CN111924132B - 用于绕飞编队的激光星间链路终端自主接力方法及系统 - Google Patents

用于绕飞编队的激光星间链路终端自主接力方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于绕飞编队的激光星间链路终端自主接力方法及系统，包括：步骤1：主星和副星分别获取自身及对方的GNSS信息；步骤2：主副星根据GNSS信息，实时递推计算主副星在对方本体坐标系的视线矢量；步骤3：主星根据副星在主星本体坐标系的视线矢量，结合主星激光终端的星上布局，进行接力终端选择及接力窗口计算；副星根据主星在副星本体坐标系的视线矢量，进行接力终端选择及接力窗口计算；步骤4：主星和副星待接力终端分别对目标终端的信标光进行搜索、捕获和跟踪，实现对激光链路的切换和自主跟踪。本发明实现简单，可以保障编队运行过程中星间激光链路自主持续稳定运行，减小地面干预，最大程度保障链路持续性与稳定性。

Description

用于绕飞编队的激光星间链路终端自主接力方法及系统
技术领域
本发明涉及星间激光通信技术领域，具体地，涉及一种用于绕飞编队的激光星间链路终端自主接力方法及系统。尤其地，涉及一种适应于绕飞编队构型的激光星间链路激光终端自主接力方法。
背景技术
为了可靠稳定地在具有绕飞构型的多星编队卫星系统中实现连续星间激光通信，从而保障并提升卫星系统任务效能，需要解决激光通信终端自主接力的问题，即副星绕主星进行360度环绕飞行过程中，需要主星和副星的激光通信终端能够通过自主接力实现视场覆盖。
对相关技术进行论文检索，《激光星间链路快速捕获技术综述》(林益明等，航天器工程，第27卷第1期)，介绍了激光星间链路终端的指向误差建模、终端指向误差在轨标定、激光星间链路扫描捕获参数优化及链路中断恢复重捕获4个方面的国内外发展现状，但是未涉及编队组网卫星激光通信过程中激光终端接力的问题。
专利文献CN102230969B(申请号201110069351.4)公开一种卫星星座星间链路的长时间自主维持方法，通过在星上使用解析法定轨的轨道改进和预报模型对星间相对位置进行长时间预测，主要涉及星间相对位置预测，不涉及激光终端自主接力方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于绕飞编队的激光星间链路终端自主接力方法及系统。
根据本发明提供的用于绕飞编队的激光星间链路终端自主接力方法，包括：
步骤1：主星获取自身及副星GNSS信息，副星获取自身及主星GNSS信息；
步骤2：主星根据副星及自身的GNSS信息，星上实时递推计算副星在主星本体坐标系的视线矢量，副星根据主星及自身的GNSS信息，星上实时递推计算主星在副星本体坐标系的视线矢量；
步骤3：主星根据副星在主星本体坐标系的视线矢量，结合主星激光终端的星上布局，进行接力终端选择及接力窗口计算；副星根据主星在副星本体坐标系的视线矢量，进行接力终端选择及接力窗口计算；
步骤4：主星和副星待接力终端分别对目标终端的信标光进行搜索、捕获和跟踪，实现对激光链路的切换和自主跟踪；
所述GNSS信息包括位置、速度和时间信息。
优选的，绕飞编队构型为副星相对主星进行360度环绕飞行的编队构型，所述终端为激光通信终端。
优选的，当副星进入主星待接力终端接力窗口时，根据副星在主星本体系的视线矢量控制主星待接力终端指向并连续开环跟踪副星；当主星进入副星待接力终端接力窗口时，根据主星在副星本体系的视线矢量控制待接力终端指向并连续开环跟踪主星。
优选的，主星待接力终端在跟踪副星轨道的基础上，对副星激光终端的信标光进行凝视跳步搜索，搜索到副星激光通信终端信标光后，自主转入信标光闭环跟踪模式，主星待接力终端进入跟踪模式后，副星对应激光终端对主星待接力激光终端信标光进行螺旋扫描，搜索到主星信标光后，副星待接力激光终端自主转入信标光闭环跟踪模式，自主完成主副星激光终端切换。
优选的，主星获取副星GNSS信息以及副星获取主星GNSS信息，通过激光星间链路或微波星间链路实现。
优选的，连续开环跟踪是利用目标星矢量，结合激光终端在主星或副星上的安装矩阵和误差标定参数，连续控制激光终端视轴指向目标卫星。
优选的，所述终端接力窗口，通过激光终端在星上的布局以及激光终端本身的视场范围计算。
优选的，所述信标光闭环跟踪模式包括：通信终端实时解算目标终端信标光在自身探测器上的脱靶量，通过闭环反馈控制通信终端视线实时指向目标通信终端。
根据本发明提供的用于绕飞编队的激光星间链路终端自主接力系统，包括：
模块M1：主星获取自身及副星GNSS信息，副星获取自身及主星GNSS信息；
模块M2：主星根据副星及自身的GNSS信息，星上实时递推计算副星在主星本体坐标系的视线矢量，副星根据主星及自身的GNSS信息，星上实时递推计算主星在副星本体坐标系的视线矢量；
模块M3：主星根据副星在主星本体坐标系的视线矢量，结合主星激光终端的星上布局，进行接力终端选择及接力窗口计算；副星根据主星在副星本体坐标系的视线矢量，进行接力终端选择及接力窗口计算；
模块M4：主星和副星待接力终端分别对目标终端的信标光进行搜索、捕获和跟踪，实现对激光链路的切换和自主跟踪；
所述GNSS信息包括位置、速度和时间信息。
优选的，绕飞编队构型为副星相对主星进行360度环绕飞行的编队构型，所述终端为激光通信终端；
当副星进入主星待接力终端接力窗口时，根据副星在主星本体系的视线矢量控制主星待接力终端指向并连续开环跟踪副星；当主星进入副星待接力终端接力窗口时，根据主星在副星本体系的视线矢量控制待接力终端指向并连续开环跟踪主星；
主星待接力终端在跟踪副星轨道的基础上，对副星激光终端的信标光进行凝视跳步搜索，搜索到副星激光通信终端信标光后，自主转入信标光闭环跟踪模式，主星待接力终端进入跟踪模式后，副星对应激光终端对主星待接力激光终端信标光进行螺旋扫描，搜索到主星信标光后，副星待接力激光终端自主转入信标光闭环跟踪模式，自主完成主副星激光终端切换。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明针对存在绕飞编队构型的卫星系统星间激光通信需求，提供了一种激光终端自主接力方法，实现简单，可以保障编队运行过程中，星间激光链路自主持续稳定运行，减小地面干预，最大程度保障链路持续性与稳定性，具有创新性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为主副星激光通信终端自主接力流程；
图2为副星绕主星飞行示意图；
图3为t0时刻链路示意图；
图4为t1时刻链路示意图；
图5为t2时刻链路示意图；
图6为t3时刻链路示意图；
图7为t4时刻链路示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
如图1，根据本发明提供的用于绕飞编队的激光星间链路终端自主接力方法，所述绕飞编队构型是指副星相对主星进行360度环绕飞行的编队构型，所述终端是指激光通信终端，包括以下步骤：
步骤1：主星获取自身及副星GNSS信息，副星获取自身及主星GNSS信息，所述GNSS信息包括位置、速度和时间信息；
步骤2：主星根据副星及自身的GNSS信息，星上实时递推计算副星在主星本体坐标系的视线矢量，副星根据主星及自身的GNSS信息，星上实时递推计算主星在副星本体坐标系的视线矢量；
步骤3：主星根据副星在主星本体坐标系的视线矢量，结合主星激光终端的星上布局，进行接力终端选择及接力窗口计算，当副星进入主星待接力终端接力窗口时，根据副星在主星本体系的视线矢量控制主星待接力终端指向并连续开环跟踪副星；副星根据主星在副星本体坐标系的视线矢量，进行接力终端选择及接力窗口计算，当主星进入副星待接力终端接力窗口时，根据主星在副星本体系的视线矢量控制待接力终端指向并连续开环跟踪主星；
步骤4：在上述步骤3的基础上，主星待接力终端在跟踪副星轨道的基础上，对副星激光终端的信标光进行凝视跳步搜索，搜索到副星激光通信终端信标光后，自主转入信标光闭环跟踪模式。主星待接力终端进入跟踪模式后，副星对应激光终端对主星待接力激光终端信标光进行螺旋扫描，搜索到主星信标光后，副星待接力激光终端自主转入信标光闭环跟踪模式，至此，自主完成主副星激光终端切换；
优选的，步骤1中，主星获取副星GNSS信息以及副星获取主星GNSS信息，通过激光星间链路或微波星间链路实现；
优选的，步骤3中，所述连续开环跟踪是指利用步骤2所获得的目标星矢量，结合激光终端在主星或副星上的安装矩阵和误差标定参数，连续控制激光终端视轴指向目标卫星；
优选的，步骤3中，所述终端接力窗口，通过激光终端在星上的布局以及激光终端本身的视场范围计算。
优选的，步骤4中，所述信标光闭环跟踪模式，是指通信终端实时解算目标终端信标光在自身探测器上的脱靶量，通过闭环反馈控制通信终端视线实时指向目标通信终端。
如图2所示为副星绕主星飞行示意图，其中副星和主星均配置两个激光通信终端，每个激光通信终端视场在相对轨道面内达到200度，通过两个通信终端可覆盖整个周向视场。在激光通信链路完成初始建链完成后，或者基于星上其他体制的星间链路(如微波链路)，主星和副星可交互两星的GNSS信息，包括位置速度和时间信息，获取到目标星的GNSS信息后，可基于两星GNSS信息进行差分处理，获取目标星相对位置信息，进而根据激光终端在星上的安装位置，计算激光终端的切换窗口和指向角度。
如图3所示，在初始时刻t0，副星终端b与主星终端A已完成一对一建链并处于自主工作模式，此时副星终端a和主星终端B的视场没有介入链路；
如图4所示，在t1时刻，主星终端A发出的信标光开始进入副星终端a和b的视场交叉区域，此时需要副星电子学单机主控单元根据副星终端a、终端b的位置关系和终端b的指向角度位置，计算出终端a的预指向位置，终端a到达预定位置后进行螺旋扫描，捕获到主星A信标光后进入跟踪状态；
副星终端a进入跟踪状态后，进行副星终端a和终端b的切换，将信标光电源由副星b终端切换到副星a终端，此时主星A与副星a进行跟瞄建链，将信号光由副星b切换到副星a，关闭副星终端b的信标光电源。如此，在短时间内，副星终端a和主星终端A将重新建链，完成副星终端b到a的接力；
如图5所示，在t2时刻，副星终端a和主星终端A已完成一对一建链并处于自主工作模式，此时副星终端b和主星终端B的视场没有介入链路；
如图6所示，在t3时刻，副星终端a发出的信标光开始进入主星终端A和B的视场交叉区域，此时需要主星电子学单机主控单元根据主星终端A、终端B的位置关系和终端A的指向角度位置，计算出终端B的预指向位置，终端B到达预定位置后进行螺旋扫描，捕获到副星a新标光后进入跟踪状态；
主星终端B接收到副星终端a发出的信标光进入跟踪状态后，将信标光源由主星A终端切换到主星B终端，此时主星B终端与副星a终端完成跟瞄建链，将信号光由主星A终端切换到主星B终端，关闭主星A终端的信标光源。在短时间内，主星终端B和副星终端a将重新建链，完成主星终端A到B的接力；
如图7所示，在t4时刻，副星终端a和主星终端B已完成一对一建链并处于自主工作模式。
以上流程为一颗副星与主星间激光终端接力典型情况，其余接力情况均可用类似策略完成。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种用于绕飞编队的激光星间链路终端自主接力方法，其特征在于，包括：
步骤1：主星获取自身及副星GNSS信息，副星获取自身及主星GNSS信息；
步骤2：主星根据副星及自身的GNSS信息，星上实时递推计算副星在主星本体坐标系的视线矢量，副星根据主星及自身的GNSS信息，星上实时递推计算主星在副星本体坐标系的视线矢量；
步骤3：主星根据副星在主星本体坐标系的视线矢量，结合主星激光终端的星上布局，进行接力终端选择及接力窗口计算；副星根据主星在副星本体坐标系的视线矢量，进行接力终端选择及接力窗口计算；
步骤4：主星和副星待接力终端分别对目标终端的信标光进行搜索、捕获和跟踪，实现对激光链路的切换和自主跟踪；
所述GNSS信息包括位置、速度和时间信息。
2.根据权利要求1所述的用于绕飞编队的激光星间链路终端自主接力方法，其特征在于，绕飞编队构型为副星相对主星进行360度环绕飞行的编队构型，所述激光终端为激光通信终端。
3.根据权利要求2所述的用于绕飞编队的激光星间链路终端自主接力方法，其特征在于，当副星进入主星待接力终端接力窗口时，根据副星在主星本体系的视线矢量控制主星待接力终端指向并连续开环跟踪副星；当主星进入副星待接力终端接力窗口时，根据主星在副星本体系的视线矢量控制待接力终端指向并连续开环跟踪主星。
4.根据权利要求2所述的用于绕飞编队的激光星间链路终端自主接力方法，其特征在于，主星待接力终端在跟踪副星轨道的基础上，对副星激光通信终端的信标光进行凝视跳步搜索，搜索到副星激光通信终端信标光后，自主转入信标光闭环跟踪模式，主星待接力终端进入跟踪模式后，副星对应激光通信终端对主星待接力激光通信终端信标光进行螺旋扫描，搜索到主星信标光后，副星待接力激光通信终端自主转入信标光闭环跟踪模式，自主完成主副星激光通信终端切换。
5.根据权利要求1所述的用于绕飞编队的激光星间链路终端自主接力方法，其特征在于，主星获取副星GNSS信息以及副星获取主星GNSS信息，通过激光星间链路或微波星间链路实现。
6.根据权利要求3所述的用于绕飞编队的激光星间链路终端自主接力方法，其特征在于，连续开环跟踪是利用目标星矢量，结合激光通信终端在主星或副星上的安装矩阵和误差标定参数，连续控制激光通信终端视轴指向目标卫星。
7.根据权利要求3所述的用于绕飞编队的激光星间链路终端自主接力方法，其特征在于，所述待接力终端接力窗口，通过激光通信终端在星上的布局以及激光通信终端本身的视场范围计算。
8.根据权利要求4所述的用于绕飞编队的激光星间链路终端自主接力方法，其特征在于，所述信标光闭环跟踪模式包括：激光通信终端实时解算目标终端信标光在自身探测器上的脱靶量，通过闭环反馈控制激光通信终端视线实时指向目标终端。
9.一种用于绕飞编队的激光星间链路终端自主接力系统，其特征在于，包括：
模块M1：主星获取自身及副星GNSS信息，副星获取自身及主星GNSS信息；
模块M2：主星根据副星及自身的GNSS信息，星上实时递推计算副星在主星本体坐标系的视线矢量，副星根据主星及自身的GNSS信息，星上实时递推计算主星在副星本体坐标系的视线矢量；
模块M3：主星根据副星在主星本体坐标系的视线矢量，结合主星激光终端的星上布局，进行接力终端选择及接力窗口计算；副星根据主星在副星本体坐标系的视线矢量，进行接力终端选择及接力窗口计算；
模块M4：主星和副星待接力终端分别对目标终端的信标光进行搜索、捕获和跟踪，实现对激光链路的切换和自主跟踪；
所述GNSS信息包括位置、速度和时间信息。
10.根据权利要求9所述的用于绕飞编队的激光星间链路终端自主接力系统，其特征在于，绕飞编队构型为副星相对主星进行360度环绕飞行的编队构型，所述激光终端为激光通信终端；
当副星进入主星待接力终端接力窗口时，根据副星在主星本体系的视线矢量控制主星待接力终端指向并连续开环跟踪副星；当主星进入副星待接力终端接力窗口时，根据主星在副星本体系的视线矢量控制副星接力终端指向并连续开环跟踪主星；
主星待接力终端在跟踪副星轨道的基础上，对副星激光通信终端的信标光进行凝视跳步搜索，搜索到副星激光通信终端信标光后，自主转入信标光闭环跟踪模式，主星待接力终端进入跟踪模式后，副星对应激光通信终端对主星待接力终端信标光进行螺旋扫描，搜索到主星信标光后，副星待接力激光通信终端自主转入信标光闭环跟踪模式，自主完成主副星激光通信终端切换。
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