CN109787686B - 一种卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正装置及方法 - Google Patents

Abstract

为克服现有技术通过激光通信地面站对卫星光通信终端进行在轨标定时，只能在夜间进行接收光轴位置标定，无法校正终端自身收发同轴度，也无法对终端的捕跟、通信状态进行检查的缺陷，本发明提供一种卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正装置及方法，该装置包括外标校发射支路、标校反射器、粗指向机构、光学天线、精指向机构、分光片Ⅰ、分光片Ⅱ、分光片Ⅲ、超前瞄机构Ⅰ、信号内标校发射支路、超前瞄机构Ⅱ、信标内标校发射支路、通信接收支路、通信探测器、捕跟接收支路、捕跟探测器、通信收发机、终端控制器。该装置及方法能够满足卫星激光通信终端实现在轨自标校的要求，且校正收发光轴的同轴度可达到微弧度量级。

Description

一种卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正装置及方法

技术领域

本发明属于一种空间激光通信技术，主要涉及一种卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正装置及方法。

背景技术

一般卫星光通信终端的信标信号光发散角只有几百乃至几十微弧度，因此光学系统的收发同轴度必须控制在几个微弧度以内。激光通信终端随空间平台经地面发射、入轨剧烈振动和入轨后的热变形等因素都可能会影响光学系统的收发光轴同轴度，对于双向全双工的卫星激光通信设备而言，光学系统收发同轴度决定了双方终端能否正常建立捕跟和通信链路，因此，在轨标校是卫星光通信设备上天后进行捕跟、通信状态自检的首要任务。

卫星光通信设备通常采用地面站进行在轨标定，借助地面站大口径望远镜的优势，在夜间可以直接对卫星目标进行跟踪观测，同时发射信标激光始终覆盖星上终端，星上终端接收地面信标激光后可以通过光电探测器标定自身的接收光轴位置，但是无法校正自身发射光轴与自身接收光轴的同轴度。建设激光通信地面站本身成本高昂，且只能在夜间进行接收光轴位置标定，无法校正终端自身收发同轴度，也无法对终端的捕跟、通信状态进行检查。

《Airbone optical communication demonstrator design and preflight testresults》，出自Proceedings of the SPIE,Volume 5712,p.205-216(2005)，该文献介绍了卫星骨干链路激光终端收发光轴标定方法，单模耦合1550信号光和多模耦合980信标光经过同一发射支路发射，利用主要由快速转镜、波长分光片、平面反射镜以及CCD相机组成的收发光轴标定装置，进行光通信设备的收发光轴标定；

但是，上述技术具有如下缺点：

1、使用平面反射镜反射回光标定收发同轴度，由于平面反射镜没有角锥的反射特性(即反射光始终沿入射光的方向返向传播)，平面反射镜经地面发射、入轨剧烈振动和入轨后的热变形等因素影响，都有可能使标定位置发生变化，因此，平面反射镜作为标定光轴基准的装置依然存在较大的标定误差风险；

2、该文献中的收发光轴标定装置只具备激光通信终端在轨标定自身收发光轴同轴度的功能，不具备在轨校正自身收发光轴同轴的功能，该激光通信终端发射上天后，一旦收发光轴不同轴，可能面临激光通信终端性能下降乃至任务失败的风险。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在只能进行收发光轴位置标定，无法校正收发同轴度的缺陷，提供一种卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正装置及方法，能够对卫星光通信终端的捕跟、通信状态进行检查，满足卫星激光通信终端对于实现在轨自标校的要求。

本发明原理：

本发明提出通过在通信收发器(通信终端)锁紧停靠位置附近安装外标校发射支路和标校反射器(角锥)的方法对卫星激光通信设备进行在轨自标校，结合终端自身配套的超前瞄机构、信标内标校发射支路和信号内标发射支路共用的设计，不仅成本远低于建设地面站的成本，且具有全天候高精度的捕跟、通行状态自检功能，不仅能实现卫星光通信终端的在轨标定，同时还能校正终端光学系统收发同轴度。

为达到上述目的，本发明提供的技术解决方案是：

一种卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正装置，其特殊之处在于：包括外标校发射支路、标校反射器、粗指向机构、光学天线、精指向机构、分光片Ⅰ、分光片Ⅱ、分光片Ⅲ、超前瞄机构Ⅰ、信号内标校发射支路、超前瞄机构Ⅱ、信标内标校发射支路、通信接收支路、通信探测器、捕跟接收支路、捕跟探测器、通信收发机、终端控制器；

所述终端控制器用于接收遥控遥测指令，控制通信收发机开启自标校工作模式；

所述通信收发机与外标校发射支路、信号内标校发射支路、信标内标校发射支路和通信探测器分别通信；

所述外标校发射支路发射的激光依次经过粗指向机构、光学天线、精指向机构、分光片Ⅰ到达分光片Ⅲ；所述分光片Ⅲ将激光分为两路，其中一路经捕跟接收支路到达捕跟探测器；另一路经通信接收支路到达通信探测器；所述外标校发射支路发射的激光中包含同时发射的信标激光和信号激光；

信号内标校发射支路和信标内标校发射支路同时发射激光；

信号内标校发射支路发射的激光经过超前瞄机构Ⅰ到达分光片Ⅱ；

信标内标校发射支路发射的激光经过超前瞄机构Ⅱ也到达分光片Ⅱ；

分光片Ⅱ将从超前瞄机构Ⅰ和超前瞄机构Ⅱ接收的激光合束；合束激光依次经过分光片Ⅰ、精指向机构、光学天线、粗指向机构到达标校反射器；

经标校反射器反射后激光折返，依次经过粗指向机构、光学天线、精指向机构、分光片Ⅰ到达分光片Ⅲ，所述分光片Ⅲ将折返激光分为两路，其中一路经捕跟接收支路到达捕跟探测器；另一路经通信接收支路到达通信探测器。

进一步地，所述外标校发射支路安装于粗指向机构的停靠锁紧位置附近。

进一步地，所述外标校发射支路的通光口径为30mm，外标校发射支路兼容1550nm和800nm波段激光准直发射，其发散角接近衍射理论极限。

进一步地，所述标校反射器安装于粗指向机构的停靠锁紧位置附近。

进一步地，所述标校反射器为角锥。

进一步地，所述标校反射器采用通光口径为40mm的内圆角锥，其综合角差小于1.5″。

进一步地，所述标校反射器的结构件经过钛合金黑色阳极氧化处理。

同时，本发明还提供了一种采用上述卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正装置的卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)利用外标校发射支路同时发射的信标激光和信号激光，外标定接收光轴位置；

2)利用信标内标校发射支路和信号内标校发射支路同时发射的信标激光和信号激光，结合标校反射器的反射作用，内校正发射光轴位置。

进一步地，步骤1)具体为：

1.1)粗指向机构指向外标校发射支路；

1.2)外标校发射支路同时发射信标激光和信号激光；

1.3)信标激光和信号激光经粗指向机构、光学天线、精指向机构、分光片Ⅰ到达分光片Ⅲ，所述分光片Ⅲ将激光分为两路，其中一路经捕跟机构支路到达捕跟探测器；另一路经通信接收支路到达通信探测器；

1.4)在通信探测器能量最大时，记录精指向机构的偏转位置和捕跟探测器上的光斑位置；

1.5)通过步骤1.4)记录的两个位置即标定了接收光轴位置；

1.6)外标定接收光轴完成。

进一步地，步骤2)具体为：

2.1)粗指向机构由外标校发射支路方向转向标校反射器方向；

2.2)信标内标校发射支路和信号内标校发射支路同时发射信标激光和信号激光，信标激光和信号激光均依次经过内标校发射支路、分光片、光学天线、粗指向机构入射至标校反射器；

2.3)信标激光和信号激光经标校反射器反射后，依次经粗指向机构、光学天线、精指向机构、分光片Ⅰ到达分光片Ⅲ，所述分光片Ⅲ将该激光分为两路，其中一路经捕跟接收支路到达捕跟探测器；另一路经通信接收支路到达通信探测器；

2.4)记录此时通信探测器的能量值和捕获探测器的光斑位置；

2.5)分别调整超前瞄机构Ⅰ和超前瞄机构Ⅱ，使捕跟探测器的光斑位置到达步骤1.5)记录的标定位置，并且通信探测器能量达到最大，此时得到校正后的信号发射光轴和信标发射光轴的位置；即通过信标内标校发射支路的超前瞄机构Ⅱ与捕跟探测器光斑位置信息校正信标发射支路与信标接收支路光轴同轴；通过信号内标校发射支路的超前瞄机构Ⅰ与通信探测器能量大小校正信号发射支路与接收支路同轴；

2.6)内校正发射光轴完成。

本发明相比现有技术具有的有益效果是：

相比地面站标校方法，本发明的卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正装置及方法，无须建设地面站进行在轨标定，大大降低了成本，且没有地面站只能夜晚标定的限制，具备全天候高精度的捕跟、通信状态自检功能，进而实现卫星光通信终端的全天候的在轨标定及收发同轴度校正，具体为：

1、本发明的装置使用终端自身配置的超前瞄机构，以及信标内标校发射支路和信号内标校发射支路，仅增加了外标校发射支路和标校反射器等装置，易于工程实现，非常适合在空间重量资源有限的平台上使用；

2、本发明收发同轴度校正精度高。相比于现有激光通信终端在轨标定方法，本发明增加了基于角锥全反射原理的光轴校正功能，有效解决了由于空间飞行器发射时振动和温度变化引起的激光通信终端收发光轴不同轴问题，标校后收发光轴同轴度小于1.5角秒，校正收发光同轴度可达到微弧度量级，使得光轴校正不受轨道环境等因素的影响，提高了校正精度。

附图说明

图1为本发明卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正装置的硬件组成框图；

图2(a)为本发明卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正方法的流程图上半部分；

图2(b)为本发明卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正方法的流程图下半部分。

具体实施方式

下面将结合具体实施例和图2对本发明的卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正方法进行详细地描述。

为实现对卫星激光通信设备在轨自标定和收发光轴校正功能，本发明的卫星光通信终端在轨自标校主要围绕信标激光和信号激光的接收光轴位置标定和发射光轴位置校正两个方面，按其工作过程可分为两个阶段，即外标定接收光轴阶段和内校正发射光轴阶段。

1)外标定接收光轴阶段

1.1)由地面卫星测控中心发送指令激光通信终端开机，遥控遥测信号正常，开始在轨标校模式；粗指向机构由锁紧停靠位置转动至外标较发射支路方向；

1.2)开启外标发射支路的信标激光器和信号激光器；信标激光器发射信标激光，信号激光器同时发射信号激光；

1.3)信标激光和信号激光经粗指向机构、光学天线、精指向机构、分光片Ⅰ6到达分光片Ⅲ8，所述分光片Ⅲ8将激光分为两路，其中一路经捕跟接收支路15到达捕跟探测器16；另一路经通信接收支路13到达通信探测器14；

1.4)在通信探测器能量最大时，记录精指向机构5的偏转位置和捕跟探测器16上的光斑位置，具体为：

1.4.1)判断捕跟探测器是否有光；

1.4.2)若捕跟探测器无光，则精指向机构卸载扫描后，再判断捕跟探测器是否有光；

1.4.3)若步骤1.4.2)判断捕跟探测器仍无光，则故障；

1.4.4)若步骤1.4.2)判断捕跟探测器有光；则调整光斑至地面标较的信标光轴位置后，判断通信探测器是否有光；

1.4.5)若步骤1.4.1)判断捕跟探测器有光，则判断通信探测器是否有光；

1.4.6)若步骤1.4.4)或1.4.5)判断通信探测器无光，则精指向机构卸载扫描后，再判断通信探测器是否有光；

1.4.7)若步骤1.4.6)判断通信探测器仍无光，则故障；

1.4.8)若步骤1.4.6)判断通信探测器有光，且步骤1.4.4)或1.4.5)判断通信探测器无光，则记录通信探测器能量最大时捕跟探测器光斑位置(x,y)；

1.5)步骤1.4.8)记录的位置(x,y)即为接收光轴位置；关闭外标发射支路的信标激光器和信号激光器，开启信标内标发射支路的信标激光器，开启信号内标发射支路的信号激光器；

1.6)外标定接收光轴完成；

2)内校正发射光轴阶段

2.1)粗指向机构由外标校发射支路转动指向标较反射器；

2.2)信标内标校发射支路12和信号内标校发射支路10同时发射信标激光和信号激光，信标激光和信号激光均依次经过内标校发射支路、分光片、光学天线、粗指向机构入射至标校反射器；

2.3)信标激光和信号激光经标校反射器反射后，依次经粗指向机构、光学天线、精指向机构、分光片Ⅰ6到达分光片Ⅲ8，所述分光片Ⅲ8将该激光分为两路，其中一路经捕跟机构支路15到达捕跟探测器16；另一路经通信接收支路13到达通信探测器14；

2.4)记录此时通信探测器的能量值和捕获探测器的光斑位置；判断捕跟探测器是否有光；

2.5)分别调整超前瞄机构Ⅰ9和超前瞄机构Ⅱ11，使捕跟探测器的光斑位置到达步骤1.5)记录的标定位置，并且通信探测器能量达到最大，即得到校正后的通信收发机17发射光轴位置；即通过信标内标校发射支路12的超前瞄机构Ⅱ11与捕跟探测器16光斑位置信息校正信标发射支路与信标接收支路光轴同轴度；通过信号内标校发射支路10的超前瞄机构Ⅰ9与通信探测器14能量大小校正信号发射支路与接收支路。具体为：

2.5.1)若步骤2.4)判断捕跟探测器有光，则判断通信探测器是否有光；

2.5.2)若步骤2.4)判断捕跟探测器无光，则经超前扫描机构Ⅱ扫描后，再次判断捕跟探测器是否有光；

2.5.3)若步骤2.5.2)判断捕跟探测器仍无光，则故障；

2.5.4)若步骤2.5.2)判断捕跟探测器有光，则记录捕跟探测器有光时超前扫描机构Ⅱ的位置；然后再判断通信探测器是否有光；

2.5.5)若步骤2.5.4)判断通信探测器有光，则记录通信探测器能量最大时捕跟探测器光斑位置(x’,y’)；

2.5.6)若步骤2.5.4)判断通信探测器无光，则经超前扫描机构Ⅰ扫描后，再次判断通信探测器是否有光；

2.5.7)若步骤2.5.6)判断通信探测器无光，则记录捕跟探测器光斑位置(x’,y’)；

2.5.8)若步骤2.5.1)判断通信探测器无光，则经超前扫描机构Ⅰ扫描，通信探测器再次判断是否有光；

2.5.9)若步骤2.5.1)判断通信探测器有光，则记录通信探测器能量最大时捕跟探测器光斑位置(x’,y’)

2.5.10)若步骤2.5.8)判断通信探测器无光，则记录捕跟探测器光斑位置(x’,y’)；

2.5.11)若步骤2.5.1)判断通信探测器有光，且步骤2.5.6)判断通信探测器有光，则记录通信探测器能量最大时，超前扫描机构Ⅰ的位置作为新零点，并记录捕跟探测器光斑位置(x’,y’)；

2.5.12)利用步骤2.5.9)、步骤2.5.10)以及步骤2.5.11)分别获取的捕跟探测器光斑位置(x’,y’)，驱动超前扫描机构Ⅱ使得光斑从位置(x’,y’)到(x,y),记录此时超前扫描机构Ⅱ位置作为零点；

2.5.13)利用步骤2.5.12)获取的零点以及步骤2.5.5)获取的捕跟探测器光斑位置(x’,y’)以及步骤2.5.7)获取的捕跟探测器光斑位置(x’,y’)，驱动超前扫描机构Ⅱ使得光斑从位置(x’,y’)到步骤1.4)获取的接收光轴位置(x,y),并记录此时超前扫描机构Ⅱ位置作为零点；

2.6)内校正发射光轴完成。

Claims (8)

1.一种卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正装置，其特征在于：包括外标校发射支路(1)、标校反射器(2)、粗指向机构(3)、光学天线(4)、精指向机构(5)、分光片Ⅰ(6)、分光片Ⅱ(7)、分光片Ⅲ(8)、超前瞄机构Ⅰ(9)、信号内标校发射支路(10)、超前瞄机构Ⅱ(11)、信标内标校发射支路(12)、通信接收支路(13)、通信探测器(14)、捕跟接收支路(15)、捕跟探测器(16)、通信收发机(17)、终端控制器(18)；

所述终端控制器(18)用于接收遥控遥测指令，控制通信收发机(17)开启自标校工作模式；

所述通信收发机(17)与外标校发射支路(1)、信号内标校发射支路(10)、信标内标校发射支路(12)和通信探测器(14)分别通信；

所述外标校发射支路(1)发射的激光依次经过粗指向机构(3)、光学天线(4)、精指向机构(5)、分光片Ⅰ(6)到达分光片Ⅲ(8)；所述分光片Ⅲ(8)将激光分为两路，其中一路经捕跟接收支路(15)到达捕跟探测器(16)；另一路经通信接收支路(13)到达通信探测器(14)；所述外标校发射支路(1)发射的激光中包含同时发射的信标激光和信号激光；

信号内标校发射支路(10)和信标内标校发射支路(12)同时发射激光；

信号内标校发射支路(10)发射的激光经过超前瞄机构Ⅰ(9)到达分光片Ⅱ(7)；

信标内标校发射支路(12)发射的激光经过超前瞄机构Ⅱ(11)也到达分光片Ⅱ(7)；

分光片Ⅱ(7)将从超前瞄机构Ⅰ(9)和超前瞄机构Ⅱ(11)接收的激光合束；合束激光依次经过分光片Ⅰ(6)、精指向机构(5)、光学天线(4)、粗指向机构(3)到达标校反射器(2)；

经标校反射器(2)反射后激光折返，依次经过粗指向机构(3)、光学天线(4)、精指向机构(5)、分光片Ⅰ(6)到达分光片Ⅲ(8)，所述分光片Ⅲ(8)将折返激光分为两路，其中一路经捕跟接收支路(15)到达捕跟探测器(16)；另一路经通信接收支路(13)到达通信探测器(14)。

2.根据权利要求1所述的卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正装置，其特征在于：所述外标校发射支路(1)安装于粗指向机构(3)的停靠锁紧位置附近。

3.根据权利要求2所述的卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正装置，其特征在于：所述外标校发射支路(1)的通光口径为30mm，外标校发射支路(1)兼容1550nm和800nm波段激光准直发射，其发散角接近衍射理论极限。

4.根据权利要求1所述的卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正装置，其特征在于：所述标校反射器(2)安装于粗指向机构(3)的停靠锁紧位置附近。

5.根据权利要求4所述的卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正装置，其特征在于：所述标校反射器为角锥。

6.根据权利要求5所述的卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正装置，其特征在于：所述标校反射器(2)采用通光口径为40mm的内圆角锥，其综合角差小于1.5″。

7.根据权利要求4-6任一项所述的卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正装置，其特征在于：所述标校反射器(2)的结构件经过钛合金黑色阳极氧化处理。

8.利用权利要求1-7任一所述卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正装置的卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用外标校发射支路同时发射的信标激光和信号激光，外标定接收光轴位置；

步骤1)具体为：

1.1)粗指向机构指向外标校发射支路；

1.2)外标校发射支路同时发射信标激光和信号激光；

1.3)信标激光和信号激光经粗指向机构、光学天线、精指向机构、分光片Ⅰ(6)到达分光片Ⅲ(8)，所述分光片Ⅲ(8)将激光分为两路，其中一路经捕跟机构支路(15)到达捕跟探测器(16)；另一路经通信接收支路(13)到达通信探测器(14)；

1.4)在通信探测器能量最大时，记录精指向机构(5)的偏转位置和捕跟探测器(16)上的光斑位置；

1.5)通过步骤1.4)记录的两个位置即标定了接收光轴位置；

1.6)外标定接收光轴完成；

2)利用信标内标校发射支路(12)和信号内标校发射支路(10)同时发射的信标激光和信号激光，结合标校反射器的反射作用，内校正发射光轴位置；

步骤2)具体为：

2.1)粗指向机构由外标校发射支路方向转向标校反射器方向；

2.2)信标内标校发射支路(12)和信号内标校发射支路(10)同时发射信标激光和信号激光，信标激光和信号激光均依次经过内标校发射支路、分光片、光学天线、粗指向机构入射至标校反射器；

2.3)信标激光和信号激光经标校反射器反射后，依次经粗指向机构、光学天线、精指向机构、分光片Ⅰ(6)到达分光片Ⅲ(8)，所述分光片Ⅲ(8)将该激光分为两路，其中一路经捕跟接收支路(15)到达捕跟探测器(16)；另一路经通信接收支路(13)到达通信探测器(14)；

2.4)记录此时通信探测器的能量值和捕获探测器的光斑位置；

2.5)分别调整超前瞄机构Ⅰ(9)和超前瞄机构Ⅱ(11)，使捕跟探测器的光斑位置到达步骤1.5)记录的标定位置，并且通信探测器能量达到最大，此时得到校正后的信号发射光轴和信标发射光轴的位置；

2.6)内校正发射光轴完成。

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