CN112994794B - 一种针对空间光通信终端的地面验证系统、方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对空间光通信终端的地面验证系统、方法及装置，用于对空间光通信终端的捕获、瞄准以及跟踪性能进行地面验证，该系统包括第一终端和第二终端，其中，第一终端包括第一成像模块、第一控制器和第一偏转天线，第一偏转天线用于对入射到第一参考点的第一发射光的发射方向进行调整；第二终端包括第二成像模块、第二控制器和第二偏转天线，第二偏转天线用于对入射到第二参考点的第二发射光的发射方向进行调整。在该系统中，通过第一成像模块对第二参考点的成像数据调整第一偏转天线即可使得第一发射光入射到所述第二参考点处，通过第二成像模块对第一参考点的成像数据调整第二偏转天线即可使得第二发射光入射到第一参考点处。

Description

一种针对空间光通信终端的地面验证系统、方法及装置

技术领域

本发明涉及卫星光通信技术领域，尤其涉及一种针对空间光通信终端的地面验证系统、方法及装置。

背景技术

光通信是人们经过多年探索并于近几年取得突破性进展的新技术，而空间光通信更是一种崭新的空间通信手段，一种典型的应用就是卫星光通信。利用人造地球卫星作为中继站转发激光信号，可以实现在多个卫星之间以及卫星与地球站之间的通信。卫星光通信采用光波作为信息载体进行星地、星间通信具有传输速率高、信息容量大、抗电磁干扰强等优点，但同时在卫星间建立激光链路也是最为困难的。由于通信光束具有发散角小的特性，其信号光束覆盖范围窄，再加上实际通信中存在卫星平台振动和卫星动态运动等因素的影响，对空间光通信瞄准、捕获和跟踪系统提出了更高的要求。

为确保空间光通信的工作可靠性，在地面对PAT(Pointing,Acquisition,andTracking，瞄准捕获跟踪)系统进行充分的功能验证与性能测试是必不可少的。目前，关于面向卫星光通信应用的PAT系统的地面验证方案，通常是建立地面-飞机或飞机-飞机的链路来进行地面模拟验证，但是这种方法测试成本高，受到天气、空间条件和无人机管制等因素的限制；而在室内进行的地面模拟系统，则主要采用干扰天线和补偿天线实现卫星动态的模拟与跟踪，但他们只完成了单向跟踪测试，对于实际中的卫星光通信双向跟踪过程无法很好地模拟与测试，不利于实现最佳的PAT算法优化。

发明内容

本申请实施例提供了一种针对空间光通信终端的地面验证系统、方法及装置，能够模拟空间通信中的双向捕获瞄准跟踪全过程，且系统简单易实现，能通过该系统以较低的成本实现捕获瞄准跟踪算法的优化和开发。

第一方面，本发明通过本发明的一实施例提供如下技术方案：

一种针对空间光通信终端的地面验证系统，包括：第一终端和第二终端，其中，所述第一终端包括第一成像模块、第一控制器和第一偏转天线，所述第一偏转天线用于对入射到第一参考点的第一发射光的发射方向进行调整，所述第一成像模块的光轴与所述第一发射光同轴；所述第二终端包括第二成像模块、第二控制器和第二偏转天线，所述第二偏转天线用于对入射到第二参考点的第二发射光的发射方向进行调整，所述第二成像模块的光轴与所述第二发射光同轴；所述第一成像模块用于对所述第二参考点进行成像，所述第二成像模块用于对所述第一参考点进行成像；所述第一控制器与所述第一成像模块连接，用于基于所述第二参考点的成像数据，确定所述第二参考点的位置信息，以调整所述第一偏转天线的偏转角度，使得所述第一发射光入射到所述第二参考点处；所述第二控制器与所述第二成像模块连接，用于基于所述第一参考点的成像数据，确定所述第一参考点的位置信息，以调整所述第二偏转天线的偏转角度，使得所述第二发射光入射到所述第一参考点处。

优选地，所述第一发射光的光束尺寸小于所述第二偏转天线的接收面尺寸，所述第二发射光的光束尺寸小于所述第一偏转天线的接收面尺寸，且选择尽可能小的光束尺寸。

优选地，所述第一终端还包括第一通信模块和第一分束器，所述第一通信模块用于生成所述第一发射光以及解调所述第二终端发射的第二发射光，所述第一分束器用于将所述第一通信模块发出的第一发射光传递到所述第一偏转天线的第一参考点，以及将由所述第一偏转天线接收的第二发射光传递到所述第一成像模块；第二终端还包括第二通信模块和第二分束器，所述第二通信模块用于生成所述第二发射光以及解调所述第一终端发射的第一发射光，所述第二分束器用于将所述第二通信模块发出的第二发射光传递到所述第二偏转天线的第二参考点，以及将由所述第二偏转天线接收的第一发射光传递到所述第二成像模块。

优选地，所述第一终端还包括第三成像模块、第三偏转天线和第三分束器，所述第三成像模块与所述第一控制器连接，所述第三分束器用于向所述第三偏转天线传递所述第一发射光，和向所述第三成像模块传递经所述第一偏转天线接收的第二发射光，所述第三成像模块用于采集所述第三分束器传递的第二发射光，对所述第二参考点进行成像，所述第一控制器还用于基于所述第三成像模块采集的成像数据调整所述第三偏转天线的偏转角度，以使得所述第一发射光入射到所述第二参考点处，实现第一终端对第二终端的精确瞄准；所述第二终端还包括第四成像模块、第四偏转天线和第四分束器，所述第四成像模块与所述第二控制器连接，所述第四分束器用于向所述第四偏转天线传递所述第二发射光，和向所述第四成像模块传递经所述第二偏转天线接收的第一发射光，所述第四成像模块用于采集所述第四分束器传递的第一发射光，对所述第一参考点进行成像，所述第二控制器还用于基于所述第四成像模块采集的成像数据调整所述第四偏转天线的偏转角度，以使得所述第二发射光入射到所述第一参考点处。

优选地，所述系统还包括移动平台，所述第二终端安装在所述移动平台上，所述移动平台用于驱动所述第二终端运动，以使得所述第一参考点与所述第二参考点之间的相对位置变化。

优选地，所述第一终端还包括第一扰动偏转天线，所述第二终端还包括第二扰动偏转天线，其中，所述第一发射光经过所述第一偏转天线反射后，依次经过所述第一扰动偏转天线、所述第二扰动偏转天线发射到所述第二偏转天线，所述第二发射光经过所述第二偏转天线反射后，依次经过所述第二扰动偏转天线、所述第一扰动偏转天线发射到所述第一偏转天线；所述第一扰动偏转天线用于模拟所述第一终端的振动；所述第二扰动偏转天线用于模拟所述第二终端的振动。

优选地，所述第一偏转天线以及所述第二偏转天线均为电动偏转天线，所述第一偏转天线与所述第一控制器连接，所述第二偏转天线与所述第二控制器连接。

第二方面，本发明通过本发明的一实施例，提供如下技术方案：

一种针对空间光通信终端的地面验证方法，应用于第一方面所述系统中的第一控制器，所述方法包括：获取第一成像模块采集的第二偏转天线上第二参考点的成像数据；基于所述第二参考点的成像数据，确定所述第二参考点的位置信息；基于所述第二参考点的位置信息，调整第一偏转天线的偏转角度，以使得第一终端发出的第一发射光经所述第一偏转天线上的第一参考点入射到所述第二参考点处。

优选地，所述获取第一成像模块采集的第二偏转天线上第二参考点的成像数据之前，还包括：控制经所述第一偏转天线的第一参考点反射出的第一发射光在预设角度范围内扫描，以使得所述第一发射光落在所述第二偏转天线上，被所述第二终端捕获；当监测到所述第二终端反馈的第二发射光时，停止扫描。

第三方面，本发明通过本发明的一实施例，提供如下技术方案：

一种针对空间光通信终端的地面验证装置，应用于第一方面所述系统中的第一控制器，所述装置包括：

获取模块，用于获取第一成像模块采集的第二偏转天线上第二参考点的成像数据；

位置确定模块，用于基于所述第二参考点的成像数据，确定所述第二参考点的位置信息；

调整模块，用于基于所述第二参考点的位置信息，调整第一偏转天线的偏转角度，以使得第一终端发出的第一发射光经所述第一偏转天线上的第一参考点入射到所述第二参考点处。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供的针对空间光通信终端的地面验证系统、方法及装置，通过设置第一终端和第二终端，第一终端包括第一成像模块、第一控制器和第一偏转天线，第二终端包括第二成像模块、第二控制器和第二偏转天线。在该系统中，第一终端的第一发射光需要经过第一偏转天线的第一参考点向第二终端发送，相应地，第二终端的第二发射光需要经过第二偏转天线的第二参考点向第一终端发送，并且，第一成像模块的光轴与第一发射光同轴，第二成像模块的光轴与第二发射光同轴，从而可以通过第一成像模块对第二参考点的成像数据调整第一偏转天线即可使得第一发射光入射到第二参考点处，通过第二成像模块对第一参考点的成像数据调整第二偏转天线即可使得第一发射光入射到第一参考点处，实现两个终端之间的瞄准，且基于瞄准功能，能够更进一步实现终端的捕获和跟踪。因此，该系统能够模拟空间通信中的双向捕获瞄准跟踪全过程，且系统简单易实现，能通过该系统以较低的成本实现捕获瞄准跟踪算法的优化和开发。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的激光链路建立的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的实际光入射角测量的示意图；

图3为本发明实施例提供的探测器对参考点进行空间位置成像的示意图；

图4为本发明实施例提供的针对空间光通信终端的地面验证系统的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的发射光对准前的光路示意图；

图6为本发明实施例提供的发射光对准后的光路示意图；

图7为本发明实施例提供的实际卫星光通信扫描的示意图；

图8为本发明实施例提供的实际卫星光通信捕获的示意图；

图9为本发明实施例提供的实际卫星光通信链路建立的示意图；

图10为本发明实施例提供的地面验证系统卫星光通信扫描的示意图；

图11为本发明实施例提供的地面验证系统卫星光通信捕获的示意图；

图12为本发明实施例提供的地面验证系统卫星光通信链路建立的示意图；

图13为本发明实施例提供的跟踪模拟验证系统的结构示意图；

图14为本发明实施例提供的增加扰动偏转天线后的地面验证系统的结构示意图；

图15为本发明实施例提供的针对空间光通信终端的地面验证方法的流程图；

图16为本发明实施例提供的针对空间光通信终端的地面验证装置的结构示意图。

具体实施方式

为了实现在空间有限的实验室环境下模拟实际中上万千米距离的双向空间光通信，申请人发现需要解决以下问题：(1)短距离情况下，终端不能被视为质点：实际空间光通信的发射终端与接收终端距离达数百公里以上，接收终端处的光斑覆盖范围远大于接收天线的尺寸，可将终端视为质点，通过测量发射端光束与接收天线光轴的夹角，即可得到接收端光轴相对两个终端连线的偏差，从而为接收端调整光轴提供依据，而在实验室有限距离条件下，激光的光斑尺寸一般小于终端天线尺寸，不能将其视为质点；(2)近距离条件下光斑偏移距离小：在同样的偏转角度下，实验室中较短的光束传输距离导致接收面上光斑的偏移量小，若是采用大光束通信，则偏转后接收端仍处于光束覆盖范围内，不能模拟空间情况下光束偏转对通信链路的影响，无法对光通信终端的APT过程进行验证。

针对在实验室环境下对PAT(Pointing,Acquisition,and Tracking，瞄准捕获跟踪)系统进行测试与验证上存在的问题，本申请提出了一种针对空间光通信终端的地面验证系统、方法及装置，即提供了一种用于对空间光通信终端的捕获瞄准跟踪功能与性能进行地面近距离验证的平台，通过采用窄激光束，在发射端的天线与接收端的探测器之间建立成像关系，使得发射端可等效为发射天线上的光斑，从而能够以发射端“窄光束”搜索接收端“大接收面”的“点寻面”方式来等效实际通信中以大覆盖范围光束搜索小面积接收天线的“面寻点”捕获过程。同时该验证平台可以进行双向瞄准捕获跟踪测试，模拟空间通信中的双向捕获瞄准跟踪全过程，能对通信双方整体进行跟踪算法的纠错与优化，使PAT系统的跟瞄性能更好、稳定性更高，并且在实验室中即可完成，极大降低了模拟验证成本，在PAT系统设计优化过程中具有一定的应用价值。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

申请人经过长期研究发现，可以基于以下基本原理得到本申请实施例提供的一种针对空间光通信终端的地面验证系统，该系统能够在地面近距离对空间激光通信终端进行功能验证与性能测试。为了便于理解，在介绍本申请实施例提供的地面验证系统的实施方式之前，下面先对实际的空间光通信终端的基本原理进行详细说明。

对于实际的空间光通信，如图1所示，若A、B为两个空间光通信终端，12、22分别为终端A和终端B的收发偏转天线，由于终端A、终端B间距离极远，可分别被对方终端视作质点P、Q，且光学天线接收的信号光可视为平行光。在装配系统时，将粗、精跟踪探测器安装在光学系统的焦平面上，根据测得的光斑与探测器中心的相对位置x可以求出入射光束与终端系统光轴的偏差角θ，从而为瞄准机制的指向调整提供依据，使接收端的光轴与入射光的入射方向平行，以获得最大信号接收效率。

为充分还原实际空间光通信终端的瞄准过程，下面将结合实际空间光通信终端的瞄准原理，进行探测对准过程的详细说明。具体来说，在实际空间激光通信中，如图2所示，通信终端距离可达数百公里，光学天线接收的信号光可视为平行光，探测器15安装在光学透镜14的后焦面上，对从远端传输而来的平行光进行聚焦，测得的光斑与探测器中心的相对位置将反映入射光束相对PAT系统光轴的偏差角，来用以指导瞄准机构的指向调整，使入射光的传输方向平行于天线光轴。假设探测器15前的光学系统焦距为f，光斑位置离探测器中心距离为x，则入射角θ可表示为：

而本申请的模拟验证平台是建在室内的，通信终端间的距离有限，如距离为5～10米，在实验室有限距离条件下，不能将其视为质点，无法通过测量入射光束的角度来确定发射端相对接收端的角度。

为解决此问题，本申请提出通过光学布局在发射端的发射天线与接收端的粗、精跟踪探测器之间建立成像关系，从而可利用窄光束在发射端天线上的光斑来等效发射端，如图3所示，使发射端出射光束与接收端光轴之间的偏转角度关系，转变为发射端出射光斑位置与接收端光轴之间的成像位置关系。其中，如图1所示，点P、点Q分别为终端A、终端B的出射光束在其第一偏转天线12、第二偏转天线22上的入射位置。在对12、22调节过程中，光束出射方向改变，点P、Q的位置保持不变。基于光路可逆原理，当双向通信光路重合时通信链路才能建立，调节第一偏转天线12、第二偏转天线22可以实现双向通信光路重合，该调节过程可以包括：调节第一偏转天线12，使终端A出射的光束射向终端B上的点Q；调节第二偏转天线22，使终端B端出射的光束射向终端A天线上的点P。

如图3所示，以终端B为例，探测器15探测终端A点P的空间位置而非其入射光方向，光学透镜14对第一偏转天线的位置成像，点P位于第一偏转天线上，不同方向的窄光束由P点入射，最终汇聚于点P’，P’是点P关于光学透镜成的像，将探测器置于像面。假设光学透镜焦距为f，已知，物距l与像距l′满足高斯成像公式为：

由同一位置的点P发出的不同路径的窄光束经过光学系统后在像面P’处重合，光斑P’偏离探测器中心的距离d′与点P离开光轴的距离d有关，即

当点P位于光轴上时，d＝d′＝0，此时光斑位于探测器的中心。

基于上述基本结构和原理说明，本申请实施例提供了一种针对空间光通信终端的地面验证系统，应用于对空间光通信终端的捕获、瞄准以及跟踪功能与性能进行地面验证。举例来讲，该地面验证系统可以用于模拟卫星光通信，也可以用于模拟其他空间光通信过程。为了便于理解，下面主要以该系统作为模拟卫星光通信的地面验证系统为例进行说明。

具体来讲，如图4所示，所述系统包括：第一终端10(下文简写为终端A)和第二终端20(下文简写为终端B)。其中，终端A包括第一成像模块30、第一控制器104、和第一偏转天线102，终端B包括第二成像模块40、第二控制器204和第二偏转天线202。

在该系统中，终端A的第一发射光103经过第一偏转天线102的第一参考点(如图4中的点P)向终端B发送，相应地，终端B的第二发射光203需要经过第二偏转天线202的第二参考点(如图4中的点Q)向终端A发送。需要说明的是，图4中标注的103(203)表示第一发射光与第二发射光，这里的第一发射光的光束尺寸小于第二偏转天线的接收面尺寸，第二发射光的光束尺寸小于第一偏转天线的接收面尺寸，即第一发射光的光束直径小于所述第二偏转天线的接收面直径，第二发射光的光束直径小于第一偏转天线的接收面直径，，以实现偏转天线发生偏转后，对端能对接收到的光束移动位置信息变化较敏感，从而满足测试卫星光通信终端所需的高精度指向要求。举例来说，第一发射光和第二发射光的光束尺寸可以均在2到3毫米之间。

系统中的第一偏转天线102用于对入射到点P的第一发射光103的发射方向进行调整，第二偏转天线202用于对入射到点Q的第二发射光203的发射方向进行调整。在一种实施方式中，为了能快速稳定地实现光路重合，第一偏转天线102以及第二偏转天线202均可以为电动偏转天线，举例来说，为压电偏转天线或马达控制的偏转天线。第一偏转天线102的偏转由第一控制器104进行控制，第二偏转天线202的偏转由第二控制器204进行控制。第一控制器和第二控制器能够根据第一成像模块30、第二成像模块40获取的光斑位置信息，控制偏转天线102、202自动地进行偏转方向的调节。当然，在本申请其他实施方式中，第一偏转天线102以及第二偏转天线202也可以是能够手动调节偏转角度的偏转天线。

第一成像模块的光轴与第一发射光同轴，用于对点Q进行成像。第二成像模块的光轴与第二发射光同轴，用于对点P进行成像。

具体来讲，第一成像模块30可以包括第一光学透镜301和第一光电探测器302，第二成像模块40可以包括第二光学透镜401和第二光电探测器402。第一成像模块30能够基于上述的探测对准原理，对第二偏转天线202处的点Q进行空间位置成像，第二成像模块40能够基于探测对准原理，对第一偏转天线102处的点P进行空间位置成像。举例来讲，第一光电探测器302和第二光电探测器402可以采用CCD(Charge-coupled Device，探测器)，以实现采集光斑图像并定位的功能。需要说明的是，这里提到的由光电探测器和光学透镜构成的成像模块可以是一种相机，该相机能对光束进行空间位置成像。

第一控制器104与第一成像模块30连接，用于基于点Q的成像数据，确定点Q的位置信息，以调整第一偏转天线102的偏转角度，使得第一发射光入射到点Q处。第二控制器204与第二成像模块40连接，用于基于点P的成像数据，确定点P的位置信息，以调整第二偏转天线202的偏转角度，使得第二发射光入射到点P处。具体来讲，第一控制器104和第二控制器204可以包括单片机、DSP、ARM或FPGA等具有数据处理功能的芯片，例如，可以包括APT处理器。

另外，终端A还可以包括第一瞄准控制器303，第一瞄准控制器303一端与第一控制器104连接，另一端与第一成像模块30连接，第一瞄准控制器303能获取点Q的成像数据，并基于点Q的成像数据，确定点Q的位置信息，以调整第一偏转天线102的偏转角度，第一瞄准控制器303与第一控制器104的配合控制，使得第一发射光入射到点Q处。终端B还可以包括第二瞄准控制器403，第二瞄准控制器403一端与第二控制器204连接，另一端与第二成像模块40连接，第二瞄准控制器403能获取点P的成像数据，并基于点P的成像数据，确定点P的位置信息，以调整第二偏转天线202的偏转角度，第二瞄准控制器403与第二控制器204的配合控制，使得第二发射光入射到点P处。

在一种可选的实施例中，终端A、B还包括通信模块和分束器。其中，终端A包括第一通信模块50和第一分束器105，第一通信模块50用于生成第一发射光103以及解调终端B发射的第二发射光203，第一分束器105用于将第一通信模块50发出的第一发射光103传递到第一偏转天线102的点P，以及将由第一偏转天线102接收的第二发射光203传递到第一成像模块30。终端B包括第二通信模块60和第二分束器205，第二通信模块60用于生成第二发射光203以及解调终端A发射的第一发射光103，第二分束器205用于将第二通信模块60发出的第二发射光203传递到第二偏转天线202的点Q，以及将由第二偏转天线202接收的第一发射光103传递到第二成像模块40。

具体来讲，第一通信模块50可以包括：第一准直器501、第一WDM(WavelengthDivision Multiplexer，波分复用器)502、第一收发模块503和单模光纤，第一准直器501能够生成第一发射光以及解调终端B发射的第二发射光，第一WDM 502用于将发射和接收的不同波长的信号光分开。第二通信模块60包括：第二准直器601、第二WDM 602、第二收发模块603和单模光纤，第二准直器601能够生成第二发射光以及解调终端A发射的第一发射光，第二WDM 602用于将发射和接收的不同波长的信号光分开。

第一收发模块503能将输入的信号调制为光信号在光纤中传播，而第二收发模块603能将从光纤接收到的光信号解调为信号输出。这里假设第一收发模块503发射的信号光波长为1550nm，第二收发模块603发射的信号光波长为1490nm，当两者发射的信号光都能被对方接收时，即成功“握手”，此时，能实现信号由终端A到终端B的正常传输。当然，作为另一种可选地实施例，第一收发模块503和第二收发模块603也可以都能将输入的信号调制为光信号在光纤中传播，以及将从光纤接收到的光信号解调为信号输出。

下面将结合上述系统，描述终端A与终端B的对准过程，即模拟双向通信光路重合的过程：

具体地，图5示出了光束对准前的光路示意图，以终端B为例，图中的103表示终端A出射的第一发射光，第一发射光103从P点出射至B终端，图中的203表示终端B第二准直器601出射的第二发射光。第一发射光103与第二发射光203经由第二分束器205时，第一发射光103被透射到第二光电探测器402，第二发射光203经过第二分束器205反射到第二偏转天线202，由第二偏转天线202向终端A发射。

假设第二光学透镜401与第二光电探测器402一起构成了相机。从图5中可以看出，对终端B，以虚线标示的相机光轴与第二发射光始终同轴，即收发同轴。关于第二偏转天线202作出相机的轴对称像，得到如图5所示的虚线相机，轴对称后的第二发射光的光路结构与图5相同，可知光斑位置反映了P点与相机光轴的距离。当P点偏离光轴时，如图5所示，第二光电探测器402上的光斑也偏离中心位置。根据光斑偏移量来调节第二偏转天线202的偏转角度，使得经过第二偏转天线202反射的相机光轴发生偏转，直到光斑回到第二光电探测器中心，如图6所示。根据上述式(3)知，此时P点位于相机光轴上，又因收发同轴，可知终端B发出的光束经第二偏转天线202的偏转成功指向终端A上P点，实现了终端B对终端A的对准，终端A对终端B的对准同理。

进一步地，为了补偿第一成像模块、第二成像模块CCD探测器瞄准后的残余瞄准误差，更精确地实现终端A和终端B的对准，终端A还包括第三成像模块70、第三偏转天线106和第三分束器107。第三成像模块70与第一控制器104连接，第三分束器107用于向第三偏转天线106传递第一发射光，和向第三成像模块70传递经第一偏转天线102接收到的第二发射光。第三成像模块70用于采集第三分束器107传递的第二发射光，对点Q进行成像，第一控制器104还用于基于第三成像模块70采集的成像数据，控制调整第三偏转天线106的偏转角度，以使得第一发射光入射到点Q处。

相应地，终端B还包括第四成像模块80、第四偏转天线206和第四分束器207，第四成像模块80与第二控制器204连接，第四分束器207用于向第四偏转天线206传递第二发射光，和向第四成像模块80传递经第二偏转天线202接收到的第一发射光。第四成像模块80用于采集第四分束器207传递的第一发射光，对点P进行成像，第二控制器204还用于基于第四成像模块80采集的成像数据，控制调整第四偏转天线206的偏转角度，以使得第二发射光入射到所述点P处。可以想到，第三偏转天线106和第四偏转天线206同样可以都为压电偏转天线或马达控制的偏转天线，第三偏转天线106受第一控制器104的控制，第四偏转天线206受第二控制器204的控制。

具体来讲，第三成像模块70可以包括：第三光学透镜701和第三光电探测器702。同理，第四成像模块80可以包括：第四光学透镜801和第四光电探测器802。第三成像模块70能够基于前述的探测对准原理，对第二偏转天线202处的点Q进行空间位置成像，第四成像模块80能够基于前述探测对准原理，对第一偏转天线102处的点P进行空间位置成像。举例来讲，第三光电探测器702和第四光电探测器802可以采用QD(quadrant photodetectors，四象限探测器)，能实现对光束对准偏差的快速精确测量。

另外，终端A还可以包括第三瞄准控制器703，第三瞄准控制器703分别与第一控制器104、第三成像模块70和第三偏转天线106连接，第三瞄准控制器703同样能获取点Q的成像数据，并基于点Q的成像数据，确定点Q的位置信息，以调整第三偏转天线106的偏转角度。第三瞄准控制器703与第一控制器104的配合控制，使得第一发射光精确入射到点Q处。相应地，终端B还可以包括第四瞄准控制器803，第四瞄准控制器803分别与第二控制器204、第四成像模块80和第四偏转天线206连接，第四瞄准控制器803能获取点P的成像数据，并基于点P的成像数据，确定点P的位置信息，以调整第四偏转天线206的偏转角度，第四瞄准控制器803与第二控制器204的配合控制，使得第二发射光精确入射到点P处。

需要说明的是，由于本系统的终端A和终端B都分别包含了两个探测器，即终端A包含第一光电探测器和第三光电探测器，终端B包含第二光电探测器和第四光电探测器，其中，第一光电探测器和第二光电探测器都属于粗瞄探测器(CCD探测器)，第三光电探测器和第四光电探测器都属于精瞄探测器(QD探测器)。因此，终端A和终端B能通过粗精瞄探测器，采用粗精瞄配合的方式模拟实际光通信终端，以使得通过CCD粗瞄准采集光斑图像并定位，和QD精瞄准进行更精确地定位，从而得到光斑的位置信息。再基于光斑的位置信息，通过控制器或手动进行校准调节，实现双向通信光路重合。

在一种应用场景中，控制器能够基于粗瞄准获取的光斑位置信息，输出脱靶量控制粗瞄偏转天线进行瞄准，其中，脱靶量表示光斑偏离CCD探测器中心的位移量。在粗瞄准的基础上，控制器通过QD精瞄准获得光斑脱靶量的电压信号，控制精瞄偏转天线进行瞄准。

举例来说，如图4中所示，以终端A为例，通过控制终端A的第三偏转天线106偏转，第一发射光在第三偏转天线106的偏转下发生轻微的方向改变。由于第三偏转106与第一偏转天线102的距离很近，使得第一发射光落在第一偏转天线102上的位置变化可忽略不计。第一发射光经过第一偏转天线102入射到第二偏转天线202时，又由于第一偏转天线102与第二偏转天线202的距离相对较远，使得第一发射光落在第二偏转天线202上的位置发生改变。终端B的原理与终端A相同，且基于上述相同的理由，由第四偏转天线206的角度偏转带来的Q位置的变换也可忽略不计。需要说明的是，由于粗瞄准与精瞄准所起的作用的差异，粗瞄准导致偏转天线偏转的角度较大，控制频率在10Hz左右。而精瞄准导致的偏转角度较小，控制频率在300Hz左右，它的速度较快，主要用于补偿粗瞄准后的残余瞄准误差。

基于上述系统，本申请又针对地面模拟卫星光通信过程所存在的问题，进行了等效设计。简单来说，通过将实际中的“宽光束、小接收范围”等效为实验室中的“窄光束、大接收范围”，将实际的捕获过程由“面寻点”方式等效为“点寻面”方式，从而使用窄光束对实际卫星光通信中捕获瞄准跟踪过程进行等效设计。

具体而言，在实际卫星光通信中，当两终端的初始瞄准方向存在偏差时，通信双方需要通过捕获过程在不确定区域中搜索对方，如图7、图8和图9所示为实际卫星光通信捕获瞄准过程的示意图，图中一端为卫星光通信终端A，另一端为卫星光通信终端B，椭圆区域代表不确定区域，光束的发散角为θ_div。图10、图11和图12所示为模拟验证平台对实际情况的等效模拟示意图，图中一端为终端A，另一端为终端B，椭圆区域代表不确定区域，终端B中偏转天线B对终端A中点P的张角为θ_p，当偏转天线尺寸越大，张角就越大。

下面将结合实际光通信的捕获过程，对本申请建立的地面验证系统的捕获过程进行说明：

在通过验证平台进行等效模拟时，根据实际扫描不确定区域设定验证平台的扫描范围，终端A发射的光束在这个范围内扫描搜索终端B第二偏转天线202上的Q点，如图10所示，实际中当终端A光束对终端B的指向误差小于θ_div/2时，终端B即可捕获到终端A发出的信标光，完成对终端A的捕获，如图8所示。在验证平台中，点P相对第二偏转天线202的张角大小为θ_P/2，当终端A经P点发出的光束入射到第二偏转天线202时即可被终端B的第一光电探测器402探测到，此时，点P出射的光束对点Q的瞄准误差小于θ_P/2，表示终端A完成对终端B的捕获，如图11所示。

实际终端B捕获完成后，会根据入射光的入射方向调整发射光束的瞄准方向，使其指向终端A，终端A检测到终端B的反馈光后立即停止扫描过程。再同样地根据入射光的入射方向调整发射光束的瞄准方向，使其指向终端B，最终实现光束双向对准并完成链路连接，如图9所示。验证平台对此进行模拟时，当终端B捕获到终端A的光束后，终端B的第二控制器204根据第二光电探测器402上像点P’的位置确定点P的方位信息，调整第二偏转天线202将点Q发射的光束203反馈到点P。当终端A接收到反馈光后，立即停止扫描过程，第一控制器104根据第一光电探测器302上像点Q’的位置确定点Q的方位信息，同样地调整第一偏转天线102将终端A发射的光束103反馈到点Q。至此从点P与点Q出射的光束共轴，完成捕获并建立链路过程，如图12所示。

由此，本验证平台在捕获并建立链路的过程中对实际捕获过程中出现的情况分别进行了模拟，捕获模拟的动作与实际一致，同时解决了地面验证存在的两个问题，即(1)实际中发射终端与接收终端足够远，接收终端处的光束范围足够大，可以忽略接收终端体积、形状、天线接收物天线的位置平移等因素带来的影响，而实验室有限的距离限制了激光的光斑尺寸大小，无法按实际情况进行模拟；(2)在同样的偏转角度下，实验室中较短的光束传输距离导致接收面上光斑的偏移量小，若是采用大光束通信，则偏转后接收端仍然在光束范围内，对指向精度不敏感，无法测试卫星光通信所需的高精度指向要求。因此，本申请提供的验证平台具备较好的模拟效果，对捕获算法的验证具有实用价值。

进一步地，由于两通信终端间存在着相对运动，且在卫星在轨道上运行不可避免地存在振动，这些因素都会影响激光链路的稳定连接，因此，系统需要实现实时的精确跟踪和振动补偿来维持通信链路的稳定连接。针对链路跟踪过程的模拟，本申请建立的地面验证系统还包括移动平台208，如图13所示，将终端B安装在移动平台208上，移动平台208用于驱动终端B运动，以使得点P、Q之间的相对位置变化。进而模拟出卫星与卫星，或者卫星与地面之间产生的相对运动。

具体地，当移动平台208发生移动时，点Q的位置也随之发生变化，当点Q位置改变，光路链路连接中断，此时，第一控制器104可以控制第一偏转天线102的偏转角度，进行对第二偏转天线202的扫描寻找。这里的点P与点Q间的相对位置变化可以等效为太空环境中两通信终端间的位置变化。这种方法相对于传统的施加扰动并补偿的方法的优点是模拟了双向跟踪的过程，从而更真实的还原了实际情况下卫星光通信过程，进一步地，使得在具备较好的模拟效果的基础上，对PAT算法的验证具有更好的实用价值。

移动平台208可以与第二控制器204连接，实现通过第二控制204操作移动平台208来改变终端B的位置。需要说明的是，这里的移动平台可以为导轨，或者其他可以使终端发生移动的器件。

进一步地，为了模拟出卫星光通信过程可能存在的振动，本申请采用施加扰动并补偿的方法。具体而言，如图14所示，本系统的终端A还包括第一扰动偏转天线108，终端B还包括第二扰动偏转天线209。其中，第一发射光103经过第一偏转天线102反射后，依次经过第一扰动偏转天线108、第二扰动偏转天线209发射到第二偏转天线202。第二发射光203经过第二偏转天线202反射后，依次经过第二扰动偏转天线209、第一扰动偏转天线108发射到第一偏转天线102。第一扰动偏转天线用于模拟第一终端的振动，第二扰动偏转天线用于模拟第二终端的振动。

通过在第一偏转天线102和第二偏转天线202前加入扰动偏转天线，用于模拟振动，从而对发射光的指向带来干扰，更进一步还原实际卫星光通信过程。基于模拟过程中产生的干扰信号，在PAT算法中加入振动补偿算法，控制第一偏转天线102、第三偏转天线106和第二偏转天线202、第四偏转天线206补偿扰动偏转天线造成的影响。从而实现对PAT算法的优化。

基于本申请提供的用于进行空间光通信终端的捕获瞄准跟踪的地面验证系统，来进行双向通信光路重合的实验操作步骤可以如下：

先将两终端的CCD探测器302、402调节至合适位置，使CCD探测器分别对P，Q点成像。

再手动调节偏转天线，使得终端A和终端B发射的光束重合，此时，可以检测信号能否正常稳定传输。若能正常稳定传输，则认为光束已调节到重合。记录下此时终端A和终端B的CCD探测器上探测到的光斑的中心位置，此位置可认为是终端发射的光束的光轴方向。从而基于上述步骤，实现双向通信光路重合。

终上所述，通过本发明实施例提供的一种针对空间光通信终端的地面验证系统，能够模拟空间通信中的双向捕获瞄准跟踪全过程，且系统简单易实现，能通过该系统以较低的成本实现捕获瞄准跟踪算法的优化和开发。在这个实验光路下即可完整地实现捕获与跟踪全过程的模拟，在无人机等贴近太空环境的测试前进行PAT算法的开发是一种低成本，容错率高的方法。

第二方面，基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种针对空间光通信终端的地面验证方法，应用于上述第一方面描述的地面验证系统。具体来讲，可以分别应用于第一控制器和第二控制器。当运用于系统中的第一控制器时，如图15所示，该方法包括以下步骤S101至步骤S103。

步骤S101，获取第一成像模块采集的第二偏转天线上第二参考点的成像数据。

步骤S102，基于第二参考点的成像数据，确定第二参考点的空间位置信息。

步骤S103，基于第二参考点的位置信息，调整第一偏转天线的偏转角度，以使得第一终端发出的第一发射光经第一偏转天线上的第一参考点入射到第二参考点处。

需要说明的是，步骤S101至步骤S103的具体实施过程可以参照上述系统实施例中的相应描述，此处不再赘述。

可以理解的是，当运用于系统中的第二控制器时，该方法包括：

获取第二成像模块采集的第一偏转天线上第一参考点的成像数据；基于第一参考点的成像数据，确定第一参考点的位置信息；基于第一参考点的位置信息，调整第二偏转天线的偏转角度，以使得第二终端发出的第二发射光经第二偏转天线上的第二参考点入射到第一参考点处。

进一步地，由于在实际空间光通信中，当两终端的初始瞄准方向存在偏差时，通信双方需要通过捕获过程在不确定区域中搜索对方，因此，获取第一成像模块采集的第二偏转天线上第二参考点的成像数据之前，还可以包括：控制经第一偏转天线的第一参考点反射出的第一发射光在预设角度范围内扫描，以使得第一发射光落在第二偏转天线上，被第二终端捕获；当监测到第二终端反馈的第二发射光时，停止扫描。

本发明实施例所提供的一种针对空间光通信终端的地面验证方法，其实现原理及产生的技术效果和前述系统实施例相同，为简要描述，方法实施例部分未提及之处，可参考前述系统实施例中相应内容。

第三方面，基于同一发明构思，本实施例提供了一种针对空间光通信终端的地面验证装置，如图16所示，包括：

数据获取模块900，用于获取第一成像模块采集的第二偏转天线上第二参考点的成像数据；

位置确定模块901，用于基于第二参考点的成像数据，确定第二参考点的位置信息；

调整模块902，用于基于第二参考点的位置信息，调整第一偏转天线的偏转角度，以使得第一终端发出的第一发射光经所述第一偏转天线上的第一参考点入射到第二参考点处。

作为一种可选的实施例，所述装置还包括：

扫描模块，用于控制经第一偏转天线的第一参考点反射出的第一发射光在预设角度范围内扫描，以使得第一发射光落在第二偏转天线上，被第二终端捕获；

监测模块，用于当监测到第二终端反馈的第二发射光时，停止扫描。

以上各模块可以是由软件代码实现，此时，上述的各模块可存储于控制设备的存储器内。以上各模块同样可以由硬件例如集成电路芯片实现。

本发明实施例所提供的一种针对空间光通信终端的地面验证装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种针对空间光通信终端的地面验证系统，其特征在于，用于对空间光通信终端的捕获、瞄准以及跟踪性能进行地面验证，所述系统包括第一终端和第二终端，其中，

所述第一终端包括第一成像模块、第一控制器和第一偏转天线，所述第一偏转天线用于对入射到第一参考点的第一发射光的发射方向进行调整，所述第一成像模块的光轴与所述第一发射光同轴；

所述第二终端包括第二成像模块、第二控制器和第二偏转天线，所述第二偏转天线用于对入射到第二参考点的第二发射光的发射方向进行调整，所述第二成像模块的光轴与所述第二发射光同轴；

所述第一成像模块用于对所述第二参考点进行成像，所述第二成像模块用于对所述第一参考点进行成像；

所述第一控制器与所述第一成像模块连接，用于基于所述第二参考点的成像数据，确定所述第二参考点的位置信息，以调整所述第一偏转天线的偏转角度，使得所述第一发射光入射到所述第二参考点处；

所述第二控制器与所述第二成像模块连接，用于基于所述第一参考点的成像数据，确定所述第一参考点的位置信息，以调整所述第二偏转天线的偏转角度，使得所述第二发射光入射到所述第一参考点处。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一发射光的光束尺寸小于所述第二偏转天线的接收面尺寸，所述第二发射光的光束尺寸小于所述第一偏转天线的接收面尺寸。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一终端还包括第一通信模块和第一分束器，所述第一通信模块用于生成所述第一发射光以及解调所述第二终端发射的第二发射光，所述第一分束器用于将所述第一通信模块发出的第一发射光传递到所述第一偏转天线的第一参考点，以及将由所述第一偏转天线接收的第二发射光传递到所述第一成像模块；

第二终端还包括第二通信模块和第二分束器，所述第二通信模块用于生成所述第二发射光以及解调所述第一终端发射的第一发射光，所述第二分束器用于将所述第二通信模块发出的第二发射光传递到所述第二偏转天线的第二参考点，以及将由所述第二偏转天线接收的第一发射光传递到所述第二成像模块。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一终端还包括第三成像模块、第三偏转天线和第三分束器，所述第三成像模块与所述第一控制器连接，所述第三分束器用于向所述第三偏转天线传递所述第一发射光，和向所述第三成像模块传递经所述第一偏转天线接收的第二发射光，所述第三成像模块用于采集所述第三分束器传递的第二发射光，对所述第二参考点进行成像，所述第一控制器还用于基于所述第三成像模块采集的成像数据调整所述第三偏转天线的偏转角度，以使得所述第一发射光入射到所述第二参考点处；

所述第二终端还包括第四成像模块、第四偏转天线和第四分束器，所述第四成像模块与所述第二控制器连接，所述第四分束器用于向所述第四偏转天线传递所述第二发射光，和向所述第四成像模块传递经所述第二偏转天线接收的第一发射光，所述第四成像模块用于采集所述第四分束器传递的第一发射光，对所述第一参考点进行成像，所述第二控制器还用于基于所述第四成像模块采集的成像数据调整所述第四偏转天线的偏转角度，以使得所述第二发射光入射到所述第一参考点处。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括移动平台，所述第二终端安装在所述移动平台上，所述移动平台用于驱动所述第二终端运动，以使得所述第一参考点与所述第二参考点之间的相对位置发生变化。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一终端还包括第一扰动偏转天线，所述第二终端还包括第二扰动偏转天线，其中，

所述第一发射光经过所述第一偏转天线出射后，依次经过所述第一扰动偏转天线、所述第二扰动偏转天线发射到所述第二偏转天线，所述第二发射光经过所述第二偏转天线出射后，依次经过所述第二扰动偏转天线、所述第一扰动偏转天线发射到所述第一偏转天线；

所述第一扰动偏转天线用于模拟所述第一终端的振动；

所述第二扰动偏转天线用于模拟所述第二终端的振动。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一偏转天线以及所述第二偏转天线均为电动偏转天线，所述第一偏转天线与所述第一控制器连接，所述第二偏转天线与所述第二控制器连接。

8.一种针对空间光通信终端的地面验证方法，其特征在于，应用于权利要求1-7中任一项所述系统中的第一控制器，所述方法包括：

获取第一成像模块采集的第二偏转天线上第二参考点的成像数据；

基于所述第二参考点的成像数据，确定所述第二参考点的位置信息；

基于所述第二参考点的位置信息，调整第一偏转天线的偏转角度，以使得第一终端发出的第一发射光经所述第一偏转天线上的第一参考点入射到所述第二参考点处。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述获取第一成像模块采集的第二偏转天线上第二参考点的成像数据之前，还包括：

控制经所述第一偏转天线的第一参考点出射的第一发射光在预设角度范围内扫描，以使得所述第一发射光落在所述第二偏转天线上，被所述第二终端捕获；

当监测到所述第二终端反馈的第二发射光时，停止扫描。

10.一种针对空间光通信终端的地面验证装置，其特征在于，应用于权利要求1-7中任一项所述系统中的第一控制器，所述装置包括：

数据获取模块，用于获取第一成像模块采集的第二偏转天线上第二参考点的成像数据；

位置确定模块，用于基于所述第二参考点的成像数据，确定所述第二参考点的位置信息；

调整模块，用于基于所述第二参考点的位置信息，调整第一偏转天线的偏转角度，以使得第一终端发出的第一发射光经所述第一偏转天线上的第一参考点入射到所述第二参考点处。

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