CN111970058B - 一种基于无信标的星间激光通信快速捕获方法 - Google Patents

一种基于无信标的星间激光通信快速捕获方法 Download PDF

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Abstract

一种基于无信标的星间激光通信快速捕获方法，属于卫星光通信技术领域，为了解决现有技术存在的问题，无信标条件下捕获是采用高速反射振镜实现对窄发散角信号光束的快速扫描与检测校正，主要利用发射端小发散角信号光分子区域高速扫描，捕获方案为通信终端控制系统与振镜复合扫描覆盖不确定区域，此方法从根本上避开了传统信标捕获模式，通过建立主光端机与从光端机互扫并校正视轴以实现建立空间链路的目标光捕获前提，在保证空间激光通信系统捕获性能的情况下，去掉了捕获信标光实现空间探测终端的简化，在降低系统功耗、完成终端轻小型化的同时，能够进一步提高捕获系统性能并促进星间激光通信系统轻小型化发展。

Description

一种基于无信标的星间激光通信快速捕获方法
技术领域
本发明涉及一种基于无信标的星间激光通信快速捕获方法，属于卫星光通信技术领域。
背景技术
宽光束信标捕获方法是现有空间链路所采用的基本捕获方式，信标光发散角一般为毫弧度量级，在借助较大发散角的主动信标光实现开环捕获时，会引起较多的功率损耗，系统的体积、重量和复杂度也明显增大，捕获系统的性能难以满足现代高速激光通信系统的轻小型化发展需求。
空间激光通信系统中无信标捕获是一种将小发散角信号光作为信标光建立通信链路的新型捕获机制，通信终端信号光发散角通常为衍射极限量级发射，仅有几十微弧度量级，如果用小发散角信号光代替宽发散角捕获信标光就会简化系统结构，提高系统性能。文章(Uwe sterr,Lothar Friederichs,and Wolfgang Diebold,et.al.Modelling andanalysis of flight dynamics influences on the spatial acquisition andtracking performance of the TESAT laser communication terminal,2015IEEEInternational Conference on Space Optical Systems and Applications)所采用的无信标捕获机制也明确了通信终端间初始不确定区域大小对捕获过程的影响，但并未给出解决方法。有效掌握激光通信系统无信标捕获过程中高概率快速扫描方法对提高捕获性能至关重要，如何利用通信系统中的执行机构控制小发散角信号光快速扫描覆盖大的不确定区域也将变得非常重要。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提出一种基于无信标的星间激光通信快速捕获方法，即在保证空间激光通信系统捕获性能的情况下，去掉捕获信标光可以实现空间探测终端的简化。采用小发散角信号光代替宽发散角捕获信标光完成激光通信系统的空间捕获过程，进而提供一种粗跟瞄转台与高速振镜协同控制小发散角信号光的分子区域扫描方法，利用振镜在子区域快速扫描以实现捕获光束发散角增加，并通过结合粗跟瞄转台复合扫描的方式，选择最佳的扫描速率实现对接收端光端机不确定区域的覆盖，在降低系统功耗、完成终端轻小型化的同时，能够进一步提高捕获系统性能。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种基于无信标的星间激光通信快速捕获方法，包括以下步骤：
步骤一，针对星间光通信的无信标捕获方法，需先将主从光端机的视轴初始指向对方端机的预估位置，即不确定区域，并分别发射低发散角信号光，定义无信标的搜索半径为θuc，激光发散角为θdiv，光斑重叠因子为k，激光驻留时间为Tdwell，再依据子区域螺旋扫描振镜与潜望式通信转台的捕获参数设定，得到螺旋扫描径向速度Vr与角速度Vθ分别为：
Figure BDA0002694695070000021
步骤二，根据子区域螺旋扫描振镜控制信号光斑螺旋覆盖子区域以及复合潜望式通信转台螺旋跳步的扫描方法，在不产生漏扫的情况下，设定子区域螺旋扫描振镜执行扫描捕获时信号光斑间的重叠因子，也需要定义潜望式通信转台在子区域之间螺旋跳步的重叠因子，两个执行机构的无信标复合扫描轨迹驻留位置坐标X与纵坐标Y的确定方法：
X＝Vrtcos(Vθt)，Y＝Vrtsin(Vθt)；
步骤三，主光端机在完成视轴初始指向并发射低发散角信号光后，先通过控制子区域螺旋扫描振镜在其执行范围内高速螺旋扫描，从光端机凝视，其捕获传感器依据进入视场的光斑脱靶量对视轴指向进行校正；
步骤四，根据步骤三，主光端机需要用小发散角信号光覆盖从光端机的不确定区域，受子区域螺旋扫描振镜执行范围较小的限制，复合扫描的无信标过程中潜望式通信转台执行螺旋跳步，并驻留完一个振镜的子区域扫描周期；
步骤五，根据步骤三、四，主光端机执行完一次无信标扫描覆盖后，回到扫描起点，从光端机通过控制子区域螺旋扫描振镜在其执行范围内高速螺旋扫描，并复合潜望式通信转台的螺旋跳步，从主光端机凝视，其捕获传感器依据进入视场的光斑脱靶量对视轴指向进行校正；
步骤六，主从光端机各执行完预定的扫描步数后将停止扫描，经过了视轴校正后各自的不确定区域也将逐渐减小，双方终端将对剩余不确定区域进行扫描，主从光端机按照相同的算法完成向着对方通信终端视轴方向的进一步对准；
步骤七，重复执行主从光端机的互扫模式，经过不断的视轴校正，捕获不确定区域变小，降低了扫描角度，同时逐渐优化主从光端机的视轴对准，直到对方光端机光束进入精跟踪传感器视场，停止螺旋扫描过程，成功实现空间激光通信的无信标捕获。
本发明的有益效果是：本发明引用了高速振镜螺旋分子区域扫描的概念，针对捕获不确定区域中，中心部分捕获概率较高边缘部分较低的特点，确定以捕获概率较高处为扫描起点，并利用振镜分子区域扫描来实现激光发散角的增加，结合通信转台实现无信标过程的复合扫描方法，显著提高了通信系统各执行机构的工作效率。该方法的采用使得通信系统省去了信标光发射与接收系统，有效降低了通信终端系统的体积与功耗，降低系统复杂性的同时也进一步提高了捕获性能。
附图说明
图1为本发明本发明基于无信标的星间激光通信快速捕获方法所用的装置示意图。
图2为本发明一种基于无信标的星间激光通信快速捕获方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细的描述。
作为实现粗精跟踪、建立空间链路的重要技术条件，激光通信系统对终端瞄准捕获跟踪性能具有较高的精度要求，其粗瞄准机构通常具备实现对目标的大范围、低带宽的瞄准能力，精瞄准机构可以完成对通信光束的小范围、快速以及高精度的控制。利用终端各执行结构的特性，本发明利用高速振镜在子区域扫描来实现激光发散角的增加，并复合通信转台螺旋跳步的扫描方法，达到用小发散角信号光代替宽发散角捕获信标光实现建立空间链路的目标光捕获前提。
如图1所示，本发明基于无信标的星间激光通信快速捕获方法所用的装置，包括以下组成部分：信号光发射模块1、子区域螺旋扫描振镜2、捕获精瞄分光镜3、潜望式通信转台4、电机驱动单元5、精跟踪振镜6、粗瞄与精瞄分光镜7、反射镜8、聚焦透镜9、捕获传感器10、精跟踪与通信探测分光镜11、精跟踪传感器12和通信探测单元13。
针对具有上述组成部分的主光端机与从光端机之间的无信标捕获过程，主光端机通过信号光发射模块1发射通信光束，并经过子区域螺旋扫描振镜2、捕获精瞄分光镜3以及潜望式通信转台4发射到从光端机的不确定区域。主光端机由子区域螺旋扫描振镜2完成子区域扫描覆盖，并结合潜望式通信转台在电机驱动单元5的控制下完成螺旋跳步，实现复合扫描覆盖从光端机的不确定区域。从光端机接收到的主光端机通信激光经过捕获精瞄分光镜3与精跟踪振镜6后，由粗瞄与精瞄分光镜7进行分光，用于捕获的光束通过反射镜8与聚焦透镜9后到达捕获传感器10，用于通信的光束经过捕获与精瞄分光镜7、精跟踪与通信探测分光镜11后分别到达精跟踪传感器12与通信探测单元13。由从光端机发射而主光端机接收的工作过程同理。
本实施案例所涉及的一种基于无信标的星间激光通信快速捕获方法，包括以下步骤：
步骤一，针对星间光通信的无信标捕获方法，首先需要通过电机驱动单元5控制潜望式通信转台4的视轴初始指向对方光端机的预估位置，即不确定区域，取值范围为1.5mrad～2mrad，并分别通过信号光发射模块1发射低发散角信号光，通信光束经过子区域螺旋扫描振镜2与捕获精瞄分光镜3完成发射，定义无信标的搜索半径为θuc，激光发散角为θdiv，光斑重叠因子为k，激光驻留时间为Tdwell，依据子区域螺旋扫描振镜2与潜望式通信转台4的捕获参数设定，得到螺旋扫描径向速度Vr与角速度Vθ分别为：
Figure BDA0002694695070000051
步骤二，根据子区域螺旋扫描振镜2控制信号光斑螺旋覆盖子区域以及复合潜望式通信转台4螺旋跳步的扫描方法，在以不产生漏扫为原则的情况下，设定子区域螺旋扫描振镜2执行扫描捕获时信号光斑间的重叠因子，定义潜望式通信转台4在子区域之间螺旋跳步的重叠因子，振镜的执行范围一般在0.8mrad～1mrad，两个执行机构的无信标复合扫描轨迹驻留位置坐标X与纵坐标Y的确定方法：
X＝Vrtcos(Vθt)，Y＝Vrtsin(Vθt)。
步骤三，主光端机在完成视轴初始指向并发射低发散角信号光后，先通过控制子区域螺旋扫描振镜2在其执行范围内高速螺旋扫描，从光端机凝视，接收到的光束经过精跟踪振镜6、粗瞄与精瞄分光镜7与反射镜8后，由聚焦透镜9汇聚在捕获传感器10，而捕获传感器10将依据进入视场的光斑脱靶量对视轴指向进行校正。
步骤四，根据步骤三，主光端机需要用小发散角信号光覆盖从光端机的不确定区域，受子区域螺旋扫描振镜2执行范围较小的限制，复合扫描的无信标过程中潜望式通信转台4执行螺旋跳步，并驻留完一个振镜的子区域扫描周期。
步骤五，根据步骤三、四，主光端机执行完一次无信标扫描覆盖后，回到扫描起点，从光端机通过控制子区域螺旋扫描振镜2在其执行范围内高速螺旋扫描，并复合潜望式通信转台4的螺旋跳步，从主光端机凝视，其捕获传感器10依据进入视场的光斑脱靶量对视轴指向进行校正。
步骤六，主从光端机各执行完预定的扫描步数后将停止扫描，经过了视轴校正后各自的不确定区域也将逐渐减小，双方终端将对剩余不确定区域进行扫描，剩余扫描范围将变为初始不确定区域的三分之一到二分之一，主从光端机按照相同的算法完成向着对方通信终端视轴方向的进一步对准。
步骤七，重复执行了主从光端机的互扫模式，经过不断的视轴校正，捕获不确定区域变小，降低了扫描角度，同时逐渐优化主从光端机的视轴对准，直到对方光端机光束通过精跟踪与通信探测分光镜11，进入精跟踪传感器12的探测视场，停止螺旋扫描过程，成功实现空间激光通信的无信标捕获。

Claims (5)

1.一种基于无信标的星间激光通信快速捕获方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
步骤一，针对星间光通信的无信标捕获方法，先将主光端机与从光端机的视轴初始指向对方端机的预估位置，即不确定区域，并通过信号光发射模块（1）分别发射低发散角信号光，定义无信标的搜索半径为θ uc ，激光发散角为θ div ，光斑重叠因子为k，激光驻留时间为T dwell ，再依据子区域螺旋扫描振镜（2）与潜望式通信转台（4）的捕获参数设定，得到螺旋扫描径向速度V r 与角速度V θ 分别为：
Figure QLYQS_1
，/>
Figure QLYQS_2
；
步骤二，根据子区域螺旋扫描振镜（2）控制信号光斑螺旋覆盖子区域以及复合潜望式通信转台（4）螺旋跳步的扫描方法，在不产生漏扫的情况下，设定子区域螺旋扫描振镜（2）执行扫描捕获时信号光斑间的重叠因子，也需要定义潜望式通信转台（4）在子区域之间螺旋跳步的重叠因子，两个执行机构的无信标复合扫描轨迹驻留位置横坐标X与纵坐标Y的确定方法：
Figure QLYQS_3
，/>
Figure QLYQS_4
；
步骤三，主光端机在完成视轴初始指向并发射低发散角信号光后，先通过控制子区域螺旋扫描振镜（2）在其执行范围内高速螺旋扫描，从光端机凝视，其捕获传感器（10）依据进入视场的光斑脱靶量对视轴指向进行校正；
步骤四，根据步骤三，主光端机需要用小发散角信号光覆盖从光端机的不确定区域，受子区域螺旋扫描振镜（2）执行范围较小的限制，复合扫描的无信标过程中潜望式通信转台（4）执行螺旋跳步，并驻留完一个振镜的子区域扫描周期；
步骤五，根据步骤三、四，主光端机执行完一次无信标扫描覆盖后，回到扫描起点，从光端机通过控制子区域螺旋扫描振镜（2）在其执行范围内高速螺旋扫描，并复合潜望式通信转台（4）的螺旋跳步，主光端机凝视，其捕获传感器（10）依据进入视场的光斑脱靶量对视轴指向进行校正；
步骤六，主从光端机各执行完预定的扫描步数后将停止扫描，经过了视轴校正后各自的不确定区域也将逐渐减小，双方终端将对剩余不确定区域进行扫描，主从光端机按照相同的算法完成向着对方通信终端视轴方向的进一步对准；
步骤七，重复执行了主从光端机的互扫模式，经过不断的视轴校正，捕获不确定区域变小，降低了扫描角度，同时逐渐优化主从光端机的视轴对准，直到对方光端机光束进入精跟踪传感器（12）的探测视场，停止螺旋扫描过程，成功实现空间激光通信的无信标捕获。
2.根据权利要求1所述的一种基于无信标的星间激光通信快速捕获方法，其特征在于，步骤一中主从光端机发射低发散角信号光为几十微弧度量级，不确定区域的取值范围为1.5mrad~2mrad。
3.根据权利要求1所述的一种基于无信标的星间激光通信快速捕获方法，其特征在于，所述步骤四中的子区域螺旋扫描振镜（2）的执行范围在0.8mrad~1mrad。
4.根据权利要求1所述的一种基于无信标的星间激光通信快速捕获方法，其特征在于，所述步骤六中经过不断的视轴校正，捕获不确定区域逐渐变小，变化趋势为主从终端第二次扫描范围将变为初始不确定区域的三分之一到二分之一，捕获到目标光束则结束双端互扫，否则在初始不确定区域的四分之一范围内继续完成扫描覆盖以及视轴校正。
5.根据权利要求1所述的一种基于无信标的星间激光通信快速捕获方法，其特征在于，经过每次视轴校正，不确定区域都在逐步缩小，然后重复执行步骤三~步骤七，直至目标信号光出现在主从光端机的捕获探测视场内。
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