CN110971296A - 一种超前瞄准机构与精指向机构联合的空间无信标光通信终端扫描方法及系统 - Google Patents

一种超前瞄准机构与精指向机构联合的空间无信标光通信终端扫描方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于空间光通信技术领域，涉及一种超前瞄准机构与精指向机构联合的空间无信标光通信终端扫描方法及系统，旨在增加光通信终端扫描的覆盖范围，进一步提高扫描捕获效率、减小扫描捕获时间。其通信终端同时配置有超前瞄准机构和精指向机构，两者之间的光路上设置有第一分光镜，该第一分光镜根据波长的不同对发射光束反射、对接收光束进行透射；该扫描方法是采用所述超前瞄准机构和精指向机构在同一时序下运动，共同完成扫描轨迹。本发明使无信标扫描摆脱或减少了对粗指向机构的依赖，有效地扩大了扫描的覆盖范围，缩小扫描时间，达到快速捕获的目的，保证通信链路的快速建立。

Description

一种超前瞄准机构与精指向机构联合的空间无信标光通信终 端扫描方法及系统
技术领域
本发明属于空间光通信技术领域，涉及空间无信标光通信捕获过程中的扫描方法及系统。
背景技术
在空间光通信中，捕获技术是一项关键技术，用于两个通信终端间链路的建立以及中断时的恢复，其中扫描是捕获技术中重要的流程。传统的空间光通信中用的是信标光扫描，信标光拥有较大的束散角(一般在几百个微弧度数量级)，覆盖面积大，可以直接利用粗指向机构实现快速扫描捕获。
目前，空间光通信正在向无信标光发展，直接利用通信光进行扫描，从而达到减少通信终端质量和系统复杂程度的目的。由于通信光的束散角很小(一般在几十个微弧度数量级)，如果按照传统的信标光扫描方法进行扫描，扫描时间将大大增加。目前德国Tesat公司研制的LCTSX光通信终端采用了超前瞄准机构作为扫描执行机构，控制通信光进行扫描以完成捕获。中国专利文献CN106375001B公开了一种基于无信标光APT系统的捕获方法，该方法采用精指向机构作为扫描执行机构。
上述超前瞄准机构和精指向机构带宽高，从而可以减小无信标捕获时间，但是两个机构的运动范围有限，导致扫描的覆盖范围较小，当扫描不确定区域大于其覆盖范围时，可能无法捕获目标。
发明内容
本发明的目的是增加光通信终端扫描的覆盖范围，进一步提高扫描捕获效率、减小扫描捕获时间。
为了实现上述目的，本发明提出以下方案：
一种超前瞄准机构与精指向机构联合的空间无信标光通信终端扫描方法，有别于现有技术的是：该通信终端同时配置有超前瞄准机构和精指向机构，两者之间的光路上设置有分光镜，该分光镜根据波长的不同对发射光束反射、对接收光束进行透射；
该扫描方法是采用所述超前瞄准机构和精指向机构在同一时序下运动，共同完成扫描轨迹。
基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化和具体选型：
可选地，上述超前瞄准机构和精指向机构均执行等线速等螺距的螺旋扫描轨迹或光栅螺旋扫描轨迹；其中超前瞄准机构(6)和精指向机构(7)的偏转幅度分别为扫描步长的一半，所述扫描步长为设定的两个相邻扫描点之间的距离。
可选地，上述超前瞄准机构和精指向机构的其中一个机构执行等线速等螺距的螺旋扫描轨迹，另一个机构执行光栅螺旋扫描轨迹；其中螺旋扫描轨迹的中心点位于光栅螺旋扫描轨迹的扫描点上。
可选地，上述超前瞄准机构和精指向机构分别执行等线速等螺距的螺旋扫描轨迹和大螺距螺旋扫描轨迹；其中，等线速等螺距的螺旋扫描轨迹的中心点位于大螺距螺旋扫描轨迹的扫描点上。
可选地，当扫描不确定区域大于扫描覆盖范围时，所述粗指向机构也参与扫描，与超前瞄准机构和精指向机构同时运动，其中，粗指向机构执行光栅螺旋扫描轨迹或大螺距螺旋扫描轨迹，超前瞄准机构和精指向机构均执行等线速等螺距的螺旋扫描轨迹。
为支持上述扫描方法，可以设计多种终端扫描系统，其核心组件为超前瞄准机构、精指向机构以及设置于两者之间光路上的分光镜，该分光镜满足根据波长的不同对发射光束反射、对接收光束进行透射；建议以粗指向机构作为发射光束的输出机构(同时作为接收光束的输入机构)。
以下给出三种较佳的系统结构：
1、终端系统包括超前瞄准机构、精指向机构、粗指向机构、第一分光镜、通信探测器、通信光发射器、精探测器和粗探测器；各组件的规格以及相对位置关系满足：通信光发射器发射通信光，通信光依次经过超前瞄准机构、第一分光镜、精指向机构的反射，再经粗指向机构后形成发射光束，发射光束即为扫描过程中的扫描光束；接收光束依次经过粗指向机构、精指向机构后，再依次透射第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜，透射光最终被通信探测器接收；所述粗探测器、精探测器分别设置于第二分光镜、第三分光镜的反射光路上；所述第一分光镜根据波长的不同对发射光束反射、对接收光束进行透射；所述第二分光镜和第三分光镜分别按照设定的能量比对接收光束进行透射/反射；所述超前瞄准机构、精指向机构和粗指向机构均可调，用以控制扫描光束的轨迹。
2、终端系统包括超前瞄准机构、精指向机构、粗指向机构、第一分光镜、通信探测器、通信光发射器、精探测器和粗探测器；各组件的规格以及相对位置关系满足：各组件的规格以及相对位置关系满足：通信光发射器发射通信光，通信光依次经过超前瞄准机构、第一分光镜的反射，再透射第二分光镜后，被精指向机构反射至粗指向机构，经粗指向机构后形成发射光束，发射光束即为扫描过程中的扫描光束；接收光束依次经过粗指向机构、精指向机构后，再依次透射第二分光镜、第一分光镜、第三分光镜，透射光最终被通信探测器接收；所述粗探测器、精探测器分别设置于第二分光镜、第三分光镜的反射光路上；所述第一分光镜根据波长的不同对发射光束反射、对接收光束进行透射；所述第二分光镜对发射光束透射、按照设定的能量比对接收光束进行透射/反射，所述第三分光镜按照设定的能量比对接收光束进行透射/反射；所述超前瞄准机构、精指向机构和粗指向机构均可调，用以控制扫描光束的轨迹。
3、终端系统包括超前瞄准机构、精指向机构、粗指向机构、第一分光镜、通信探测器、通信光发射器、精探测器和粗探测器；各组件的规格以及相对位置关系满足：通信光发射器发射通信光，通信光依次经过超前瞄准机构、第一分光镜的反射，再依次透射第三分光镜、第二分光镜后，被精指向机构反射至粗指向机构，经粗指向机构后形成发射光束，发射光束即为扫描过程中的扫描光束；接收光束依次经过粗指向机构、精指向机构后，再依次透射第二分光镜、第三分光镜、第一分光镜，透射光最终被通信探测器接收；所述粗探测器、精探测器分别设置于第二分光镜、第三分光镜的反射光路上；所述第一分光镜根据波长的不同对发射光束反射、对接收光束进行透射；所述第二分光镜和第三分光镜对发射光束透射、按照设定的能量比对接收光束进行透射/反射；所述超前瞄准机构、精指向机构和粗指向机构均可调，用以控制扫描光束的轨迹。
以上超前瞄准机构和精指向机构均可为快速反射镜。
本发明具有以下有益效果：
本发明使用超前瞄准机构与精指向机构联合作为扫描的执行机构，有效地扩大了扫描的覆盖范围，使无信标扫描摆脱或减少了对粗指向机构的依赖。由于超前瞄准机构和精指向机构的带宽远大于粗指向机构的带宽，所以本发明可以有效地增加扫描覆盖范围、缩小扫描时间，达到快速捕获的目的，保证通信链路的快速建立。
附图说明：
图1为光通信链路示意图；其中：1、2——卫星平台，3、4——通信终端；5——通信链路。
图2为实施例一的通信终端内部组件；其中：6——超前瞄准机构，7——精指向机构，8——发射光束(扫描光束)，9——接收光束，10——粗指向机构，11——第一分光镜，12——通信探测器，13——通信光发射器，14——精探测器，15——粗探测器。
图3为等线速等螺距的螺旋扫描示意图；其中(a)为螺旋扫描的扫描点示意图，(b)为螺旋扫描的扫描光斑示意图；17——螺旋扫描覆盖范围，18——螺旋扫描轨迹，19——螺旋扫描的扫描点，20——扫描光斑。
图4为光栅螺旋扫描示意图；其中(a)为光栅螺旋扫描的扫描点示意图，(b)为光栅螺旋扫描的扫描光斑示意图；30——光栅螺旋扫描覆盖范围，31——光栅螺旋扫描轨迹，32——光栅螺旋扫描的扫描点，33——扫描光斑。
图5为复合光栅螺旋扫描示意图；其中：25——复合光栅螺旋扫描轨迹，26——复合光栅螺旋扫描覆盖范围，27——光栅螺旋扫描的扫描点，28——光栅螺旋扫描轨迹，29——螺旋扫描轨迹。
图6为复合螺旋扫描示意图；其中：21——复合螺旋扫描轨迹，22——复合螺旋扫描覆盖范围，23——大螺距螺旋扫描轨迹，24——大螺距螺旋扫描的扫描点。
图7为实施例二的通信终端内部组件，附图标号含义同图2。
图8为实施例三的通信终端内部组件，附图标号含义同图2。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
本发明提出了一种超前瞄准机构6与精指向机构7联合的空间无信标光通信终端扫描方法，图1为光通信链路示意图。1、2是两个卫星平台，3、4是卫星平台上的两个通信终端，5是通信链路；捕获是建立通信链路5的一项关键技术，本发明的扫描方法可以有效地增加扫描覆盖范围、缩小扫描时间，达到快速捕获的目的，保证通信链路5的快速建立。
图2为实施例一的通信终端内部组件。扫描开始时，通信光发射器13发射通信光，通信光经过超前瞄准机构6、第一分光镜11、精指向机构7和粗指向机构10后形成发射光束8，发射光束8即为扫描过程中的扫描光束，超前瞄准机构6、精指向机构7、粗指向机构10均可控制扫描光束8；超前瞄准机构6与精指向机构7为以下方案一、方案二和方案三中扫描的执行机构。
参见图3至图6，本发明的扫描方法包含以下几种方案：
方案一：超前瞄准机构6与精指向机构7在同一时序下运动，共同完成扫描轨迹；本方案中，扫描轨迹可以为等线速等螺距的螺旋扫描轨迹18(简称为螺旋扫描)、光栅螺旋扫描轨迹31；其中，超前瞄准机构6与精指向机构7同时运动扫描步长的一半，所述扫描步长为两个相邻扫描点之间的距离；相比于目前国内外单独使用超前瞄准机构6或者精指向机构7执行扫描工作，本方案的扫描方法的扫描覆盖范围为超前瞄准机构6和精指向机构7运动范围的叠加，增加了扫描覆盖范围，减少了系统对初始指向精度的要求，另一方面，当扫描不确定区域一定时，本方案的扫描时间减少。
方案二：精指向机构7执行光栅螺旋扫描轨迹28、超前瞄准机构6执行螺旋扫描轨迹29(这两个机构也可以互换)，共同完成复合光栅螺旋扫描轨迹25；所述螺旋扫描轨迹29的中心点位于光栅螺旋扫描的扫描点27上；相比于国内外现有方案，本方案可以增加扫描覆盖范围；相比于方案一，本方案的扫描覆盖范围较小，扫描效率较低。
方案三：精指向机构7与超前瞄准机构6分别执行大螺距螺旋扫描轨迹23、螺旋扫描轨迹29，共同完成复合螺旋扫描轨迹21；其中，精指向机构7完成大螺距螺旋扫描轨迹23，超前瞄准机构6完成螺旋扫描轨迹29；所述螺旋扫描轨迹29的中心点位于大螺距螺旋扫描的扫描点24上；相比于国内外现有方案，本方案可以增加扫描覆盖范围；相比于方案一，本方案的扫描覆盖范围较小。
进一步的，当扫描不确定区域大于上述方案中的扫描覆盖范围时，粗指向机构10需要执行扫描工作，此时粗指向机构10、精指向机构7和超前瞄准机构6联合执行扫描工作，共同完成复合光栅螺旋扫描轨迹25或复合螺旋扫描轨迹21；其中，粗指向机构10执行光栅螺旋扫描轨迹28或大螺距螺旋扫描轨迹23，精指向机构7与超前瞄准机构6联合执行方案一中的螺旋扫描轨迹18。
图3为等线速等螺距的螺旋扫描示意图，图4为光栅螺旋扫描示意图，图3和图4为上述方案一的扫描示意图。本实施例中等线速等螺距的螺旋扫描轨迹简称为螺旋扫描，螺旋扫描与光栅螺旋扫描采用的是步进式扫描，螺旋扫描轨迹18、光栅螺旋扫描轨迹31上的扫描点19、32为每一步扫描的驻足点。螺旋扫描轨迹18与光栅螺旋扫描轨迹31的执行机构包括超前瞄准机构6和精指向机构7，超前瞄准机构6与精指向机构7同时运动，共同完成扫描轨迹，其中，超前瞄准机构6与精指向机构7同时运动扫描步长的一半，所述扫描步长为两个相邻扫描点之间的距离，所述两机构同时运动为两机构在同一时序下运动。扫描光斑20、33在扫描点19、32上的停留时间由超前瞄准机构6和精指向机构7的带宽决定。
图5为复合光栅螺旋扫描示意图，为上述方案二的扫描示意图。复合光栅螺旋扫描轨迹25是由光栅螺旋扫描轨迹28和螺旋扫描轨迹29组成；复合光栅螺旋扫描的执行机构包括超前瞄准机构6和精指向机构7；精指向机构7执行光栅螺旋扫描、超前瞄准机构6执行螺旋扫描，共同完成复合光栅螺旋扫描，所述螺旋扫描轨迹29的中心点位于光栅螺旋扫描的扫描点27上。
图6为复合螺旋扫描示意图，为上述方案三的扫描示意图。复合螺旋扫描轨迹21是由大螺距螺旋扫描轨迹23和螺旋扫描轨迹29组成；复合螺旋扫描的执行机构包括超前瞄准机构6和精指向机构7；精指向机构7执行大螺距螺旋扫描轨迹23、超前瞄准机构6执行螺旋扫描轨迹29，共同完成复合螺旋扫描轨迹21，所述螺旋扫描轨迹29的中心点位于大螺距螺旋扫描的扫描点24上。
进一步的，当扫描不确定区域大于上述扫描方案的覆盖范围时，粗指向机构10需执行扫描工作，此时粗指向机构10、精指向机构7和超前瞄准机构6联合执行扫描工作，共同完成复合光栅螺旋扫描轨迹25或复合螺旋扫描轨迹21。例如：
1、复合光栅螺旋扫描轨迹25：粗指向机构10执行光栅螺旋扫描轨迹28，同时精指向机构7与超前瞄准机构6联合执行方案一中的螺旋扫描轨迹18(可以认为与图5中螺旋扫描轨迹29形状相同，但由于这里的螺旋扫描轨迹由精指向机构7与超前瞄准机构6联合执行的，比方案二中的螺旋扫描轨迹29覆盖范围大)，共同完成复合光栅螺旋扫描轨迹25。
2、复合螺旋扫描轨迹21：粗指向机构10执行大螺距螺旋扫描轨迹23，同时精指向机构7与超前瞄准机构6联合执行方案一中的螺旋扫描轨迹18，共同完成复合螺旋扫描轨迹21。
当捕获完成后，接收光束9经过粗指向机构10、精指向机构7和两个分光镜入射到粗探测器15上，粗探测器15探测到接收光束9的光斑的脱靶量，粗指向机构10根据该脱靶量进行粗跟踪；粗跟踪完成后，接收光束9光斑位于粗探测器15的中心，此时接收光束9经过第三分光镜反射可以入射到精探测器14上，精探测器14探测到接收光束9的光斑的脱靶量，精指向机构7根据该脱靶量进行精跟踪；精跟踪完成后，接收光束9光斑位于精探测器14的中心，此时接收光束9经过第三分光镜透射，最后打到通信探测器12的中心上，通信开始。
本发明的扫描方法所适配的终端系统并不限于图2所示的实施例一，可根据实际情况做适当的改型。例如图7、图8所示的实施例二、实施例三等。
图7所示的实施例二，第一分光镜11根据波长的不同对发射光束8反射、对接收光束9进行透射；探测器15前的第二分光镜对发射光束8透射、按照一定的能量比对接收光束9进行透射/反射、精探测器14前的第三分光镜按照一定的能量比对接收光束9进行透射/反射。
图8所示的实施例三，第一分光镜11根据波长的不同对发射光束8反射、对接收光束9进行透射；探测器15前的第二分光镜和精探测器14前的第三分光镜对发射光束8透射、按照一定的能量比对接收光束9进行透射/反射。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并非是对本申请权利要求保护范围的限制；对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超前瞄准机构与精指向机构联合的空间无信标光通信终端扫描方法，其特征在于：所述通信终端同时配置有超前瞄准机构(6)和精指向机构(7)，两者之间的光路上设置有第一分光镜(11)，该第一分光镜(11)根据波长的不同对发射光束(8)反射、对接收光束(9)进行透射；
该扫描方法是采用所述超前瞄准机构(6)和精指向机构(7)在同一时序下运动，共同完成扫描轨迹。
2.根据权利要求1所述的扫描方法，其特征在于：所述超前瞄准机构(6)和精指向机构(7)均执行等线速等螺距的螺旋扫描轨迹或光栅螺旋扫描轨迹；其中超前瞄准机构(6)和精指向机构(7)的偏转幅度分别为扫描步长的一半，所述扫描步长为设定的两个相邻扫描点之间的距离。
3.根据权利要求1所述的扫描方法，其特征在于：所述超前瞄准机构(6)和精指向机构(7)的其中一个机构执行等线速等螺距的螺旋扫描轨迹，另一个机构执行光栅螺旋扫描轨迹；其中螺旋扫描轨迹的中心点位于光栅螺旋扫描轨迹的扫描点上。
4.根据权利要求1所述的扫描方法，其特征在于：所述超前瞄准机构(6)和精指向机构(7)分别执行等线速等螺距的螺旋扫描轨迹和大螺距螺旋扫描轨迹；其中，等线速等螺距的螺旋扫描轨迹的中心点位于大螺距螺旋扫描轨迹的扫描点上。
5.根据权利要求2所述的扫描方法，其特征在于：当扫描不确定区域大于扫描覆盖范围时，所述粗指向机构(10)也参与扫描，与超前瞄准机构(6)和精指向机构(7)同时运动，其中，粗指向机构(10)执行光栅螺旋扫描轨迹或大螺距螺旋扫描轨迹，超前瞄准机构(6)和精指向机构(7)均执行等线速等螺距的螺旋扫描轨迹。
6.一种超前瞄准机构与精指向机构联合的空间无信标光通信终端扫描系统，其特征在于：包括超前瞄准机构(6)、精指向机构(7)、粗指向机构(10)、第一分光镜(11)、通信探测器(12)、通信光发射器(13)、精探测器(14)和粗探测器(15)；
各组件的规格以及相对位置关系满足：通信光发射器(13)发射通信光，通信光依次经过超前瞄准机构(6)、第一分光镜(11)、精指向机构(7)的反射，再经粗指向机构(10)后形成发射光束(8)，发射光束(8)即为扫描过程中的扫描光束；接收光束(9)依次经过粗指向机构(10)、精指向机构(7)后，再依次透射第一分光镜(11)、第二分光镜、第三分光镜，透射光最终被通信探测器(12)接收；所述粗探测器(15)、精探测器(14)分别设置于第二分光镜、第三分光镜的反射光路上；所述第一分光镜(11)根据波长的不同对发射光束(8)反射、对接收光束(9)进行透射；所述第二分光镜和第三分光镜分别按照设定的能量比对接收光束(9)进行透射/反射；所述超前瞄准机构(6)、精指向机构(7)和粗指向机构(10)均可调，用以控制扫描光束的轨迹。
7.根据权利要求6所述的超前瞄准机构与精指向机构联合的空间无信标光通信终端扫描系统，其特征在于：所述超前瞄准机构(6)和精指向机构(7)均为快速反射镜。
8.一种超前瞄准机构与精指向机构联合的空间无信标光通信终端扫描系统，其特征在于：包括超前瞄准机构(6)、精指向机构(7)、粗指向机构(10)、第一分光镜(11)、通信探测器(12)、通信光发射器(13)、精探测器(14)和粗探测器(15)；
各组件的规格以及相对位置关系满足：通信光发射器(13)发射通信光，通信光依次经过超前瞄准机构(6)、第一分光镜(11)的反射，再透射第二分光镜后，被精指向机构(7)反射至粗指向机构(10)，经粗指向机构(10)后形成发射光束(8)，发射光束(8)即为扫描过程中的扫描光束；接收光束(9)依次经过粗指向机构(10)、精指向机构(7)后，再依次透射第二分光镜、第一分光镜(11)、第三分光镜，透射光最终被通信探测器(12)接收；所述粗探测器(15)、精探测器(14)分别设置于第二分光镜、第三分光镜的反射光路上；所述第一分光镜(11)根据波长的不同对发射光束(8)反射、对接收光束(9)进行透射；所述第二分光镜对发射光束(8)透射、按照设定的能量比对接收光束(9)进行透射/反射，所述第三分光镜按照设定的能量比对接收光束(9)进行透射/反射；所述超前瞄准机构(6)、精指向机构(7)和粗指向机构(10)均可调，用以控制扫描光束的轨迹。
9.根据权利要求8所述的超前瞄准机构与精指向机构联合的空间无信标光通信终端扫描系统，其特征在于：所述超前瞄准机构(6)和精指向机构(7)均为快速反射镜。
10.一种超前瞄准机构与精指向机构联合的空间无信标光通信终端扫描系统，其特征在于：包括超前瞄准机构(6)、精指向机构(7)、粗指向机构(10)、第一分光镜(11)、通信探测器(12)、通信光发射器(13)、精探测器(14)和粗探测器(15)；
各组件的规格以及相对位置关系满足：通信光发射器(13)发射通信光，通信光依次经过超前瞄准机构(6)、第一分光镜(11)的反射，再依次透射第三分光镜、第二分光镜后，被精指向机构(7)反射至粗指向机构(10)，经粗指向机构(10)后形成发射光束(8)，发射光束(8)即为扫描过程中的扫描光束；接收光束(9)依次经过粗指向机构(10)、精指向机构(7)后，再依次透射第二分光镜、第三分光镜、第一分光镜(11)，透射光最终被通信探测器(12)接收；所述粗探测器(15)、精探测器(14)分别设置于第二分光镜、第三分光镜的反射光路上；所述第一分光镜(11)根据波长的不同对发射光束(8)反射、对接收光束(9)进行透射；所述第二分光镜和第三分光镜对发射光束(8)透射、按照设定的能量比对接收光束(9)进行透射/反射；所述超前瞄准机构(6)、精指向机构(7)和粗指向机构(10)均可调，用以控制扫描光束的轨迹。
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