CN103457660B - 星地激光通信星上终端地球背景光的快速模拟方法 - Google Patents

Abstract

星地激光通信星上终端地球背景光的快速模拟方法，本发明涉及星地激光通信星上终端的地球背景光仿真抑制领域，具体涉及一种快速模拟不同轨道高度星上终端地球背景光的方法。本发明是要解决目前仿真地球背景光对星地激光通信星上终端的影响时耗时很长的问题。（1）确定需要仿真的轨道高度；（2）计算地球对终端的半张角；（3）将整个发射空间区域化；（4）确定各部分区域需追迹的光线数；（5）仿真并计算不同轨道处的杂散光功率。本发明应用于卫星激光通信杂散光仿真领域。

Description

星地激光通信星上终端地球背景光的快速模拟方法

技术领域

本发明涉及星地激光通信星上终端的地球背景光仿真抑制领域，具体涉及一种快速模拟不同轨道高度星上终端地球背景光的方法。

背景技术

与传统微波通信相比，卫星光通信主要具有以下优势：传输数据率高；终端设备体积小、质量轻和功耗低；无需无线电频率使用许可；抗干扰能力强和难于被抗截获等方面。因此已成为国际上主要航天大国发展的重要技术。卫星光通信终端间的通信距离一般为几百公里到几万公里，如此极远距离的传输致使光接收终端只能接收到极微弱的能量。在星地激光通信中，星上激光通信终端在通信时需对准地面站，此时来自地球的背景光（主要包括地球自身的黑体辐射和地球反射的太阳黑体辐射）和信号光束将同时进入系统探测器，造成系统跟踪精度和通信信噪比等下降。为提高星上终端的跟踪精度和信噪比，改善通信质量，必须模拟地球背景光对星上终端的影响，并研究其抑制技术。

目前杂散光模拟的前期工作主要通过软件仿真来完成，而蒙特卡洛光线追迹法应用得最广泛。但是为了得到相对精确的结果，一般将地球视为朗伯光源模拟其背景光对星上终端的影响，并且追迹一定量的光线，这需要一定的仿真时间。针对星地激光通信的星上终端，在不同轨道高度时，都需对地球朗伯光源进行模拟，这大大增加了仿真时间。

发明内容

本发明是要解决目前仿真地球背景光对星地激光通信星上终端的影响时耗时很长的问题，而提供了一种快速模拟不同轨道高度处星上终端中地球背景光的方法。

星地激光通信星上终端地球背景光的快速模拟方法包括：

（1）确定需要仿真的轨道高度；

（2）计算地球对终端的半张角；

（3）将地球背景光源的整个发射空间区域化；

（4）确定各部分区域需追迹的光线数；

（5）仿真并计算不同轨道处的杂散光功率。

发明效果：

本发明提供了一种快速模拟不同轨道高度处星上终端中地球背景光的方法，在不降低杂散光仿真精度的前提下，大大缩短仿真时间。

在本例中，采用星地激光通信星上终端地球背景光的快速模拟方法后，仿真所需时间与采用传统方法相比减少将近70%。

附图说明

图1是本发明流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的星地激光通信星上终端地球背景光的快速模拟方法包括：

（1）确定需要仿真的轨道高度；

（2）计算地球对终端的半张角；

（3）将地球背景光源的整个发射空间区域化；

（4）确定各部分区域需追迹的光线数；

（5）仿真并计算不同轨道处的杂散光功率。

本实施方式效果：

本实施方式提供了一种快速模拟不同轨道高度处星上终端中地球背景光的方法，在不降低杂散光仿真精度的前提下，大大缩短仿真时间。

在本例中，采用星地激光通信星上终端地球背景光的快速模拟方法后，仿真所需时间与采用传统方法相比减少将近70%。

本实施方式中，传统的杂散光仿真是针对某个轨道高度，然后在杂散光仿真软件中建模，地球朗伯光源的发散角设置为0到θ（θ为地球对终端的发散角），当需要仿真的轨道较多时，需要每次都仿真整个发射区域，需要大量仿真时间。本实施方式采用分区域的方法仿真不同区域（对应不同轨道高度）的地球背景光，最后通过求和得到不同轨道处的杂散光。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述确定需要仿真的轨道高度具体为：

若星地激光通信时，星上终端的轨道高度变化范围为H_min到H_max，选取需要仿真的N个轨道高度h_i，其中，i=1，2，...，N，且

H_min≤h₁<...<h_i<...<h_N≤H_max。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中所述计算地球对终端的半张角具体为：

需将地球视为具有一定发散角的朗伯光源，不同轨道处地球对终端的半张角由下式给出：

${\mathrm{\&theta;}}_i=\arcsin \left(\frac{R_e}{R_e+h_i}\right)$

式中，R_e为地球半径，h_i为终端轨道高度。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中所述将整个终端在光学杂散光分析软件中建模，并且设置地球背景朗伯光源，其中，朗伯光源的发散角分别设置为θ₁到θ₂（第一区域），θ₂到θ₃（第二区域），…，θ_N到θ_N+1（第N区域，且θ_N+1=0），即总共需进行N次仿真，其中，所述分析软件中建模的分析软件为LightTools，购买自美国ORA（Optical Research Associates）公司。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤四中所述确定各部分区域需追迹的光线数具体为：

若朗伯光源在任何发射方向上的光线数密度至少为ρ时，才满足仿真精度要求，并且考虑朗伯光源的特性，则第i区域需仿真的光线数为

$M_i=\underset{{\mathrm{\&theta;}}_{i+1}}{\overset{{\mathrm{\&theta;}}_i}{\&Integral;}}\frac{\mathrm{\&rho;\&pi;}}{\cos {\mathrm{\&theta;}}_i}\sin 2\mathrm{\&theta;}\&CenterDot;\mathrm{d\&theta;}$

其中，所述ρ为单位立体角内仿真的光线数。考虑朗伯光源的特性即不同角度的光强与发射角的余弦成正比。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤五中所述仿真并计算不同轨道处的杂散光功率具体为：

若仿真第i区域得到终端的杂散光功率为S_i，则

$\begin{array}{c}{P}_1=S_1+S_2+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+S_N\\ P_2=S_2+S_3+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+S_N\\ .\\ .\\ .\\ P_i=S_i+S_{i+1}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+S_N\\ .\\ .\\ .\\ P_N=S_N\end{array}$

式中，P_i为轨道高度为h_i时终端的杂散光功率（1≤i≤N）。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

通过以下实施例验证本发明效果：

若总共有5个轨道点需要做地球背景光仿真，轨道高度为别为1000km，2000km，3000km，4000km，5000km；πρ取值为100万。在相同情况下，分别采用传统的仿真方法和本专利的仿真方法对其进行仿真时，结果如下表。

由表可知：采用分区域法进行仿真所需光线数仅为传统方法的28%。由于仿真时间与仿真的光线数成正比，因此本实施方式采用分区域法仿真地球背景光能节约接近70%的时间。

Claims (5)

1.星地激光通信星上终端地球背景光的快速模拟方法，其特征在于星地激光通信星上终端地球背景光的快速模拟方法包括：

(1)确定需要仿真的轨道高度；

(2)计算地球对终端的半张角；

(3)将地球背景光源的整个发射空间区域化；其中，所述将地球背景光源的整个发射空间区域化，设置地球背景朗伯光源，其中，朗伯光源的发散角分别设置为θ₁到θ₂为第一区域，θ₂到θ₃为第二区域，…，θ_N到θ_N+1为第N区域，且θ_N+1＝0，即总共需进行N次仿真，θ表示半张角；

(4)确定各部分区域需追迹的光线数；

(5)仿真并计算不同轨道处的杂散光功率。

2.根据权利要求1所述的星地激光通信星上终端地球背景光的快速模拟方法，其特征在于步骤(1)中所述确定需要仿真的轨道高度具体为：

若星地激光通信时，星上终端的轨道高度变化范围为H_min到H_max，选取需要仿真的N个轨道高度h_i，其中，i＝1，2，…，N，且

H_min≤h₁<...<h_i<...<h_N≤H_max。

3.根据权利要求1所述的星地激光通信星上终端地球背景光的快速模拟方法，其特征在于步骤(2)中所述计算地球对终端的半张角具体为：

需将地球视为具有一定发散角的朗伯光源，不同轨道处地球对终端的半张角由下式给出：

${\mathrm{\&theta;}}_i=\arcsin \left(\frac{R_e}{R_e+h_i}\right)$

式中，R_e为地球半径，h_i为终端轨道高度。

4.根据权利要求1所述的星地激光通信星上终端地球背景光的快速模拟方法，其特征在于步骤(4)中所述确定各部分区域需追迹的光线数具体为：

若朗伯光源在任何发射方向上的光线数密度至少为ρ时，才满足仿真精度要求，并且考虑朗伯光源的特性，则第i区域需仿真的光线数为

$M_i=\underset{{\mathrm{\&theta;}}_{i+1}}{\overset{{\mathrm{\&theta;}}_i}{\&Integral;}}\frac{\mathrm{\&rho;}\mathrm{\&pi;}}{{\mathrm{cos\&theta;}}_i}sin2\mathrm{\&theta;}\&CenterDot;d\mathrm{\&theta;}$

其中，所述ρ为单位立体角内仿真的光线数。

5.根据权利要求1所述的星地激光通信星上终端地球背景光的快速模拟方法，其特征在于步骤(5)中所述仿真并计算不同轨道处的杂散光功率具体为：

若仿真第i区域得到终端的杂散光功率为S_i，则

$\begin{array}{c}{P}_1=S_1+S_2+...+S_N\\ P_2=S_2+S_3+...+S_N\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ P_i=S_i+S_{i+1}+...+S_N\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ P_N=S_N\end{array}$

式中，P_i为轨道高度为h_i时终端的杂散光功率(1≤i≤N)。