骤13得到载体坐标，通过步骤14得视轴坐标，通过步骤15得到视轴旋转方位角和俯仰角。

3)转台旋转

经过坐标转换过程后可以得到激光器视轴需要旋转的方位角和俯仰角，此时可以旋转激光器10，使通信视轴指向不确定区域，并发射激光，通过激光器10完成天线扫描技术，实现通信视轴精确对准。

4)捕获不确定区域确定

旋转俯仰台7，横滚台8，航向台9一个固定的角度来模拟飞机的飞行姿态。使用经纬仪2模拟通信视轴，同时将经纬仪2读出的俯仰角和水平角值旋转真值，用于检验经上述转换原理解算出的俯仰角和航向角的正确与否，即经纬仪2旋转的俯仰角、方位角大小和方向与坐标转换矩阵解算的值如果相等，即可完成机载光通信系统捕获模拟系统原理正确性，同时将坐标转换矩阵解算出值与经纬仪读出值做差可确定捕获补确定区域大小。

5)激光器10旋转方位角和俯仰角解算过程

在实际工作中需要用到如下公式：

1、大地参心坐标与直角坐标转换

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}(N+H)\cos B\cos L\\ (N+H)\cos B\sin L\\ \left(N\right(1-e^2)+H)\sin B\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中 $N=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{\left(\sin B\right)}^2}};$ a为椭球长半径，a＝6378137m(WGS-84坐标系)；e²为第一偏心率的平方，e²＝0.006694379995；

2、WGS-84坐标转换到北东天坐标转换矩阵

$C_e^n=\left(\begin{array}{ccc}-\sin L& \cos L& 0\\ -\sin B\cos L& -\sin B\sin L& \cos B\\ \cos B\cos L& \cos B\sin L& \sin B\end{array}\right)---\left(2\right)$

3、北东天坐标转换到载体坐标转换矩阵

将北东天坐标系绕z轴旋转横滚角yaw，绕旋转后的x轴旋转俯仰角pitch，绕旋转后的y轴旋转方位角roll即可实现转换，转换矩阵如下(3)所示

$C_n^b=\left(\begin{array}{ccc}\cos \left(r\right)\cos \left(y\right)-\sin \left(r\right)\sin \left(p\right)\sin \left(y\right)& \cos \left(r\right)\sin (y+\sin (r\left)\sin \right(p\left)\cos \right(y)& -\sin \left(r\right)\cos \left(p\right)\\ -\cos \left(p\right)\sin \left(y\right)& \cos \left(p\right)\cos \left(y\right)& \sin \left(p\right)\\ \sin \left(r\right)\mathrm{sor}\left(y\right)+\cos \left(r\right)\sin \left(p\right)\sin \left(y\right)& \sin \left(r\right)\sin \left(y\right)-\cos \left(r\right)\sin \left(p\right)\cos \left(y\right)& \cos \left(p\right)\cos \left(r\right)\end{array}\right)---\left(3\right)$

4视轴旋转方位角α、俯仰角β

经上述坐标转换后即可给出载体坐标系下的坐标值x，y，z，利用三个坐标值即可完成解算，公式如下：

α＝180×arctan(x/y)/π(4)

$\mathrm{\β}=180\×\arctan (z/\sqrt{x^2+y^2})/\mathrm{\π}---\left(5\right)$

旋转方向规定：水平角：顺时针为正；逆时针为负；俯仰角：向上为正；向下为负；

具体旋转方向见表1

象限	水平旋转角	俯仰旋转角
			x＞0；y＞0；z＞0	α	β
x＞0；y＞0；z＜0	α	-β
			x＜0；y＜0；z＞0	α-180	β
x＜0；y＜0；z＜0	α-180	-β
			x＞0；y＜0；z＞0	180-α	β
x＞0；y＜0；z＜0	180-α	-β
			x＜0；y＞0；z＞0	-α	β
x＜0；y＞0；z＜0	-α	-β

通过上述步骤可以实现模拟机载激光通信系统捕获过程，同时借助经纬仪完成对捕获不确定区域大小的确定。

本发明的有益效果：采用GPS天线1，经纬仪2，激光器10，陀螺3，电台及天线4，GPS天线5，支架6，俯仰转台7，横滚转台8，航向转台9构成机载激光通信系统模拟实验装置，可以有研制机载激光通信系统捕获原理的正确性，实现动静条件下的飞机视轴指北标校，并且适合不同机型的验证，避免了上机飞行实验验证而造成巨大的财力和物力的浪费，同时由于所有验证过程都是在地面完成的，安全性也大大提高。在验证原理正确性的同时，还可以通过经纬仪确定捕获不确定区域的大小，为系统原理性设计打下基础。

附图说明

图1机载激光通信系统捕获模拟装置机构示意框图。

图2坐标转换过程示意图。

具体实施方式

实施例1

本发明提供的机载激光通信系统捕获模拟装置的构成如下：

1)如图1所示，本发明提供的机载光通信捕获装置由由GPS天线1，经纬仪2，激光器10，陀螺3电台及天线40，GPS天线5，支架6，俯仰转台7，横滚转台8和航向转台9构成。

所述GPS天线1和GPS天线5，经纬仪2，激光器10，陀螺3和电台及天线4顺次安置在支架6上，分别固定好且保持刚性连接；所述俯仰台7，横滚台8，航向台9是固联在一起的，并且将天线支架6固定在俯仰台7上，保持刚性连接。

所述的激光器10完成通信视轴3×3所述的矩阵扫描，验证模拟系统原理正确性。所述的陀螺3完成对模拟实验系统姿态角的测量，测量俯仰台7，横滚台8，航向台9所旋转的角度。

所述的电台及天线4将GPS天线1测量坐标值发射出去。

所述的GPS天线5与GPS天线1一起过程基线测量天线支架6的姿态角。所述的支架6起支撑和连接作用。所述的俯仰转台7测量天线支架6的俯仰角。所述的横滚转台8测量天线支架6的横滚角。所述的航向转台9测量天线支架6的航向角。

2)坐标转换过程

如图2所示，在机载系统中需要用到如下坐标转换过程，才能实现通信视轴指向不确定区域。首先通过步骤11获得GPS天线1位置坐标为WGS-84坐标，然后通过步骤12得到北东天坐标，通过步骤13得到载体坐标，通过步骤14得视轴坐标，通过步骤15得到视轴旋转方位角和俯仰角。

3)转台旋转

经过坐标转换过程后可以得到激光器视轴需要旋转的方位角和俯仰角，此时可以旋转激光器10，使通信视轴指向不确定区域，并发射激光，通过激光器10完成天线扫描技术，实现通信视轴精确对准。

4)捕获不确定区域确定

旋转俯仰台7，横滚台8，航向台9一个固定的角度来模拟飞机的飞行姿态。使用经纬仪2模拟通信视轴，同时将经纬仪2读出的俯仰角和水平角值旋转真值，用于检验经上述转换原理解算出的俯仰角和航向角的正确与否，即经纬仪2旋转的俯仰角、方位角大小和方向与坐标转换矩阵解算的值如果相等，即可完成机载光通信系统捕获模拟系统原理正确性，同时将坐标转换矩阵解算出值与经纬仪读出值做差可确定捕获补确定区域大小。

5)激光器10旋转方位角和俯仰角解算过程在实际工作中需要用到如下公式：

1、大地参心坐标与直角坐标转换

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}(N+H)\cos B\cos L\\ (N+H)\cos B\sin L\\ \left(N\right(1-e^2)+H)\sin B\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中 $N=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{\left(\sin B\right)}^2}};$ a为椭球长半径，a＝6378137m(WGS-84坐标系)；e²为第一偏心率的平方，e²＝0.006694379995；

2、WGS-84坐标转换到北东天坐标转换矩阵

$C_e^n=\left(\begin{array}{ccc}-\sin L& \cos L& 0\\ -\sin B\cos L& -\sin B\sin L& \cos B\\ \cos B\cos L& \cos B\sin L& \sin B\end{array}\right)---\left(2\right)$

3、北东天坐标转换到载体坐标转换矩阵

将北东天坐标系绕z轴旋转横滚角yaw，绕旋转后的x轴旋转俯仰角pitch，绕旋转后的y轴旋转方位角roll即可实现转换，转换矩阵如下(3)所示

$C_n^b=\left(\begin{array}{ccc}\cos \left(r\right)\cos \left(y\right)-\sin \left(r\right)\sin \left(p\right)\sin \left(y\right)& \cos \left(r\right)\sin (y+\sin (r\left)\sin \right(p\left)\cos \right(y)& -\sin \left(r\right)\cos \left(p\right)\\ -\cos \left(p\right)\sin \left(y\right)& \cos \left(p\right)\cos \left(y\right)& \sin \left(p\right)\\ \sin \left(r\right)\mathrm{sor}\left(y\right)+\cos \left(r\right)\sin \left(p\right)\sin \left(y\right)& \sin \left(r\right)\sin \left(y\right)-\cos \left(r\right)\sin \left(p\right)\cos \left(y\right)& \cos \left(p\right)\cos \left(r\right)\end{array}\right)---\left(3\right)$

4视轴旋转方位角α、俯仰角β

经上述坐标转换后即可给出载体坐标系下的坐标值x，y，z，利用三个坐标值即可完成解算，公式如下：

α＝180×arctan(x/y)/π(4)

$\mathrm{\β}=180\×\arctan (z/\sqrt{x^2+y^2})/\mathrm{\π}---\left(5\right)$

旋转方向规定：水平角：顺时针为正；逆时针为负；俯仰角：向上为正；向下为负；

具体旋转方向见表1

象限	水平旋转角	俯仰旋转角
			x＞0；y＞0；z＞0	α	β
x＞0；y＞0；z＜0	α	-β
			x＜0；y＜0；z＞0	α-180	β
x＜0；y＜0；z＜0	α-180	-β
			x＞0；y＜0；z＞0	180-α	β
x＞0；y＜0；z＜0	180-α	-β
			x＜0；y＞0；z＞0	-α	β
x＜0；y＞0；z＜0	-α	-β

通过上述步骤可以实现模拟机载激光通信系统捕获过程，同时借助经纬仪完成对捕获不确定区域大小的确定。

通过本实施例，经过坐标转过过程解算出的通信视轴旋转方位角和俯仰角的大小与经纬仪旋转的俯仰角和方位角相比较可以确定捕获不确定区域大小为35mrad，这为系统理论设计打下基础，同时证明旋转角的大小和旋转方向过程是正确的。系统经过3×3扫描矩阵可以实现视轴精确对准。

Claims (1)

1.)、机载激光通信系统捕获模拟装置，其特征在于，由GPS天线(1)，经纬仪(2)，激光器(10)，陀螺(3)电台及天线(40)，GPS天线(5)，支架(6)，俯仰转台(7)，横滚转台(8)和航向转台(9)构成.

所述GPS天线(1)和GPS天线(5)，经纬仪(2)，激光器(10)，陀螺(3)和电台及天线(4)顺次安置在支架(6)上，分别固定好且保持刚性连接；所述俯仰台(7)，横滚台(8)，航向台(9)是固联在一起的，并且将天线支架(6)固定在俯仰台(7)上，保持刚性连接；

所述的GPS天线(1)做为主天线，并作为坐标原点，通过GPS得到的位置坐标作为原点坐标；所述的经纬仪(2)用来模拟通信视轴，给出俯仰角和航向角的真值，并确定捕获不确定区域大小；所述的激光器(10)完成通信视轴3×3所述的矩阵扫描，验证模拟系统原理正确性；所述的陀螺(3)完成对模拟实验系统姿态角的测量，测量俯仰台(7)，横滚台(8)，航向台(9)所旋转的角度；所述的电台及天线(4)将GPS天线(1)测量坐标值发射出去；所述的GPS天线(5)与GPS天线(1)一起过程基线测量天线支架(6)的姿态角；所述的支架(6)起支撑和连接作用；所述的俯仰转台(7)测量天线支架(6)的俯仰角；所述的横滚转台(8)测量天线支架(6)的横滚角；所述的航向转台(9)测量天线支架(6)的航向角；

2)坐标转换过程

在机载系统中需要用到如下坐标转换过程，才能实现通信视轴指向不确定区域。首先通过步骤(11)获得GPS天线(1)位置坐标为WGS-84坐标，然后通过步骤(12)得到北东天坐标，通过步骤(13)得到载体坐标，通过步骤(14)得视轴坐标，通过步骤(15)得到视轴旋转方位角和俯仰角；

3)转台旋转

经过坐标转换过程后可以得到激光器视轴需要旋转的方位角和俯仰角，此时可以旋转激光器(10)，使通信视轴指向不确定区域，并发射激光，通过激光器(10)完成天线扫描技术，实现通信视轴精确对准；

4)捕获不确定区域确定

旋转俯仰台(7)，横滚台(8)，航向台(9)一个固定的角度来模拟飞机的飞行姿态。使用经纬仪(2)模拟通信视轴，同时将经纬仪(2)读出的俯仰角和水平角值旋转真值，用于检验经上述转换原理解算出的俯仰角和航向角的正确与否，即经纬仪(2)旋转的俯仰角、方位角大小和方向与坐标转换矩阵解算的值如果相等，即可完成机载光通信系统捕获模拟系统原理正确性，同时将坐标转换矩阵解算出值与经纬仪读出值做差可确定捕获不确定区域大小；

5)激光器(10)旋转方位角和俯仰角解算过程

在实际工作中需要用到如下公式：

1、大地参心坐标与直角坐标转换

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}(N+H)\cos B\cos L\\ (N+H)\cos B\sin L\\ \left(N\right(1-e^2)+H)\sin B\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中 $N=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{\left(\sin B\right)}^2}};$ a为椭球长半径，a＝6378137m(WGS-84坐标系)；e²为第一偏心率的平方，e²＝0.006694379995；

2、WGS-84坐标转换到北东天坐标转换矩阵

$C_e^n=\left(\begin{array}{ccc}-\sin L& \cos L& 0\\ -\sin B\cos L& -\sin B\sin L& \cos B\\ \cos B\cos L& \cos B\sin L& \sin B\end{array}\right)---\left(2\right)$

3、北东天坐标转换到载体坐标转换矩阵

将北东天坐标系绕z轴旋转横滚角yaw，绕旋转后的x轴旋转俯仰角pitch，绕旋转后的y轴旋转方位角roll即可实现转换，转换矩阵如下(3)所示

$C_n^b=\left(\begin{array}{ccc}\cos \left(r\right)\cos \left(y\right)-\sin \left(r\right)\sin \left(p\right)\sin \left(y\right)& \cos \left(r\right)\sin (y+\sin (r\left)\sin \right(p\left)\cos \right(y)& -\sin \left(r\right)\cos \left(p\right)\\ -\cos \left(p\right)\sin \left(y\right)& \cos \left(p\right)\cos \left(y\right)& \sin \left(p\right)\\ \sin \left(r\right)\mathrm{sor}\left(y\right)+\cos \left(r\right)\sin \left(p\right)\sin \left(y\right)& \sin \left(r\right)\sin \left(y\right)-\cos \left(r\right)\sin \left(p\right)\cos \left(y\right)& \cos \left(p\right)\cos \left(r\right)\end{array}\right)---\left(3\right)$

4视轴旋转方位角α、俯仰角β

经上述坐标转换后即可给出载体坐标系下的坐标值x，y，z，利用三个坐标值即可完成解算，公式如下：

α＝180×arctan(x/y)/π(4)

$\mathrm{\β}=180\×\arctan (z/\sqrt{x^2+y^2})/\mathrm{\π}---\left(5\right)$

旋转方向规定：水平角：顺时针为正；逆时针为负；俯仰角：向上为正；向下为负；

具体旋转方向见表1

  象限   水平旋转角   俯仰旋转角

x＞0；y＞0；z＞0   α   β x＞0；y＞0；z＜0   α   -β x＜0；y＜0；z＞0   α-180   β x＜0；y＜0；z＜0   α-180   -β x＞0；y＜0；z＞0   180-α   β x＞0；y＜0；z＜0   180-α   -β x＜0；y＞0；z＞0   -α   β x＜0；y＞0；z＜0   -α   -β

通过上述步骤可以实现模拟机载激光通信系统捕获过程，同时借助经纬仪完成对捕获不确定区域大小的确定。