CN110389455A - 深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置及深空光通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置其包括中心分光装置，在中心分光装置上分别连接有第一光路组件和第二光路组件，第一光路组件包括通信接收探测器和图像跟踪传感器，通信接收探测器分别与图像跟踪传感器和中心分光装置连接；第二光路组件包括向第二光路的远端方向依次布置的平台振动检测单元和执行机构。该装置通过图像跟踪传感器能够计算出地面站和地球图像中心位置关系，从而确定航天器上光通信天线的指向。该装置通过姿态传感器能够实现抑制平台的振动的功能。该装置通过使用提前量探测器和补偿振镜能够实现光轴的提前指向功能。本发明还提供一种具有深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置的深空光通信装置。

Description

深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置及深空光通信装置

技术领域

本发明涉及空间光通信技术领域，具体涉及一种基于天体成像的深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置及一种具有该于天体成像的深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置的深空光通信装置。

背景技术

目前将对地球以外天体开展的空间探测活动称为深空探测。随着人类航天科技水平和能力的提高，深空探测的概念也会逐渐发展，换言之，深空探测领域的技术发展与深空探测概念的内含是相互促进的。

深空探测指脱离地球引力场，进入太阳系空间和宇宙空间的探测，那么，自然地，执行深空探测的装置会处在复杂多变的空间环境中。复杂多变的环境对执行深空探测的装置的各个组成部分都提出了较高的功能层面和技术层面的要求。尤其是复杂多变的环境对深空通信会产生很大影响，因为深空通信距离异常遥远，空间损耗非常巨大，例如，火星对地面链路的空间损耗比GEO对地面链路的空间损耗大70dB至80dB。

在载荷体积、重量允许的条件下，深空光通信应尽量增加光学口径，减小衍射极限角的大小，进而减小空间损耗。由于发射光束采用近衍射极限角，因此接收信号的功率对发射机的瞄准误差非常敏感，发射信号的瞄准误差将导致接收机上信号的严重衰减，大大降低系统的通信性能，为了减少瞄准损耗(<2dB)，瞄准精度通常要小于衍射极限光束宽度的40％,通常在微弧度量级，这对激光通信系统的捕获、瞄准和跟踪系统(APT)提出了很到的精度要求。

另外，现有的激光通信装置多属于近地空间激光通信装置，近地空间激光通信装置通常采用主动信标方案实现通信两视轴的精确对准。但是对于深空激光通信，由于通信距离非常遥远，而且信标光通常需要较大的束散角，所以接收功率信噪比要求和信标激光器功率存在矛盾，在现有高功率激光器工作状态下，基于激光信标的瞄准系统的距离极限小于0.4AU，这显然无法满足深空激光通信的距离要求。需要解释的是AU为天文单位，即指太阳中心与地球中心的距离，1AU的长度约为1.496×10E11米。

因此，设计一种适用于远距离深光通信的以及具有高精度的瞄准和跟踪系统的深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置是十分必要的，也是十分迫切的。同时也亟待研究发明出一种具有上述深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置的深空光通信装置。

发明内容

为解决现有技术中光轴指向和动态跟踪不精确的问题，本发明采用的技术方案在于，本发明提供一种深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置，其包括中心分光装置，在中心分光装置上分别连接有第一光路组件和第二光路组件，第一光路组件包括通信接收探测器和图像跟踪传感器，通信接收探测器用于接收通信光信号并且分别与图像跟踪传感器和中心分光装置连接；图像跟踪传感器用于计算出地面站和地球图像中心位置关系以确定光通信天线的指向；第二光路组件包括向第二光路的远端方向依次布置的平台振动检测单元和执行机构，平台振动检测单元用于三维姿态的测量，执行机构完成光束的偏转。

较佳地，深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置还包括控制器，控制器为APT控制器；平台振动检测单元为INS惯性传感器；执行机构为PZT快速倾斜振镜，PZT快速倾斜振镜为高谐振频率光束偏转设备；APT控制器用于控制PZT快速倾斜振镜完成光束的偏转。

较佳地，图像跟踪传感器为可见或红外焦平面阵列；通信接收探测器为Geiger模式光子计数器，通信接收探测器用于完成通信光信号的接收。

较佳地，在通信接收探测器和图像跟踪传感器之间设置有可见光成像光学系统，可见光成像光学系统由聚焦透镜组成，其用于将可见光成像在图像跟踪传感器上。

较佳地，深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置还包括提前量监视探测系统，提前量监视探测系统包括第一分光片和提前量监视探测器，第一分光片将通信光的部分反射回提前量监视探测器，提前量监视探测器用于检测光束微调状态。

较佳地，第一分光片与提前量监视探测器之间设有提前量检测光学系统，提前量检测光学系统由焦透镜组成，提前量检测光学系统把对应的通信光聚焦在提前量监视探测器上；提前量监视探测器为四象限探测器QPIN，四象限探测器QPIN用于完成对己方通信光的提前量探测；第一分光片将通信光能量的95％的投射，5％的能量反射。

本发明还提供一种深空光通信装置，其包括上述的深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置，其还包括通信光发射激光器，通信光发射激光器与执行机构连接。

较佳地，深空光通信装置还包括光学系统，光学系统与中心分光装置连接，光学系统用于完成对可见光图像的成像、己方通信光的发射和对方通信光的接收；中心分光装置使可见光和对方通信光的95％以上的能量透过，使己方通信光95％以上的能量反射。

较佳地，深空光通信装置还包括通信接收光学系统，通信接收光学系统由窄带滤波片和聚焦透镜组成，窄带滤波片用于使对方通信光在其中心波长±3nm范围内95％以上的能量透过，使其余波长的光透过率低于3％；聚焦透镜用于把对方的通信光聚焦在通信接收探测器上。

较佳地，深空光通信装置还包括第一分光片和第二分光片，第一分光片和第二分光片均通过通信光发射光学系统与中心分光装置连接；通信光发射光学系统由发散透镜组成，通信光发射光学系统用于将己方通信光束的发散角，以便于对方光学系统接收；第二分光片用于使可见光95％以上的能量透过，使对方通信光95％以上的能量反射。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：

本发明提出了一种深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置，其通过图像跟踪传感器能够计算出地面站和地球图像中心位置关系，从而确定航天器上光通信天线的指向，该装置通过平台振动检测单元来实现抑制平台的振动的功能。

由于通过提前量探测器和补偿振镜能够实现光轴的提前指向功能，因此该装置能够实现深空光通信的光轴精密对准，亦能够保障深空激光通信的顺利实现。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置的结构示意图。

附图标记：

光学系统1、中心分光装置2、第二分光片3、通信接收探测器5、图像成像光学系统6、图像跟踪传感器7、平台振动检测单元8、APT控制器9、PZT快速倾斜振镜10、通信光发射激光器11、通信光发射光学系统12和第一分光片13。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

实施例1

本发明根据深空激光通信的环境和链路距离，提出一种基于自然天体成像的视轴精密对准和跟踪技术方案，来实现深空激光通信跟瞄精度微弧度量级的要求。

图1为本发明实施例1中深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置的结构示意图。如图1所示，本发明实施例1提供一种深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置，其包括中心分光装置2，在中心分光装置2上分别连接有第一光路组件和第二光路组件。第一光路组件包括通信接收探测器5和图像跟踪传感器7，通信接收探测器5用于接收通信光信号并且分别与图像跟踪传感器7和中心分光装置2连接。第二光路组件在向第二光路的远端方向依次布置平台振动检测单元8、APT控制器9和PZT快速倾斜振镜10，APT控制器9用于控制PZT快速倾斜振镜10完成光束的偏转。

使用APT控制器9的有益效果在于，其内部带有多级PI补偿，能够有效提高控制精度和伺服带宽。

平台振动检测单元8可以是应变片精密位移检测传感器或者高宽带、低噪的INS姿态传感器，使用高宽带、低噪的INS姿态传感器的有益效果在于减少内部噪声干扰，以提升振动检测的效率，该姿态传感器的响应速度高。

使用PZT快速倾斜振镜10的有益效果在于：其能快速响应，执行动作精准，还能够使用手动或模拟信号等多种控制信号进行控制，使光的传输损耗少。另外，PZT快速倾斜振镜10所需的驱动电压范围广。优选地，在通信接收探测器5和图像跟踪传感器7之间设置有可见光成像光学系统6，可见光成像光学系统6由聚焦透镜组成，把可见光成像在图像跟踪传感器7上。

进一步，所述图像跟踪传感器7为高灵敏度的可见或红外焦平面阵列。通信接收探测器5为低噪声、高灵敏度的Geiger模式光子计数器，通信接收探测器5用于完成通信光信号的接收。

优选地，上述的APT控制器9控制PZT快速倾斜振镜10完成光束的偏转。上述的PZT快速倾斜振镜10为高谐振频率、高精度的光束偏转设备。上述的平台振动检测单元8为高带宽、低噪声的惯性传感器(INS)。即平台振动检测单元8为高宽带、低噪的INS姿态传感器。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处在于：

本发明实施例2提供一种深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置，其还包括提前量监视探测系统，提前量监视探测系统包括第一分光片13和提前量监视探测器，通过第一分光片13将通信光的一小部分反射回提前量监视探测器，由提前量监视探测器检测微调是否达到要求。

优选地，在第一分光片13与提前量监视探测器之间设有提前量检测光学系统，所述的提前量检测光学系统由焦透镜组成，把部分通信光聚焦在提前量监视探测器上。上述的提前量监视探测器为四象限探测器QPIN，主要完成对己方通信光的提前量探测。所述的第一分光片13将通信光能量的95％的投射，5％的能量反射。

本发明实施例提供一种深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置的工作原理是：

首先，地球图像成像到图像跟踪传感器7，利用图像处理算法对地球图像进行边缘提取，然后经过腐蚀、膨胀处理，进而再进行霍夫变换，根据曲线拟合计算求出地球的地理中心。以地理中心为基准，根据地球中心和地面接收站之间的已知距离推导出地面站的位置。与二轴万向跟踪架构成跟踪环，以实现相对运动补偿功能和减小动态滞后误差功能，但由于深空通信距离遥远，图像跟踪传感器需要较大的积分时间，帧频很低为通常20Hz左右，因此这样无法补偿高频率的振动误差。跟踪环一般情况下为5Hz低带宽的跟踪环。

另外，平台振动功率谱为有色宽谱噪声，其有效作用频率范围已经达到200Hz左右，图像跟踪单元7无法实现高频、动态精密跟踪。

所以，为了对200Hz频段的振动实现urad的动态跟踪，需要的是宽带跟踪系统。也正因此引入了平台振动检测单元8，其检测带宽达到120Hz，可实现快速的三维姿态测量；

对于伺服系统的执行单元来说，二轴伺服转台的机械谐振频率较低，无法实现快速响应，而本发明中提出的一种深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置主要实现发射光束的精密控制，所以采用宽谐振频率的PZT快速倾斜振镜作为执行机构，其谐振频率可达1600Hz，完全可以满足跟踪带宽的要求。

另外，由于通信双方存在相对运动，需要进行提前量补偿。APT控制器9根据通信双方两者之间的轨道特性、相对运动、距离等通过星历表可查的已知信息解算出提前量，并驱动补偿振镜10以对己方通信光进行微调，而且还要通过第一分光片13将通信光的一小部分反射回提前量监视探测器，由提前量监视探测器检测微调是否达到要求。由于提前量探测器是检测自身发射的激光，可获得较好的信噪比，因此可高帧频工作，满足提前量指向精度要求。

深空激光通信链路建立过程中，现有技术中的激光通信装置的跟瞄子系统通常根据地球和航天器的星历表来确定光通信终端的初始对准方向。由于航天器星历表和地球星历表的误差及航天器上微动力学环境的影响，跟瞄子系统总是存在一定的瞄准误差，因此，本发明中提出的一种深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置通过图像跟踪传感器7来计算出地面站和地球图像中心位置关系，从而再确定航天器上光通信天线的指向，并且通过宽带、低噪的INS平台振动检测单元8来抑制平台的振动以及通过提前量探测器和补偿振镜完成光轴的提前指向，最终实现深空光通信的光轴精密对准，保障深空激光通信的顺利实现。

本发明实施例2还提供一种深空光通信装置，其包括本实施例2中的一种深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置，其还包括通信光发射激光器11，通信光发射激光器11与PZT快速倾斜振镜10连接。

优选地，上述的通信光发射激光器11为高峰值、高效率的脉冲激光器，实现32位PPM调制将通信信号光发射出去。

优选地，该深空光通信装置还包括光学系统1，所述光学系统1与中心分光装置2连接，光学系统1用于完成对可见光图像的成像、己方通信光的发射和对方通信光的接收；中心分光装置2使可见光和对方通信光的95％以上的能量透过，使己方通信光95％以上的能量反射。

进一步，该深空光通信装置还包括通信接收光学系统4，所述的通信接收光学系统4由窄带滤波片和聚焦透镜组成。窄带滤波片主要作用是把对方通信光在其中心波长±3nm范围内95％以上的能量透过，使其余波长的光透过率低于3％；聚焦透镜把对方的通信光聚焦在通信接收探测器5上。

另外，该深空光通信装置还包括第一分光片13和第二分光片3，第一分光片13和第二分光片3均通过通信光发射光学系统12与中心分光装置2连接。通信光发射光学系统12由发散透镜组成，把己方通信光变为一定发散角的光束，以便于对方光学系统接收。所述的第二分光片3使可见光95％以上的能量透过，使对方通信光95％以上的能量反射。

以上仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本发明中各部件的结构和连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (11)

1.一种深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置，其特征在于，其包括中心分光装置，所述中心分光装置的第一光路上设有第一光路组件、第二光路上设有第二光路组件，所述第一光路组件包括通信接收探测器和图像跟踪传感器，所述通信接收探测器用于接收通信光信号并且分别与所述图像跟踪传感器和所述中心分光装置连接；所述图像跟踪传感器用于计算出地面站和地球图像中心位置关系以确定光通信天线的指向；所述第二光路组件包括向所述第二光路的远端方向依次布置的平台振动检测单元和执行机构，所述平台振动检测单元用于三维姿态的测量，所述执行机构完成光束的偏转。

2.如权利要求1所述的深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置，其特征在于，所述的深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置还包括控制器，所述控制器连接并控制所述执行机构。

3.如权利要求2所述的深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置，其特征在于，所述控制器为APT控制器；所述平台振动检测单元为INS惯性传感器；所述执行机构为PZT快速倾斜振镜，所述PZT快速倾斜振镜为高谐振频率光束偏转设备；所述APT控制器用于控制所述PZT快速倾斜振镜完成光束的偏转。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置，其特征在于，所述图像跟踪传感器为可见或红外焦平面阵列；所述通信接收探测器为Geiger模式光子计数器，所述通信接收探测器用于完成通信光信号的接收。

5.如权利要求4所述的深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置，其特征在于，在所述通信接收探测器和所述图像跟踪传感器之间设置有可见光成像光学系统，所述可见光成像光学系统由聚焦透镜组成，用于将可见光成像在所述图像跟踪传感器上。

6.如权利要求1-3任一项所述的一种深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置，其特征在于，所述深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置还包括提前量监视探测系统，所述提前量监视探测系统包括第一分光片和提前量监视探测器，所述第一分光片将通信光的部分反射回所述提前量监视探测器，所述提前量监视探测器用于检测光束微调状态。

7.如权利要求6所述的深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置，其特征在于，所述第一分光片与所述提前量监视探测器之间设有提前量检测光学系统，所述提前量检测光学系统由焦透镜组成，所述提前量检测光学系统把对应的通信光聚焦在所述提前量监视探测器上；所述提前量监视探测器为四象限探测器QPIN，所述四象限探测器QPIN用于完成对己方通信光的提前量探测。

8.一种深空光通信装置，其特征在于，所述深空光通信装置包括如权利要求1-7任一所述的一种深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置，所述深空光通信装置还包括通信光发射激光器，所述通信光发射激光器与所述执行机构连接。

9.如权利要求8所述的深空光通信装置，其特征在于，所述深空光通信装置还包括光学系统，所述光学系统与所述中心分光装置连接，所述光学系统用于完成对可见光图像的成像、己方通信光的发射和对方通信光的接收；所述中心分光装置使可见光和对方通信光的95％以上的能量透过，使己方通信光95％以上的能量反射。

10.如权利要求8所述的深空光通信装置，其特征在于，还包括通信接收光学系统，所述通信接收光学系统由窄带滤波片和聚焦透镜组成，所述窄带滤波片用于使对方通信光在其中心波长±3nm范围内95％以上的能量透过，使其余波长的光透过率低于3％；所述聚焦透镜用于把对方的通信光聚焦在所述通信接收探测器上。

11.如权利要求8-10任一项所述的一种深空光通信装置，其特征在于，其还包括第一分光片和第二分光片，所述第一分光片和所述第二分光片均通过通信光发射光学系统与所述中心分光装置连接；所述通信光发射光学系统由发散透镜组成，所述通信光发射光学系统用于将己方通信光束的发散角，以便于对方光学系统接收；所述的第二分光片用于使可见光95％以上的能量透过，使对方通信光95％以上的能量反射。