CN109891778A - 组合成像与激光通信系统 - Google Patents

Abstract

通过激光信号成像和通信的组合系统包括望远镜(10)，在所述望远镜中，主镜片(1)和副镜片(2)在成像功能与涉及激光传输信号发射的功能之间共享。通过在承载组合系统的卫星上额外放置地理定位装置获取激光传输信号的发射方向(DE)所需的精度。不使用粗化对准组件，而且系统也可能没有任何细化对准组件和目标捕获和跟踪检测器。

Description

组合成像与激光通信系统

技术领域

本发明涉及到一种组合成像与激光通信系统、承载这种系统的卫星以及通过激光信号进行通信的方法。

背景技术

通过激光信号在绕地球轨道运行的卫星与位于地球上或另一个卫星上的激光通信接收器之间进行通信是众所周知的。通常，卫星上装有专用于激光信号通信的终端。这种激光通信终端通常包括激光辐射源、激光通信控制器、向外发射激光辐射的光学仪器、用CPA表示的粗化对准组件以及用FPA表示的细化对准组件。发射光学仪器通常是具有至少两个镜片的望远镜，包括主镜片和副镜片。粗化对准组件和细化对准组件用于根据目标方向实时指引并保持终端的发射方向，所述目标方向被确定为指向激光通信接收器。为此，根据轨道测量数据的传播实时估算发射方向，该数据定期从地面加载到卫星，例如，卫星在其轨道上每旋转一圈或者每一天加载一次。换言之，卫星坐标在不同时间更新，然后根据激光通信接收器的坐标并根据发射激光传输信号的卫星的稍后位置计算目标方向。从卫星坐标的最后一次更新中计算出卫星在发射激光传输信号过程中的这个位置，以及发射这些信号的目标方向。所述计算通常是在惯性参考系中进行的，所述惯性参考系意即相对于遥远的恒星固定的参考系。

按照已知的方式，粗化对准组件包括两轴万向节，在所述两轴万向节上安装激光通信终端的光学零件，或者在其上安装终端的输出镜片。这种粗化对准组件由具有两个旋转轴的支架、两个马达以及必要的控制器组成。

而且按照已知的方式，细化对准组件包括小的可移动镜片，该可移动镜片设置在激光辐射源于向外输出激光辐射的光学仪器之间的激光传输信号的激光辐射路径中。该可移动镜片设置在终端内的激光传输信号路径的一部分上，这部分是发射路径和接受路径的共用部分，以便稳定终端的视线。按照这种方式，可以消除同一视线中存在的干扰。为此，细化对准组件还包括执行器以及用于指引可移动镜片的附加控制器。

此外，再一次按照已知的方式，卫星上装载的激光通信终端进一步包括目标捕获和跟踪系统或者ATS。这种目标捕获和跟踪系统的功能是最初检测、然后跟踪远程激光通信接收器，把从卫星发射的信号传输到所述远程激光通信接收器上。这种系统包括基于阵列的图像检测器，使之能够至少控制细化对准组件的调整，以使激光传输信号的发射方向与远程接收器发射的激光信号的接受方向之间发生偏差。

文献EP1635485表明，已经改进了卫星的姿态和轨道控制系统，这样使之能够消除卫星上装载的激光通信终端的粗化对准组件。然后，把用于通过装置发射激光辐射的光学仪器牢固地固定到卫星的框架上，使得该光学仪器的光轴相对于框架固定。然后，可以通过定向整个卫星并使用细化对准组件将通过终端发射激光传输信号的方向调整到目标方向。

卫星常用于成像任务，其中，通过卫星上装载的成像仪器捕获地球表面的图像，而且其中，光学仪器部分通常是由望远镜组成的。通过传输激光信号进行的通信非常适合把图像数据传输到可能位于地球或其它卫星上的远程接收器。使之能够以较低功耗进行非常高速的数据传输。但是，光通信系统的复杂性和成本，尤其是由于对准组件及相关控制系统，限制了该技术的使用。

考虑到这种情况，本发明的目的是减少这种卫星的部件的数量，这有助于其重量、成本及其发射成本。

发明内容

为了实现至少其中一个目的，本发明的第一方面是提供通过激光信号成像和通信的组合系统，包括：

-望远镜，至少包括主镜片和副镜片，适合通过至少主镜片上、然后是副镜片上的场景接收的辐射的反射，在望远镜的焦平面形成位于望远镜对准方向的场景的图像；以及

-图像传感器，设置在望远镜的焦平面中，能够捕捉场景的图像；以及

-激光辐射源，适合产生激光传输信号。

根据本发明，激光辐射源被布置成使得至少通过副镜片，然后通过主镜片反射构成激光传输信号的激光辐射，从而朝向在系统外的激光通信接收器将其发射。换言之，同一望远镜的主镜片和副镜片用于成像和发射激光传输信号的两个功能。这种功能组合避免额外添加独立于专用于成像功能的第一个望远镜的专用于发射激光传输信号功能的另一个望远镜。

一般而言，本发明的望远镜可进一步包括第三镜片，并且适合通过从依次在主镜片、副镜片和第三镜片上的场景接收的辐射的反射在望远镜的焦平面中形成场景的图像。尤其是，望远镜可以是科尔施型望远镜，因为其通常用于地球观测卫星的成像功能。

在具有主镜片、副镜片和第三镜片的本发明的这种实施例中，系统可以被布置成使得在不被第三镜片反射的情况下，通过副镜片，然后通过主镜片反射构成激光传输信号的激光辐射，以便朝向在系统外的激光通信接收器发射。为此，可将构成激光传输信号的激光辐射引入望远镜的中间焦平面，该焦平面对主镜片和副镜片反射的辐射有效，但对第三镜片无效。

在同样具有主镜片、副镜片和第三镜片的本发明的其它实施例中，系统可以被布置成使得通过第三镜片，然后通过副镜片，接着通过主镜片依次反射构成激光传输信号的激光辐射，以便朝向在系统外的激光通信接收器发射。在这种情况下，系统可进一步布置成把构成激光传输信号的激光辐射带到远离图像传感器的焦平面的位置。把激光辐射带到特定位置的含义是把激光辐射从该辐射源引入和/或引导到确定位置的任何方法。这尤其包括将源放到该位置，尤其是在源是激光二极管的情况下，或者通过光纤针对从激光辐射源到确定位置的至少一部分光路引导激光辐射，或者以把激光辐射从源传输到确定位置的至少一个镜片、半反射板或折射面为基础的任何光学系统。

作为选择，系统可进一步包括焦平面复制元件，其被布置为创建望远镜焦平面的图像，称为次焦平面。然后系统可以被布置成使得把构成激光传输信号的激光辐射带到次焦平面的位置，该位置通过焦平面复制元件在光学上叠置在图像传感器上。然后通过焦平面复制元件朝第三镜片指引由激光辐射源产生的激光传输信号的激光辐射，然后通过该第三镜片，然后通过副镜片，接着通过主镜片依次反射所述激光辐射，从而朝向在系统外的激光通信接收器将其发射。在本发明的这种实施例中，焦平面复制元件可包括镜片或二向色板，其被布置为反射激光传输信号的激光辐射以及从场景接收的辐射之中一个，并且在不通过该镜片或二向色板反射的情况下传输所述两个辐射之中另一个。

如有必要，系统可进一步包括用于接收外部激光通信信号的路径。这种接收路径可包括接收检测器，其被布置成使得在到达接收检测器之前至少通过主镜片，然后通过副镜片反射由系统外的激光通信接收器发射的外部激光通信信号的辐射。因此，至少望远镜的主镜片和副镜片也与接收路径共享。有利地，系统可以进一步被布置成使得由该系统发射的激光传输信号的激光辐射以及到达接收检测器的由系统外部的激光通信接收器发射的外部信号的辐射遵循望远镜内相同的光路，与此同时按照相反的传播方向行进。

本发明的第二方面提供用于放置在绕地球轨道上的卫星，包括：

-根据本发明第一方面的通过激光信号成像和通信的组合系统，其被固定在卫星框架上，以便望远镜的对准方向相对于框架固定；

-卫星定向装置；以及

-姿态和轨道控制系统，适合控制卫星定向装置，从而把激光传输信号的发射方向带到目标方向，使得通过激光信号成像和通信的组合系统按照目标方向发射激光传输信号。

因为望远镜的对准方向相对于这种卫星中的框架固定，所以它没有粗化对准组件。仅利用卫星定向装置调整望远镜用于成像功能的对准方向。还可以利用同一个卫星定向装置调整激光传输信号的发射方向，但是在适当的情况下，在所发射的激光传输信号的激光辐射的光路中可能额外利用在通过激光信号成像和通信的组合系统中存在的细化对准组件。

根据本发明的附加特征，卫星进一步包括：

-地理定位装置，适合接收地理定位信号并根据所接收的地理定位信号计算卫星的位置；以及

-模块，适合根据由地理定位装置计算的卫星的位置并根据卫星外部的激光通信接收器的坐标计算目标方向，使得目标方向从卫星指向该激光通信接收器。

卫星的地理定位装置可能是GPS装置或者独立于本发明的卫星部署的任何其它地理定位装置。

根据本发明第二方面的卫星的改进，可以调整用于计算卫星位置的地理定位装置的精度以及卫星定向装置的精度，使得从卫星发射的激光传输信号被卫星外部的激光通信接收器接收，与此同时保持激光传输信号的发射方向相对于望远镜固定。换言之，安装在卫星上的本发明的系统可能没有任何细化对准组件。然后，仅利用卫星定向装置调整激光传输信号的发射方向。

有利地，在不使用细化对准组件的情况下，卫星也可能没有基于由卫星外部的激光通信接收器发射的外部激光信号运行的任何目标捕获和跟踪系统。在这种情况下，调整计算卫星位置的地理定位装置的精度以及卫星定向装置的精度，使得控制卫星定向装置将激光传输信号的发射方向定向到目标方向时，从卫星发射的激光传输信号被卫星外部的激光通信接收器接收。于是，安装在卫星上的通过激光信号通信的系统特别简单。

最后，本发明的第三方面提供通过激光信号进行通信的方法，该方法是在绕地球轨道运行的卫星上按照本发明的第二方面实施的，该方法包括以下步骤：

/1/接收地理定位信号，然后通过所接收的地理定位信号计算卫星的位置；

/2/通过在第/1/步计算的卫星的位置，并且通过卫星外部的激光通信接收器的坐标，计算要从卫星朝向激光通信接收器发射的激光传输信号的目标方向；然后

/3/将卫星定向到所计算的目标方向，然后激活激光辐射源，从而朝向激光通信接收器发射激光传输信号。

根据本发明，在卫星在其轨道中旋转一圈的过程中多次执行步骤/1/，利用最后一次执行步骤/1/时计算的卫星位置执行步骤/2/和步骤/3/。利用地理定位取得卫星坐标，在卫星在其轨道中每旋转一圈多次重复地理定位操作使得卫星位置的精度足以消除粗化对准机构，并且还可以消除细化对准组件，而且还可能消除目标捕获和跟踪系统。

在根据本发明的方法的可能用法中，卫星的轨道高度可小于2000km(千米)，激光通信接收器可位于地球表面或者位于轨道高度也小于2000km的另一颗地球卫星上，或者位于处于地球同步轨道中的另一颗卫星上。

附图说明

通过某些非限制性的示例性实施例的以下说明，结合附图，本发明的其它特征和优点显而易见，在附图中：

-图1显示了三镜片望远镜的输入光场的区域；

-图2至图5是针对本发明四个不同实施例的通过激光信号成像和通信的组合系统的光学图；

-图6按照图示显示了根据本发明的卫星的某些设备；以及

-图7示出了根据图5的卫星的用法。

清晰起见，各图中所示的元件尺寸与其实际尺寸或实际尺寸并比不相符。而且，不同图中所示的相同标号表示相同元件或者具有相同功能的元件。

具体实施方式

首先针对望远镜10对本发明进行了详细的说明，所述望远镜10具有三个镜片，即在图2至图4中标为1的主镜片、标为2的副镜片以及标为3的第三镜片。主镜片1通常为凹镜片，副镜片2可为凸镜片，第三镜片3为凹镜片。这种望远镜提供了把图像传感器放在望远镜的焦平面PF中的多种可能性，以便捕捉望远镜输入光场内包含的远程场景的图像。第一种可能性是把图像传感器放置在靠近望远镜光轴,被称为卡塞格伦视场(Cassegrain fieldof view)的区域中。第二种可能性是把图像传感器放在相对于望远镜光轴偏离中心的区域中，被称为科尔施视场(Korsch field of view)。按照已知的方式，与卡塞格伦视场相比，三镜片望远镜的结构在科尔施视场提供更好的图像质量。此外，科尔施视场比卡塞格伦视场更宽。由于这些原因，在成像中广泛使用科尔施结构。

在图1中，标号L3指代三镜片望远镜的输入光场的外围边界。L1是卡塞格伦视场的周围边界，L2是科尔施视场的内边界。换言之，科尔施视场包含在边界L2与L3之间。图像传感器5位于与科尔施视场相对应的焦平面PF的区域，例如，其形式为线性传感器，所述线性传感器的定向垂直于望远镜焦平面PF中图像的滚动速度V。因此，根据本发明，可将来自用于产生传输信号的源的激光辐射在以下三个位置之一引入望远镜的光场中：位置E1，在卡塞格伦视场的图像内，与图2的实施例相对应；位置E2，在科尔施视场的图像内叠置在图像传感器上，与图3的实施例相对应；或者位置E3，也在科尔施视场的图像内，但是相对于图像传感器偏置，与图4的实施例相对应。

在这种三镜片望远镜中，源自位于对准方向DP的远程场景的成像辐射首先被主镜片1反射，然后被副镜片2反射，然后被副镜片3反射，并在图像传感器5上收敛。在各图中用简单箭头表示与该成像辐射相对应的射线。偏转镜片4可用于副镜片2与第三镜片3之间的成像辐射的光路中。图1中的“A”或者图2至图5中的“A-A”表示卡塞格伦场的光轴，该光轴垂直于焦平面PF。

用于生成激光传输信号的激光辐射源标为6。例如，所述激光辐射源可以是激光二极管，或者是发射激光辐射的光纤的输出端。在下文中，可以假设源6的性质是局部化或者有效局部化的。在各图中用双箭头表示与该激光辐射相对应的射线。

根据本发明，至少主镜片1和副镜片2额外用于朝远程接收器发激光传输信号，所述远程接收器用于接收这些信号。按照已知的方式，这些信号用于以非常高的传输速度在非常大的距离传输数据。

在图2所示的本发明的第一实施例中，激光辐射源6位于卡塞格伦视场的图像内，在望远镜10的中间焦平面内，所述望远镜10由主镜片1和副镜片2形成，不包括第三镜片3。因此，其发射方向与光轴A-A共线。在卡塞格伦视场内，标为PI的中间焦平面通过镜片1和镜片2与位于主镜片1前很远距离处的场景元素光学共轭。因此，当激光通信接收器沿着光轴A-A位于望远镜10前很远距离处时，由源6产生的构成激光传输信号的激光辐射首先被副镜片2反射，然后被主镜片1反射，然后以平行光束F的形式按照远程接收器的方向传播。在本发明的这个特殊实施例中，标为DE的激光传输信号的发射方向因此平行于主镜片1前的望远镜10的卡塞格伦场的光轴A-A。

在图3所示的本发明的第二个实施例中，显示了参考图1和图2所描述的科尔施型望远镜，局部化或者有效局部化的激光辐射源6设置在次焦平面PS中，所述次焦平面穿过三个镜片1、2和3的光轴与焦平面PF的光轴共线，用于容纳图像传感器5。为此目的，标为7的焦平面复制元件可以设置在第三镜片3与图像传感器5之间的辐射路径中。次焦平面PS因此不同于焦平面PF，所以，激光辐射源6可以位于次焦平面PS中，其位置由元件7叠置在图像传感器5的一个点的图像上。如果源6按照这种方式由元件7叠置在图像传感器5中间的图像上，那么激光传输信号的发射方向DE则与望远镜DP的对准方向一致(图3中的箭头DP和DE平行)。例如，在由源6产生的激光辐射的波长等于1.55微米的情况下，图像传感器5对其敏感的辐射则在可见光范围内，焦平面复制元件7可以是二向色板。作为选择，所述焦平面复制元件可以是具有光圈的镜片，用于反射以下两种辐射中的一种，即用于图像传感器5的辐射或者由源6产生的辐射，并且用于根据元件7处两种辐射的光束的横向尺寸通过光圈传输另一种辐射。

最后，在通过图4阐释的本发明的第三个实施例中，再次使用图1和图2的科尔施望远镜，激光辐射源6可设置在望远镜10的焦平面PF中，位于该平面中相对于图像传感器5偏置的位置。例如，源6可位于焦平面PF内图像传感器5中央的右侧，与图4的平面外的位置相对应。在这种情况下，发射方向DE倾斜于图4的平面(箭头DE的线边缘不平行)，图中一个平面的一个分量与对准方向DP平行。

为了说明本发明关于所使用的望远镜类型的普遍性，现在参考图5针对卡塞格伦型望远镜10进行说明。这种望远镜只有两个镜片：为凹镜片的主镜片1以及为凸镜片的副镜片2。通过再次利用元件7复制望远镜10的焦平面PF，图像传感器5可位于望远镜的光轴A-A上，而激光辐射源6则位于由元件7形成的光轴A-A的图像与亦由该元件7形成的次焦平面PS之间的交叉处。在这种结构中，用于成像功能的望远镜10的对准方向DP以及激光传输信号的发射方向DE都与光轴A-A一致。

在刚刚参考图2至图5所述的通过激光信号成像和通信的组合系统的四个实施例中，主镜片1和副镜片2由成像功能和激光信号发射功能共享。此外，在图3和图4的实施例中，第三镜片3也由这两个功能共享。由两个功能共享的镜片与激光辐射源6形成通过激光信号通信的发射路径。该发射路径进一步包括在图6中标为CTRL并用60表示的激光通信控制器。

可选地，可以添加接收激光通信信号的路径(未示出)，以形成激光信号通信的发射和接收终端。接收路径与发射路径相结合，尤其是使用相同镜片按照两个路径中方向相反的传播方向收集和传输激光辐射，并不是本发明的直接组成部分，可以通过本领域技术人员已知的激光信号通信终端获取。有利地，由源6产生的用于远程接收器的传输信号的激光辐射的光路以及来自远程接收器的外部信号可以遵循在望远镜内相同的光路，尽管所述光路按照相反方向行进。然后，接收路径是由望远镜的镜片、接收传感器以及一部分激光通信控制器60形成的，所述镜片由成像功能和发射激光传输信号的功能共享，由镜片把所接收的外部激光信号的辐射聚焦在所述接收传感器上，所述激光通信控制器60专用于接收功能。

关于图6，卫星100承载可根据刚刚所述实施例之中一个实施例的通过激光信号成像和通信的系统。望远镜10和图像传感器5牢固地固定在卫星的框架101上，所以用于成像功能的对准方向DP相对于整个卫星100固定。因此通过使整个卫星100定向而使对准方向DP指向要在图像中捕捉的场景。为此，卫星100装有用于改变其定向的被称为卫星定向装置的装置11以及标为SCAO的姿态和轨道控制系统12。例如，装置11可以是CMG型("控制力矩陀螺")或者反应轮类型，或者是组合型。姿态和轨道控制系统12可以是技术人员已知的模型。通常，姿态和轨道控制系统使用惯性参考系识别卫星的位置和定向，意即相对应遥远横向固定的参考系。标号50表示数据处理和存储单元，所述数据处理和存储单元用于通过使用望远镜10和图像传感器5得到的每个镜片生成的图像。在图6中将该数据处理和存储单元50标为“COMPUT.&STORAGE”。

根据本发明，使用至少一部分望远镜的激光信号发射终端没有任何粗化对准组件，因为望远镜10牢固地固定到卫星100的框架101，而且没有任何可定向的输出镜片。

激光辐射源6相对于望远镜10是固定的，但是可能利用细化对准组件相对于卫星100的框架101改变激光传输信号的发射方向DE。这种细化对准组件可以在光学上位于源6与用于向外发射激光辐射的望远镜10的一部分之间。但是，图中未示出的这种细化对准组件在本发明中是可选的，而且在卫星100上装载的激光信号发射终端中最好不提供所述细化对准组件。因此，在没有细化对准组件的情况下，只能使用卫星定向装置11调整激光传输信号的发射方向DE。对于由距离卫星100很远的激光通信接收器实际接收的激光传输信号而言，仅使用卫星定向装置11调整发射方向DE必须足够精确。以下两项误差促成作用会降低调整发射方向DE的精度，所述调整是通过使整个卫星定向实现的：

/i/第一项误差促成作用，是在相对于朝向远程接收器的实际方向确定目标方向，按照所述目标方向发射激光传输信号时发生的，信号用于所述远程接收器；以及

/ii/第二项误差促成作用，在目标方向与发射方向DE之间出现，所述目标方向用作卫星100的参考定向，所述发射方向DE实际是由卫星定向装置11产生的。

可接受的总误差取决于在作为激光信号终点的激光通信接收器处测量的望远镜10发射的激光束F的直径。因为卫星100的任务是捕捉地球表面的图像，所以其轨道高度较低，通常在400km至2000km之间。于是，可以使用两种不同配置通过激光通信传输与所捕捉的图像相对应的数据：

配置1：把数据传输到位于地球上的激光通信接收器，或者传输到也位于低高度轨道的另一颗卫星。在这两种情况下，传输距离通常小于5000km；

配置2：把数据传输到位于地球同步卫星上的激光通信中继设备。传输距离与地球同步轨道的高度相似，意即大约为33，000km至40，000km。

在配置1中，激光传输信号发射方向DE的总对准误差必须小于或等于20μrad(微弧度)。

现有的姿态和轨道控制系统和卫星定向装置用于针对目标方向以小于10μrad的误差使卫星定向，所述目标方向是在惯性参考系中确定的。即使在没有细化对准组件的情况下，与上述误差促成作用/ii/相对应的这个误差也是可接受的。

通常已知激光通信接收器的坐标在地球参考架中具有很高精确度，激光信号用于所述激光通信接收器，而且所述坐标向惯性系转换不存在问题。误差促成作用/i/于是主要由在发射激光传输信号的时刻计算卫星100的位置得出。

通常，换言之，在本发明以前，卫星100针对发射激光传输信号的时刻的这个位置是根据卫星的先前位置计算的，该测量值仅在卫星在其轨道中每旋转一圈时更新一次，对于低高度轨道而言通常大约每90分钟一次。通过卫星实际位置的最后更新测量值计算卫星发射时的位置。但是，该计算只是误差促成作用/i/主要部分的原由，产生在目标方向与实际方向之间可达1000μrad(微弧度)的误差，激光通信接收器在发射时刻位于所述实际方向。这种误差对于成像功能中的图像捕捉不会造成任何问题，但是与通过激光信号进行通信所需的精度不兼容(发射方向DE的总对准误差小于或等于20μrad)。

为了降低误差促成作用/i/，根据本发明的另一个特征，地理定位装置14(图6)以及用于计算发射激光传输信号的目标方向的模块13也装载在卫星100上。装置14包括用于来自地理定位卫星201-206星群的地理定位信号的接收器以及用于通过所接收的地理定位信号推导卫星100的位置的计算器。例如，地理定位装置14可适用于GPS系统(“全球定位系统”的缩写)或者围绕地球施置的任何其它地理定位系统。于是，由地理定位装置14提供的卫星100位置精度在几米之内，而且通过地理定位确定的这个位置可以根据需要随时更新，甚至可以针对激光传输信号的每个发射序列实时确定。因此几乎可以完全避免由于通过太旧的测量位置计算新的卫星位置导致的误差促成作用/i/。

标为MOD的模块13接收来源于最后执行的地理定位的卫星100位置的坐标。这些坐标通常用地球参考架表达。由此推导出发射激光传输信号的下一时刻的卫星100的坐标，例如，在地球参考架中推导，但是最后执行的地理定位的时刻与发射时刻之间的时间足够短，使得如此计算卫星100的移动只产生可忽略的误差。然后，模块13把未来发射时刻的卫星坐标100以及相同的未来发射时刻的激光通信接收器的坐标转换到惯性参考系，然后在惯性参考系中推导出发射的目标方向。按照这种方式得到的关于发射激光传输信号的目标方向的误差促成作用/i/仅为几微弧度，这与上文针对配置1和2的激光通信信号所述的要求相一致。

把通过模块13如此计算的目标方向传输到姿态和轨道控制系统12，该系统控制定向装置11，从而针对激光传输信号的发射时刻按照目标方向使卫星100定向。本质上，通过现有地理定位系统的精度以及通过当地理定位确定卫星位置时卫星位置的新更新的几乎连续可用性提供激光传输信号发射方向DE的精度所需的增益。

然后，可以通过处理和存储单元50把与先前使用望远镜10和图像传感器5捕捉的图像相对应的数据发送到激光通信控制器60。然后，当卫星100处于其轨道中的所选发射位置，并且已经通过卫星定向装置11把发射方向DE带到目标方向时，所述激光通信控制器通过启动激光辐射源6而触发其传输。

如果激光传输信号在发射方向DE的精度仍然不够，尤其是针对上文提及的配置2，并且针对刚刚所述的根据本发明的卫星100，可将以下两个附加装置中至少一个装载到卫星100上，在通过激光信号成像和通信的组合系统的激光通信部分中：

-目标捕获和跟踪系统：该系统包括检测器，所述检测器具有对从远程激光通信接收器接收的通信信号的激光辐射敏感的光元件阵列。这些所接收的信号可以同样是信标信号、控制信号或数据信号。基于阵列的检测器位于望远镜10的焦平面PF中，或者位于次焦平面中，所述次焦平面是利用适当设置的焦平面复制元件产生的。然后，检测到所接收的信号的激光辐射的检测器阵列点和与发射方向DE相对应的参考点之间的差值可以用作传递到姿态和轨道控制系统的反馈参数。通过实施反馈进行的这种操作提高了发射方向DE相对于激光通信接收器实际方向的精度；

-细化对准组件：该组件，以小尺寸可移动镜片为基础，除了能够通过卫星定向装置11进行调整外，还能够以非常短的恒定反应时间实时调整发射方向DE。

优选地，如果首选执行的目标捕获和跟踪系统的添加不足以达到在没有细化对准组件的情况下发射方向DE所需的精度，则在第二次执行时只添加细化对准组件。通常，根据某一点的偏差把细化对准组件的可移动镜片的定向控制在目标捕获和跟踪系统的以阵列为基础的检测器上，在所述点从远程激光通信接收器接收激光辐射。

根据本发明的通过激光信号成像和通信的组合系统中的这两个附加装置的每一次实施都与激光通信终端中所采用的实施相同，所述激光通信终端独立于成像装置，并且假定其为众所周知。为此，在此不再赘述这两个可选装置的实施。

最后，图7显示了地球，用T表示，其中心有点CT。本发明的卫星100在低高度轨道区域内在轨道O₁₀₀中移动。独立于卫星100，地理定位卫星201-206，其数量不受限制，形成覆盖卫星100在其轨道O₁₀₀中的任何位置的星群。在其轨道O₁₀₀中的位置，卫星100接收来自某些地理定位卫星的地理定位信号，例如，分别由卫星201、205和206传输的信号G₂₀₁、G₂₀₅和G₂₀₆。标号R表示位于地球上的情况下的激光通信接收器。然后，本发明的实施使卫星100能够以激光束F的形式朝接收器R发射激光传输信号，其在发射方向的精度足以获得令人满意的接收质量。

最后，提醒大家，当激光通信接收器R在另一颗低高度轨道卫星上或者在地球同步卫星上时，可以用相似的方式实施本发明。

还需要提醒大家，就望远镜具有至少两个可用于成像的镜片这个意义而言，本发明与所使用的望远镜类型无关，所述镜片即改变辐射束的收敛的镜片。

最后，还需要提醒大家，可以选择性地使用目标捕获和跟踪系统和细化对准组件，而且本发明的优选实施例没有任何此类装置。

Claims (14)

1.通过激光信号成像和通信的组合系统，其包括：

-望远镜(10)，其至少包括主镜片(1)和副镜片(2)，且适合通过从至少主镜片上、然后是副镜片上的场景接收的辐射的反射，在所述望远镜的焦平面(PF)形成位于所述望远镜的对准方向(DP)的场景的图像；以及

-图像传感器(5)，其设置在所述望远镜(10)的焦平面(PF)中，能够捕捉场景的图像；以及

-激光辐射源(6)，其适合产生激光传输信号，

其特征在于，设置所述激光辐射源(6)以便至少通过所述副镜片(2)，然后通过所述主镜片(1)反射构成激光传输信号的激光辐射，从而朝向在系统外的激光通信接收器(R)将其发射。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述望远镜(10)进一步包括第三镜片(3)，并且适合通过从依次在所述主镜片(1)、所述副镜片(2)和所述第三镜片上的场景接收的辐射的反射在所述望远镜的焦平面(PF)中形成场景的图像。

3.根据权利要求2所述的系统，所述系统被布置成使得在不被所述第三镜片(3)反射的情况下，通过所述副镜片(2)，然后通过所述主镜片(1)反射构成激光传输信号的激光辐射，以便朝向在系统外的激光通信接收器(R)发射，将构成所述激光传输信号的所述激光辐射引入所述望远镜(10)的中间焦平面(PI)，所述中间焦平面对主镜片和副镜片反射的辐射有效，但对第三镜片无效。

4.根据权利要求2所述的系统，所述系统被布置成使得通过所述第三镜片(3)，然后通过所述副镜片(2)，接着通过所述主镜片(1)依次反射构成激光传输信号的激光辐射，以便朝向在系统外的激光通信接收器(R)发射，而且使得把构成激光传输信号的所述激光辐射带到远离所述图像传感器(5)的所述望远镜(10)的所述焦平面(PF)的位置。

5.根据权利要求2所述的系统，进一步包括焦平面复制元件(7)，其被布置为创建所述望远镜(10)的焦平面(PF)的图像，称为次焦平面(PS)，并且所述系统被布置成使得把构成所述激光传输信号的激光辐射带到所述次焦平面(PS)的位置，该位置通过所述焦平面复制元件(7)光学地叠加在所述图像传感器(5)上，而且使得通过所述焦平面复制元件朝所述第三镜片(3)指引由所述激光辐射源(6)产生的激光传输信号的激光辐射，然后通过所述第三镜片，然后依次通过所述副镜片(2)，接着通过所述主镜片(1)反射所述激光辐射，从而朝向在系统外的通信接收器(R)将其发射。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述焦平面复制元件(7)包括镜片或二向色板，其被布置为反射所述激光传输信号的激光辐射以及从场景接收的辐射之中的一个，并且在不通过所述镜片或所述二向色板反射的情况下传输激光传输信号的所述激光辐射以及从场景接收的所述辐射之中的另一个。

7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，进一步包括用于接收外部激光通信信号的路径，所述接收路径包括接收检测器，且其被布置成使得在到达接收检测器之前至少通过所述主镜片(1)，然后通过所述副镜片(2)反射由所述系统外的激光通信接收器(R)发射的所述外部信号的辐射。

8.根据权利要求7所述的系统，所述系统被布置成使得由所述系统发射的激光传输信号的激光辐射以及到达所述接收检测器的由所述系统外部的激光通信接收器(R)发射的外部信号的辐射遵循所述望远镜(10)内相同的光路，与此同时按照相反的传播方向行进。

9.用于放置在绕地球轨道上的卫星(100)，其包括：

-根据前述权利要求中任一项所述的通过激光信号成像和通信的组合系统，其被固定在卫星(100)的框架(101)上，使得望远镜(10)的对准方向(DP)相对于所述框架固定；

-卫星定向装置(11)；以及

-姿态和轨道控制系统(12)，其适合控制所述卫星定向装置(11)，从而把激光传输信号的发射方向(DE)带到目标方向，使得通过所述激光信号成像和通信的组合系统按照目标方向发射激光传输信号，

所述卫星(100)进一步包括：

-地理定位装置(14)，其适合接收地理定位信号并根据所接收的地理定位信号计算所述卫星(100)的位置；以及

-模块(13)，其适合根据由所述地理定位装置(14)计算的所述卫星(100)的位置并根据所述卫星外部的激光通信接收器(R)的坐标计算目标方向，使得所述目标方向从卫星指向所述激光通信接收器。

10.根据权利要求9所述的卫星(100)，其特征在于，所述地理定位装置(14)是GPS装置。

11.根据权利要求9或10所述的卫星(100)，其特征在于，调整用于计算所述卫星位置的所述地理定位装置(14)的精度以及所述卫星定向装置(11)的精度，使得从所述卫星发射的所述激光传输信号被所述卫星外部的所述激光通信接收器(R)接收，与此同时所述激光传输信号的发射方向(DE)相对于所述望远镜(10)保持固定。

12.根据权利要求11所述的卫星(100)，没有基于由所述卫星外部的所述激光通信接收器(R)发射的外部激光信号运行的任何目标捕获和跟踪检测器，而且其中，调整计算卫星位置的所述地理定位装置(14)的精度以及所述卫星定向装置(11)的精度，使得当控制卫星定向装置从而将所述激光传输信号的发射方向(DE)定向到目标方向时，从所述卫星发射的所述激光传输信号被所述卫星外部的激光通信接收器接收。

13.通过激光信号进行通信的方法，所述方法是在根据权利要求9至12中任一项所述绕地球轨道运行的卫星(100)上实施的，所述方法包括以下步骤：/1/接收地理定位信号，然后通过所接收的地理定位信号计算所述卫星的位置；/2/通过在步骤/1/计算的所述卫星(100)的位置，并且通过所述卫星外部的所述激光通信接收器(R)的坐标，计算要从所述卫星朝向所述激光通信接收器发射的激光传输信号的目标方向；然后/3/按照所计算的目标方向使所述卫星(100)定向，然后激活所述激光辐射源(6)，从而朝向所述激光通信接收器(R)发射激光传输信号，

其中，在所述卫星(100)在其轨道中旋转一圈的过程中多次执行步骤/1/，利用最后一次执行步骤/1/时计算的卫星位置执行步骤/2/和步骤/3/。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述卫星(100)的轨道高度小于2000km，所述激光通信接收器(R)位于地球表面或者位于轨道高度有所不同但也小于2000km的另一颗地球卫星上，或者位于处于地球同步轨道中的另一颗卫星上。