CN102324962B - 一种卫星光通信捕获跟踪处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星光通信捕获跟踪处理方法，包括的步骤为：(1)卫星捕获探测器视场获取对方通信卫星激光载荷发射的信标光，并进行成像获取光斑位置；(2)根据光斑位置，调整天线，使光斑处于M×M个像元尺寸的视场内；(3)利用快速转镜对光斑，将光斑调整到N×N个像元尺寸的视场中；(4)、继续对光斑在N×N视场中的位置进行检测，当光斑跳出N×N个像元尺寸的视场时，返回步骤(3)。采用本发明可以在光斑的像散、光晕、光通信链路距离和光斑不规则圆斑变化的情况下，实现了对光斑的高精度计算，从而快速、有效卫星的实现光通信捕跟的建立。

Description

一种卫星光通信捕获跟踪处理方法

技术领域

本发明属于卫星通信领域，涉及一种卫星光通信捕获跟踪处理方法。

背景技术

在卫星激光通信中，首先需要进行捕跟链路的建立和激光通信链路的建立。利用现有技术和器件，无法直接对宽度0.0017°的通信信号光束进行捕获，因此使用相对较宽的信标光进行捕获。假如信标光的宽度为600μrad，即0.0344°。虽然信标光的波束较信号光宽一些，但是对空间捕获而言，0.0344°仍然是一个极小的空间角。

捕跟牵引过程是从成功捕获过渡到跟踪和通信的重要环节。捕获成功后，激光通信终端调整自身天线，开启窄波束30μrad的信号光。所以需要从宽波束的信标光捕获视场，牵引到窄波束的信号光跟踪视场，卫星链路距离的几万公里，微弧度的差异直接导致链路的建立失败，根据捕获的定位精度，牵引光斑进入精跟踪的几十微弧度的视场。对于高精度快速的执行牵引，需要捕跟光斑的处理方法是核心关键。

目前国内外卫星光通信捕跟光斑处理的方法中，对于捕跟的快速收敛没有新的方法。

在现有技术中，对捕获跟踪的系统主要进行了较多的分析，但没有针对光斑不规则、像散和光强阈值的影响下，捕跟牵引的快速收敛方法。

在目前卫星光通信跟踪实现方法中，如欧洲的SILEX计划和日本的NASDA都没有关于提出在光斑不规则、像散和光强阈值的影响下，捕跟牵引快速收敛方法的公开资料。

而国内关于卫星光通信捕跟光斑处理方法采用重心算法，没有对跟踪光斑处理方法进行的改进。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种卫星光通信捕获跟踪处理方法。采用本方法可以在光斑的像散、光晕、光通信链路距离和光斑不规则圆斑变化的情况下，实现了对光斑的高精度计算，从而快速、有效卫星的实现光通信捕跟的建立。

本发明的技术解决方案是：

本发明的卫星光通信捕获跟踪处理方法，通过以下步骤实现：

(1)卫星捕获探测器视场获取对方通信卫星激光载荷发射的信标光，并在捕获探测器中对所述信标光进行成像，获取成像后的光斑位置(x₀，y₀)；

(2)根据步骤(1)获得的光斑位置，调整天线，使接收到的信标光光斑中心与捕获探测器中心共轴，并使光斑处于大小为M×M个像元尺寸的视场内；

(3)当完成步骤(2)的操作，光斑进入M×M个像元尺寸的视场后，利用快速转镜对光斑进行调整，使光斑从的M×M的视场中进入N×N个像元尺寸的视场中；

(4)完成步骤(3)中对光斑的跟踪收敛后，继续对光斑在N×N视场中的位置进行检测，当光斑跳出N×N个像元尺寸的视场时，返回步骤(3)；通过检测M²-N²个像元灰度值，当灰度值大于或等于重心算法设定的阈值时，返回步骤(3)，其中所述阈值为光斑最亮灰度值的1/6～1/8。

所述步骤(1)中获取光斑位置(x₀，y₀)的方法为：

(11)获得光斑在捕获探测器视场中的标定位置f(x，y)和实际位置g(x，y)之间的互相关函数r_fg(x₀，y₀)。

(12)对r_fg(x₀，y₀)求偏导获得对应于r_fg(x₀，y₀)最大值时的和(x₀，y₀)；

(13)建立入下式所示的评估量E²，并将步骤(12)所得(x₀，y₀)带入E²；

$E^2=\underset{x_0,y_0}{\min }\frac{\underset{x,y}{\mathrm{\Σ}}{|g(x-x_0,y-y_0)-f(x,y)|}^2}{\underset{x,y}{\mathrm{\Σ}}{\left|f(x,y)\right|}^2}=1-\frac{\underset{x_0,y_0}{\max }{\left|r_{\mathrm{fg}}(x_0,y_0)\right|}^2}{\underset{x,y}{\mathrm{\Σ}}{\left|f(x,y)\right|}^2\underset{x,y}{\mathrm{\Σ}}{\left|g(x,y)\right|}^2}$

(14)取E²相对均方差最小时的(x₀，y₀)，作为光斑位置输出；

所述M通过下式确定，

$1.5\&CenterDot;\mathrm{\&theta;}<\frac{M\&CenterDot;d}{f}$

其中，θ为捕获执行器的闭环精度；d为跟瞄CCD探测器单个像素的物理尺寸；f为捕获探测的焦距。

所述N通过下式确定，

$1.5\&CenterDot;A<\frac{N\&CenterDot;d}{f}$

Aμrad为卫星平台的RHz的振动谱幅度。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

卫星光通信捕跟收敛新方法是为了满足高精度卫星光通信跟踪和卫星光通信有效振动补偿的需求而提出的。

首先在捕获与跟踪的光斑处理上，采用不同的光斑处理方法，通过此方法可以具有以下优势：

1、使光通信链路建立自由，受通信链路光强变化干扰减弱，并且无需每次光通信链路建立成功后，光斑处理方法阈值的动态选取。

2、减弱光斑像散对跟踪精度的影响，减小不规则光斑在振动影响下，重心算法计算不精确的问题，使探测器前的聚焦透镜组设计、加工简化。

根据设计捕获执行精度、精跟踪执行精度和卫星平台的振动情况，优化M与N的选取，实现了快速、有效、高精度空间光通信的捕跟收敛。

附图说明

图1为光斑偏移量计算流程图；

图2为捕跟闭环控制原理图；

图3为捕跟光斑处理技术原理图；

图4为捕跟牵引的实验验证原理图；

图5为存在偏移量的两张光斑图像；

图6为各种国外卫星的平台振动谱和仿真NASDA卫星平台振动谱；

图7为本发明流程图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

●光斑处理方法

在跟踪测量两卫星激光通信装置的角度变化时，传统的角度探测装置是将入射光斑聚焦成点光斑，入射光束的角偏移转化为光斑的中心偏移。随着卫星光通信链路距离的加大和跟踪精度要求的提高，对光斑中心的计算必须要求精度更高的算法。现阶段基本采用重心算法进行光斑的偏移量计算，重心算法首先根据一定的阈值选择像素点，只有灰度值高于阈值的像素点才参与中心计算，具体计算基于下列方程：

$x_c=\frac{\underset{x=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}x\&CenterDot;g(x,y)}{\underset{x=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}g(x,y)}{y}_c=\frac{\underset{x=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}y\&CenterDot;g(x,y)}{\underset{x=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}g(x,y)}$

其中，x为像元的x坐标值，y为像元的y坐标值，g(x，y)为像元(x，y)的灰度值，N为探测器的光斑图像的大小，x_c为计算出的光斑重心的x坐标位置，y_c为计算出的光斑重心的y坐标位置。

通过计算获得的重心和标定的光斑重心之差，就是光斑中心偏移量。

但是在实际中，重心算法的应用存在如下问题：

1、光斑本身是不规则圆斑，并会出现像散与光晕等问题，重心算法对光斑中心偏移量的计算不精确。

2、计算精度受到光通信链路距离的影响。由于在每次光通信链路中，捕跟探测器的光斑强度不同，每次通信链路建立成功后，捕跟探测器上光斑灰度变化，故重心算法对光斑中心偏移量的计算不精确。

3、需要采用自适应阈值切换、滤波、光斑判决和中心计算等实现重心计算，系统复杂，计算结果精度不高。

●捕跟建立流程

捕获跟踪的流程中，捕获机构捕获到对方卫星后，对方卫星信号光开启，光斑进入跟踪探测器设定的跟踪视场内，系统由捕获转向精跟踪。此时根据跟跟踪探测器所得的光斑位置信息，控制机构对快速转镜进行控制，使信号光发射光轴与接收对方卫星之间信号光共轴。捕获执行的机构是天线，精跟踪补偿执行机构是快速转镜，捕获执行机构精度差，精跟踪执行机构精度高，接收的信号光通过天线执行把探测器光斑牵引到精跟踪视场内。其中卫星光通信轨道补偿的粗跟踪执行机构是天线，所以在通信的过程中，精跟踪视场内的光斑有受到平台的振动和其它载荷干扰的可能，光斑可能从精跟踪视场跳转到粗跟踪视场内，所以也需要光斑计算，快速牵引到精跟踪视场内。现有的技术对捕获粗跟踪到精跟踪的牵引过程，采用重心算法计算光斑的偏移量，光斑的偏移量作为快速转镜和天线的补偿的输入量，捕跟牵引过程中采用重心算法计算光斑，其收敛时间比较长，甚至出现牵引失败。

●捕跟收敛的处理方法

本方法采用新的捕获粗跟踪到精跟踪的牵引光斑处理方法，使捕跟牵引过程收敛快速，精确。采用高精度光斑处理算法与重心算法相结合的方法，在探测器上开窗划分区域，由于粗捕获执行机构存在大的定位精度误差，加之卫星平台振动的影响，可以确定捕获粗跟踪到精跟踪牵引过程中探测器所用探测单元为大小为M×M。根据精跟踪执行精度，卫星平台振动谱和闭环带宽，可以确定N×N的大小。具体跟踪原理如图3所示。

整个执行过程流程为：捕跟建立阶段，对方卫星开启的信号光，进入捕获探测器视场内，力矩根据捕获探测器中的光斑位置，动态调整天线，使其迅速收敛到M×M个像元尺寸的视场内，其中光斑计算精度影响光斑收敛到M×M个像元的时间。当光斑收敛到M×M个像元视场后，快速转镜根据光斑位置进行调整补偿，经过如图2所示的闭环控制，光斑定位范围进入精跟踪探测器范围N×N中，其中N＜M，即通过CCD探测器上所获得的光斑位置，利用控制系统不断控制快速转镜调整入射光束，以达到从M×M个像元尺寸的视场到N×N个像元尺寸的视场的调整。光斑由于在大视场范围内，所以光斑的不规则尺寸直接影响重心算法的计算精度，所以采用高精度光斑处理算法计算光斑位置，此算法是在频域进行计算，不受光斑的形状和光斑强度的影响，并且不设置计算阈值。光斑进入N×N个探测像元的视场后，由于像元个数少，采用重心算法计算受干扰因素减少，所以采用快速重心算法进行光斑位置计算。

重捕跟踪阶段，当受到卫星平台振动、卫星轨道补偿执行情况和其它干扰时，光斑在N×N个像元视场外，但仍然停留在M×M个像元视场内，根据高精度算法计算光斑位置，先调整快速转镜，根据快速转镜的调整位置，如果快速转镜调整范围超过给定阈值，必须调整粗跟踪的力矩电机，使快速转镜得到平衡位置的恢复，重复几次最终实现光斑进入大小N的探测范围内。

光斑尺寸重叠处理方法，光斑同时出现在粗跟踪与精跟踪探测视场部分，由于光斑位置超出N×N像元范围，采用高精度处理算法处理，反之采用重心算法处理。由于高精度算法可以处理不完整光斑位置的计算，在硬件处理上重心算法与高精度算法同时计算，为了使处理光斑的完整性。高精度算法的计算结果，作为快速转镜的执行输入。

综上，如图7所示，为本发明进行卫星光通信捕获跟踪处理的步骤如下：

(1)卫星捕获探测器视场获取对方通信卫星激光载荷发射的信标光，并在捕获探测器中对所述信标光进行成像，获取成像后的光斑位置；

低轨卫星天线凝视高轨卫星可能出现的区域，并且低轨卫星开启信标光；高轨卫星开启信标光，天线在给定的不确定角圆域内进行精密的扫描；这样低轨卫星激光通信终端的CCD探测器上得到高轨卫星扫描光斑，同样高轨卫星激光通信终端的CCD探测器上探测到光斑。

激光通信的捕获是对激光光斑的探测来反映的，根据成像探测器CCD的光斑来确定激光光束的位置，标定探测器的某个位置为零点，可以获得光斑的标定位置零点，设其图像为f(x，y)，实际探测光斑为g(x，y)，它们之间有x₀和y₀的平移量。即f(x，y)＝g(x-x₀，y-y₀)，根据傅立叶变换理论得到其中F(u，v)和G(u，v)分别为f(x，y)和g(x，y)的傅立叶变换，两图像光斑的互相关。

求解x₀和y₀的平移量的过程如图1所示，由于互相关r_fg(x₀，y₀)是虚数存在着，所以对|r_fg(x₀，y₀)|²求偏导，使一次偏导在x₀和y₀点等于零，所以得到在x₀的一次偏导公式：

$\frac{\&PartialD;{\left|r_{\mathrm{fg}}(x_0,y_0)\right|}^2}{{\&PartialD;x}_0}=2\mathrm{Im}\{r_{\mathrm{fg}}(x_0,y_0)\&CenterDot;\underset{u,v}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{2\mathrm{\&pi;u}}{M}{F}^{*}(u,v)\&times;G(u,v)\exp [-i2\mathrm{\&pi;}(\frac{{\mathrm{ux}}_0}{M}+\frac{{\mathrm{vy}}_0}{N})\left]\right\}$

同理对y₀也是如此，最后计算得到x₀和y₀的位置值。

通过对r_fg(x₀，y₀)求偏导，计算偏移量x₀和y₀的位置，似乎算法非常完整，然而实际由于两幅图像背景噪声存在，故各种噪声的相关量对图像本身之间误差信息相关量的影响，上面的计算平移量存在误差量。所以引入了参考图像f(x，y)与待配准图像g(x，y)之间的评估量，其定义如下：

$E^2=\underset{x_0,y_0}{\min }\frac{\underset{x,y}{\mathrm{\&Sigma;}}{|g(x-x_0,y-y_0)-f(x,y)|}^2}{\underset{x,y}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|f(x,y)\right|}^2}=1-\frac{\underset{x_0,y_0}{\max }{\left|r_{\mathrm{fg}}(x_0,y_0)\right|}^2}{\underset{x,y}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|f(x,y)\right|}^2\underset{x,y}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|g(x,y)\right|}^2}$

通过计算r_fg(x₀，y₀)得到x₀和y₀，然后代入公式中进行计算，得到相对均方差值。当满足相对均方差最小时，可以求出r_fg(x₀，y₀)的x₀和y₀。

(2)根据步骤(1)获得的光斑位置，调整天线，使接收到的信标光光斑中心与跟瞄CCD探测器中心共轴，并使光斑处于大小为M×M个像元尺寸的视场内。其中，对于M与捕获执行器的闭环精度θ，捕获探测的焦距f，CCD单个像素的物理尺寸d有关。根据设计中的经验公式

可以确定M的大小。

上述光斑位置可通过L_av＝fx₀转换成天线的方位信息，同理L_al＝fy₀转换成天线的俯仰信息，此信息作为天线执行的输入量，天线根据输入量调整，使光斑进入M×M的视场区域。

(3)当完成步骤(2)的操作，光斑进入M×M个像元尺寸的视场后，利用快速转镜对光斑进行调整，使光斑从的M×M的视场中进入N×N视场中，从而使光通信从捕获信标光视场向跟踪信号光的小视场收敛。

N的确定是根据一般的卫星平台的振动为依据的。设定卫星平台的RHz振动谱幅度为Aμrad。从而可以得到

其中对于M×M像元处理的速度τ，τ与R之间的关系：τ·R＞4，通过上面公式可以确定N的大小。

光斑进入M×M视场后，通过L_zv＝0.5·fx₀公式，把高精度光斑计算方法的光斑位置信息转换成快速转镜执行的方位输入量，同理通过L_zl＝0.5·fy₀转换俯仰信息，其中的0.5是由于快速转镜是反射镜作用光束。

(4)完成步骤(3)后，光斑进入N×N视场后，继续在N×N视场中对光斑的位置进行检测，当光斑跳出N×N个像元尺寸的视场时，返回步骤(3)。在N×N视场中，对光斑进行检测的方法为：M²-N²个像元灰度值，当灰度值大于或等于重心算法设定的阈值后，返回步骤(3)。所述阈值为光斑最亮灰度值的1/6～1/8。

实施例

根据卫星光通信捕跟建立流程，搭建捕跟牵引过程光斑处理测试实验。如图4所示，激光器通过光纤输出稳定光强，被平行光管准直成平行光束。将Φ100的平面镜(波面误差较大)安装在已标定过的万向节俯仰机械架上。万向节捕跟执行机构(主要完成捕获过程)连接在高精度一维转台上，采用自准直测试原理，转动一维转台，已标定的CCD相机记录光斑的位移变化情况。此实验模拟卫星光通信的捕获到牵引的过程。

基于光斑处理方法的捕跟牵引实验过程如下：

1、开启激光器，根据探测器接收光斑，根据高精度算法计算光斑位置，调准1.6m平行光管、平面镜光轴对准，调整CCD光斑初始位置。

2、根据卫星激光终端的初始不确定角，通过计算机控制一维转台转动不确定角度数。

3、开启万向节捕跟执行机构，控制捕跟万向节进行螺旋扫描。

4、光斑进入MxM的捕获场后，计算机采集CCD光斑数据，同时发送一维转台开启指令，控制一维转台根据卫星平台等效的轨道速度执行。依据高精度算法计算光斑位置，位置信息量控制万向节方位转动，CCD相机、光斑处理和万向节构成闭环。闭环控制可以使光斑从捕获视场牵引到NxN的跟踪视场中。

5、当探测器光斑进入已经标定的跟踪视场时，CCD的处理的帧频提高，切换光斑处理为重心算法，计算得光斑信息作为万向节补偿量。如此完成捕获到跟踪的牵引过程。

如图5所示，实验过程得到图像大小128×128，两图像之间x的偏移量是5/3个像素(偏移像素的多少，根据高精度一维转台的位置换算得到)，y的偏移量-0.05像素(存在光斑偏移主要是由于隔离振动平台的抖动)，光斑不是完全的规则的爱里斑，由于大气角起伏影响和光学系统的像差影响。由于在整个实验过程中，设置背景光干扰，探测器上背景光像素灰度值在5-7之间。通过重心算法计算得到两图像光斑之间的偏移量x0＝0.0294，y0＝0.0050。通过高精度算法计算得到的光斑偏移量x0＝1.3340，y0＝-0.0460。E2＝0.0899。实验明显看出在有背景光和光斑是不规则圆斑的情况下，重心算法计算误差较大，高精确算法计算精确，精确度可以满足光通信精跟踪要求。但是高精确算法处理时间0.026819s，重心算法的处理时间0.001198s，两者处理时间比例22∶1。

对于跟踪探测器的探测单元的选取，卫星平台振动的幅度和光通信跟踪精度影响探测器的物理像元尺寸和数量。

国外对卫星平台振动进行空间模拟试验，国内关于卫星平台振动没有相关的报告。如图6所示，通过对NASDA卫星平台振动谱进行仿真分析，得到卫星平台振动最大幅度60μrad²/Hz左右；振动频率范围达到2KHz；低频部分振动幅度大；高频部分振动幅度小；振动主要集中在1-100Hz范围内。

根据前面对卫星平台振动的模拟中，卫星振动的最大幅度在60μrad²/Hz左右，设粗跟踪定位精度在40μrad，捕获探测牵引的闭环精度是150μrad，探测器视场设置为8mrad，精跟踪视场为240μrad。

故探测器像元大小设定M×M，M为128。在捕获阶段每个像元细分成0.1个亚像元以下，为了对2KHz振动频率的有效抑制，需要提高探测帧频4K以上，所以设定跟踪视场N为24，每个像元细分0.1个亚像元以下。可以保证精跟踪精度1μrad，根据卫星平台仿真模拟，卫星平台振动频率在20Hz的振动幅度在10urad。所以高精度算法处理光斑，可以在捕获跟踪牵引过程中，对卫星平台振动频率20Hz以下的振动得到有效抑制。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种卫星光通信捕获跟踪处理方法，其特征在于通过以下步骤实现：

(1)卫星捕获探测器视场获取对方通信卫星激光载荷发射的信标光，并在捕获探测器中对所述信标光进行成像，获取成像后的光斑位置(x₀，y₀)；

(2)根据步骤(1)获得的光斑位置，调整天线，使接收到的信标光光斑中心与捕获探测器中心共轴，并使光斑处于大小为M×M个像元尺寸的视场内；所述M通过下式确定，

其中，θ为捕获执行器的闭环精度；d为跟瞄CCD探测器单个像素的物理尺寸；f为捕获探测的焦距；

(3)当完成步骤(2)的操作，光斑进入M×M个像元尺寸的视场后，利用快速转镜对光斑进行调整，使光斑从M×M的视场中进入N×N个像元尺寸的视场中；所述N通过下式确定，

A为卫星平台的RHz的振动谱幅度；

(4)完成步骤(3)中对光斑的跟踪收敛后，继续对光斑在N×N视场中的位置进行检测，当光斑跳出N×N个像元尺寸的视场时，返回步骤(3)；通过检测M²-N²个像元灰度值，当灰度值大于或等于重心算法设定的阈值时，返回步骤(3)，其中所述阈值为光斑最亮灰度值的1／6～1／8。

2.根据权利要求1所述的一种卫星光通信捕获跟踪处理方法，其特征在于：所述步骤(1)中获取光斑位置(x₀，y₀)的方法为：

(11)获得光斑在捕获探测器视场中的标定位置f(x，y)和实际位置g(x，y)之间的互相关函数r_fg(x₀，y₀)；

(12)对r_fg(x₀，y₀)求偏导获得对应于r_fg(x₀，y₀)最大值时的(x₀，y₀)；

(13)建立如下式所示的评估量E²，并将步骤(12)所得(x₀，y₀)带入E²；

$E^2=\underset{x_0,y_0}{\min }\frac{\underset{x,y}{\mathrm{\&Sigma;}}{|g(x-x_0,y-y_0)-f(x,y)|}^2}{\underset{x,y}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|f(x,y)\right|}^2}=1-\frac{\underset{x_0,y_0}{\max }{\left|r_{\mathrm{fg}}(x_0,y_0)\right|}^2}{\underset{x,y}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|f(x,y)\right|}^2\underset{x,y}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|g(x,y)\right|}^2}$

(14)取E²相对均方差最小时的(x₀，y₀)，作为光斑位置输出。

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