CN113296128B - 高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统及方法，包括：初始化条件设定模块，被配置为进行初始化条件设定；双星预指向模块，被配置为执行以下动作：使得A星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成A星激光终端预指向调整，以及使得B星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成B星激光终端预指向调整；捕获模块，被配置为使得A星、B星计算捕获不确定区域；激光通信链路建立模块，被配置为执行以下动作：使得A星进行高捕获率扫描、B星进行凝视；使得A星、B星进行双星捕获、精跟踪；以及完成精跟踪后，信号光进入通信视场，A星激光终端、B星激光终端打开通信光，建立激光通信链路。

Description

高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统及方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统及方法。

背景技术

随着卫星互联网技术的发展，加快发展高速安全可靠的全球天地一体宽带通信技术已成为我国构建信息基础设施的重要战略任务。而构建高速率的星间互联的激光通信链路，对于我国未来天地一体化信息网络的部署，具有重大的价值和现实意义，是带动卫星互联网产业升级的重要举措。目前，我国已启动的全球多媒体卫星系统、鸿雁系统、天地一体化卫星系统、国网等卫星信息网络，已采用激光链路作为卫星互联网系统星间数据传输链路。

然而，在传统低轨星间激光链路建立方法中尚存在两个方面的问题。首先，利用传统低轨星间激光链路建立方法不能量化激光终端初始指向、扫描范围、以及扫描、捕获过程中执行指向。另一方面传统建链方法中固定扫描重叠因子设计未考虑卫星姿态测量误差、卫星姿态稳定度和激光终端执行机构随机误差，导致捕获过程中漏扫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统及方法，以解决现有的星间激光链路建立方法不能量化激光终端初始指向、扫描范围、以及扫描、捕获过程中执行指向的问题。

本发明的目的还在于提供一种高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统及方法，以解决传统建链方法中固定扫描重叠因子设计未考虑卫星姿态测量误差、卫星姿态稳定度和激光终端执行机构随机误差，导致捕获过程中漏扫的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统，包括：

初始化条件设定模块，被配置为进行初始化条件设定；

双星预指向模块，被配置为执行以下动作：

使得A星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成A星激光终端预指向调整，以及使得B星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成B星激光终端预指向调整；

捕获模块，被配置为使得A星、B星计算捕获不确定区域；

激光通信链路建立模块，被配置为执行以下动作：

使得A星进行高捕获率扫描、B星进行凝视；

使得A星、B星进行双星捕获、精跟踪；以及

完成精跟踪后，信号光进入通信视场，A星激光终端、B星激光终端打开通信光，建立激光通信链路。

可选的，在所述的高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统中，所述初始化条件设定模块，被配置为执行以下动作：

设定卫星轨道数据坐标系o-xyz，及姿态数据旋转顺序；

设定激光终端坐标系与卫星本体坐标系相对关系，通过坐标旋转将激光终端坐标系旋转至卫星本体坐标系o′-x′y′z′；

设定激光终端相机像平面及光轴初始指向在卫星本体坐标系下的表达式；以及

设定激光终端二维转动方向在卫星本体坐标系下的表达式。

可选的，在所述的高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统中，所述A星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成A星激光终端预指向调整包括：

A星激光终端读取A星滚动角俯仰角/>偏航角/>计算A星当前姿态下激光终端坐标系初始x′轴单位矢量/>y′轴单位矢量/>z′轴单位矢量/>在轨道数据坐标系o-xyz下的单位矢量/>为：

其中，T_A为A星姿态转换矩阵；A星激光终端读取A星位置[x_A；y_A；z_A]，目标星B星位置[x_B；y_B；z_B]，计算两星距离L，以及轨道数据坐标系o-xyz下，A星位置指向B星位置的单位矢量为

在A星当前姿态下，A星激光终端初始光轴指向由变为/>通过调整激光终端方位角θ_x，俯仰角θ_z，使A星激光终端指向B星，即调整方位角与俯仰角使激光终端光轴方向/>从/>方向转动至/>方向，完成A星激光终端预指向。

可选的，在所述的高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统中，所述B星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成B星激光终端预指向调整包括：

B星激光终端读取B星滚动角俯仰角/>偏航角/>同理计算出B星当前姿态下激光终端坐标系初始x′轴单位矢量/>y′轴单位矢量/>z′轴单位矢量/>在轨道数据坐标系o-xyz下的单位矢量/>为：

其中，T_B为B星姿态转换矩阵；B星激光终端读取B星位置[x_B；y_B；z_B]，目标星A星位置[x_A；y_A；z_A]，计算轨道数据坐标系o-xyz下，B星位置指向A星位置的单位矢量为

在B星姿态扰动下，B星激光终端初始指向由变为/>通过调整激光终端方位角θ_x，俯仰角θ_z，使B星激光终端指向A星，即调整方位角与俯仰角使激光终端光轴方向/>从/>方向转动至/>方向，完成B星激光终端预指向。

可选的，在所述的高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统中，所述不确定区域包括以下误差：目标星相对位置误差σ₁、本星位置精度σ₂、卫星姿态三轴测量精度误差σ₃、卫星姿态三轴姿态稳定度误差σ₄、激光终端执行机构随机误差σ₅、激光终端光轴与机械轴误差σ₆、激光终端安装精度测量误差σ₇、星敏感器与激光终端相对热变形误差σ₈；

以上误差均为3σ误差，σ为标准差；

为保证不确定区域对目标星覆盖概率优于99％，不确定区域需以6σ误差计算，不确定区域σ_u计算如下：

可选的，在所述的高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统中，各个误差计算依据为：目标星相对位置误差L为两星距，E₁为目标星位置精度；

本星位置精度E₂为本星位置精度；

卫星姿态三轴测量精度误差σ₃由姿态测量设备精度决定，直接读取测量精度作为σ₃；

卫星姿态三轴姿态稳定度误差s为姿态稳定度误差，f为卫星向激光载荷发送姿态数据频率；

激光终端执行机构随机误差σ₅由执行精度决定，直接读取执行精度作为σ₅；

激光终端光轴与机械轴误差σ₆由激光终端装配决定，通过地面标定获取；

安装精度测量误差σ₇由地面测量设备精度决定，直接读取地面测量设备精度作为σ₇；

星敏感器与激光终端相对热变形误差σ₈由在轨热变形决定，以地面整星热平衡试验测得变形量作为σ₈。

可选的，在所述的高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统中，所述A星进行扫描、以及B星进行凝视包括：

A星设置扫描步长，打开信标光，进行螺旋扫描，B星凝视不确定区域，打开信标光；

A星按等线度速阿基米德螺线对不确定区域进行扫描，光斑中心曲线为下式，按此曲线扫描每扫一圈，覆盖区域半径步进I_step；

扫描起始角θ_start为θ_start＝0，扫描停止极角θ_stop为

扫描角度与扫描弧长的关系为

记激光终端粗跟踪电机扫描线速度为V，则单位时间Δt扫描步进间距为V·Δt，结合弧长公式，则有：

L(t+Δt)-L(t)＝V·Δt

结合θ(0)＝0，则时刻t时，扫描中心点的极坐标为：

考虑在轨时受平台抖动以及激光终端执行机构随机误差的影响，扫描过程中扫描中心的抖动会引起漏扫；对扫描步长进行设计，以随机抖动误差σ_r作为重叠区域；随机抖动误差包括：三轴测量精度误差σ₃、三轴姿态稳定度误差σ₄以及激光终端执行机构随机误差σ₅；

通过将扫描步长缩短，以增加光斑重叠区域，减小漏扫几率，扫描步长计算依据如下：

I_step＝θ_div-σ_r。

可选的，在所述的高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统中，所述双星捕获包括：

A星信标光覆盖B星时，B星接收到信标光，记录光斑中心位置与粗跟踪探测器中心偏移量Δθ_Bx，Δθ_Bz；

B星激光终端调整指向至A星，指向方位方向和俯仰方向的调整角度分别为θ’_Bx＝θ_Bx+Δθ_Bx，θ’_Bz＝θ_Bz+Δθ_Bz；

此时A星信标光光斑中心处于B星粗跟踪相机像平面中心，B星完成捕获；

同时，A星粗跟踪相机接收信标光，记录光斑中心位置与粗跟踪探测器中心偏移量Δθ_Ax，Δθ_Az，A星调整指向至B星，指向方位方向和俯仰方向的调整角度分别为θ’_Ax＝θ_Ax+Δθ_Ax，θ’_Az＝θ_Az+Δθ_Az；

此时B星信标光光斑中心处于A星粗跟踪相机像平面中心，粗跟踪机构依据上述条件维持双星光斑在粗跟踪相机中心；

此时A、B星光斑中心与光轴中心的方位偏差Δθ′_Ax、Δθ′_Az俯仰轴偏差Δθ′_Bx、Δθ′_Bz满足：Δθ′_Ax≤μ_c、Δθ′_Az≤μ_c、Δθ′_Bx≤μ_c、Δθ′_Bz≤μ_c，其中μ_c为粗跟踪精度，双星完成捕获。

可选的，在所述的高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统中，所述精跟踪包括：

完成双星捕获后，此时光斑出现在A、B星粗跟踪探测器中心，A星、B星跟踪相机设置为精跟踪模式，A星、B星分别记录精跟踪探测器的光斑中心位置与探测器中心位置的偏差；

A、B星调整指向，直至光斑中心出现在精跟踪探测器中心，判断条件为Δθ′_Ax≤μ_f、Δθ′_Az≤μ_f、Δθ′_Bx≤μ_f、Δθ′_Bz≤μ_f，其中μ_f为精跟踪精度；

闭环控制快反镜，维持光斑中心于精跟踪相机中心，A星、B星完成精跟踪。

本发明还提供一种高捕获率低轨星间激光通信链路建立方法，包括：

步骤一，初始化条件设定；

步骤二，双星预指向，A星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成A星激光终端预指向调整，B星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成B星激光终端预指向调整；

步骤三，A星、B星计算捕获不确定区域；

步骤四，A星进行高捕获率扫描，B星进行凝视；

步骤五，A星、B星进行双星捕获；

步骤六，A星、B星进行精跟踪；

步骤七，通信链路建立，完成精跟踪后，信号光进入通信视场，A星激光终端和B星激光终端打开通信光，建立激光通信链路。

本发明的发明人经研究发现，传统星间激光链路建立方法中，一方面，传统建链方法仅描述激光终端的扫描、捕获、跟踪过程，忽略了卫星平台轨道数据、指向误差对建链过程中的影响，未依据不确定区域计算、卫星与激光终端相对安装关系、姿态旋转顺序和卫星轨道数据等核心因素阐明星间激光通信链路建立的方法。另一方面，在传统扫描策略中为避免卫星指向随机抖动以及激光载荷执行机构随机抖动引起的漏扫，一般设定固定重叠因子，通过缩短扫描步长，保证扫描波束之间有一定的重叠。重叠因子与扫描步长、信标光发散角的关系为：I_step＝k·θ_div，其中，I_step为扫描步长，θ_div为信标光发散角，k为重叠因子。

传统星间激光链路建立方法一般以四个扫描光斑相交于一点作为重叠因子设定依据，重叠因子固定为但在实际扫描过程中，引起漏扫的原因为扫描过程中的随机抖动误差，具体包括：卫星姿态测量误差、卫星姿态稳定度和激光终端执行机构随机误差。将重叠因子固定为/>不适用于随机抖动误差过大的场景。

在本发明提供的高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统及方法中，通过初始化条件设定、双星预指向，A星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成A星激光终端预指向调整，B星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成B星激光终端预指向调整，计算捕获不确定区域，A星高捕获率扫描，B星凝视，双星捕获，精跟踪，最终完成通信链路建立，完成精跟踪后，信号光进入通信视场，A星激光终端和B星激光终端打开通信光，建立激光通信链路，实现了依据不确定区域计算、卫星与激光终端相对安装关系、姿态旋转顺序和卫星轨道数据等核心因素阐明星间激光通信链路建立，解决了利用传统星间激光链路建立方法不能量化激光终端初始指向、扫描范围、以及扫描、捕获过程中执行指向的问题。

本发明通过考虑在轨时受平台抖动以及激光终端执行机构随机误差的影响，扫描过程中扫描中心的抖动会引起漏扫，以及对扫描步长进行设计，以随机抖动误差σ_r作为重叠区域，随机抖动误差包括：三轴测量精度误差σ₃、三轴姿态稳定度误差σ₄以及激光终端执行机构随机误差σ₅，通过将扫描步长缩短，以增加光斑重叠区域，减小漏扫几率，通过扫描步长缩短依据，保证了对不确定区域覆盖概率优于99％，解决了传统建链方法中固定扫描重叠因子设计未考虑卫星姿态测量误差、卫星姿态稳定度和激光终端执行机构随机误差，导致捕获过程中漏扫的问题。

附图说明

图1是本发明一实施例中的星间激光通信链路建立方法流程示意图；

图2是本发明一实施例中的激光终端与卫星平台初始化相对安装关系、初始指向示意图(a)以及激光终端指向转动后俯仰角、方位角示意图(b)；

图3是本发明一实施例中的A星指向B星单位矢量示意图；

图4是本发明一实施例中的A星激光终端预指向方位角、俯仰角示意图；

图5是本发明一实施例中的等线速度阿基米德螺旋线扫描曲线示意图；

图6是本发明一实施例中的传统随机步长设计(a)及其在随机抖动误差σ_r＝0.546mrad时漏扫示意图(b)；

图7是本发明一实施例中的扫描步长缩短后扫描效果示意图；

图8是本发明一实施例中的粗跟踪相机像平面光斑中心偏移量示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于提供一种高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统及方法，一方面是为了解决利用传统星间激光链路建立方法不能量化激光终端初始指向、扫描范围、以及扫描、捕获过程中执行指向的问题。另一方面是为了解决传统建链方法中固定扫描重叠因子设计未考虑卫星姿态测量误差、卫星姿态稳定度和激光终端执行机构随机误差，导致捕获过程中漏扫的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统及方法，包括：步骤一，初始化条件设定；步骤二，双星预指向，A星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成A星激光终端预指向调整，B星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成B星激光终端预指向调整；步骤三，A星、B星计算捕获不确定区域；步骤四，A星进行高捕获率扫描，B星进行凝视；步骤五，A星、B星进行双星捕获；步骤六，A星、B星进行精跟踪；步骤七，通信链路建立，完成精跟踪后，信号光进入通信视场，A星激光终端和B星激光终端打开通信光，建立激光通信链路。

本发明的实施例提供了一种高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统，其用于实施一种高捕获率低轨星间激光通信链路建立方法，所述星间激光通信链路建立方法如图1所示，包括：步骤一，初始化条件设定如图2所示。设定卫星轨道数据坐标系为J-2000坐标系o-xyz；姿态数据按照偏航-滚动-俯仰(先绕z轴旋转，再绕x轴旋转，最后绕y轴旋转)的顺序进行坐标旋转；激光终端坐标系与卫星本体坐标系o′-x′y′z′一致，安装于卫星+y′面；激光终端跟踪相机初始像平面为o′-y′z′，相机像平面初始单位法向量与x′轴正方向的单位向量/>一致，同时/>也是激光终端光轴指向方向；激光终端具备二维转动能力，在o′-x′z′平面内绕y′轴旋转角度记为激光终端方位角θ_x，顺时针为正，初始指向为0rad。激光终端光轴指向方向与o′-x′z′平面形成的夹角记为俯仰角θ_z，+y′方向为正，-y′方向为负。

步骤二，双星预指向。A星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成A星激光终端预指向调整。A星激光终端读取A星滚动角俯仰角/>偏航角/>计算A星当前姿态下，激光终端坐标系初始x′轴单位矢量/>y′轴单位矢量/>z′轴单位矢量/>在轨道数据坐标系o-xyz下的单位矢量/>为：

其中，T_A为A星姿态转换矩阵。A星激光终端读取本星位置(A星位置)[x_A；y_A；z_A]，目标星位置(B星位置)[x_B；y_B；z_B]，计算两星距离L，以及轨道数据坐标系(J-2000坐标系)o-xyz下，A星位置指向B星位置的单位矢量为如图3所示，计算如下式：

在A星当前姿态下，A星激光终端初始光轴指向由变为/>通过调整激光终端方位角θ_Ax，俯仰角θ_Az，使A星激光终端指向B星，即调整方位角与俯仰角使激光终端光轴方向/>从/>方向转动至/>方向，完成A星激光终端预指向，如图4所示，调整依据如下式：

B星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成B星激光终端预指向调整。B星激光终端读取B星滚动角俯仰角/>偏航角/>同理计算出B星当前姿态下激光终端坐标系初始x′轴单位矢量/>y′轴单位矢量/>z′轴单位矢量在轨道数据坐标系(J-2000坐标系)o-xyz下的单位矢量/>为：

其中，T_B为B星姿态转换矩阵。B星激光终端读取本星位置(B星位置)[x_B；y_B；z_B]，目标星位置(A星位置)[x_A；y_A；z_A])，计算轨道数据坐标系o-xyz下，B星位置指向A星位置的单位矢量为如下式：

在B星姿态扰动下，B星激光终端初始指向由变为/>通过调整激光终端方位角θ_Bx，俯仰角θ_Bz，使B星激光终端指向A星，即调整方位角与俯仰角使激光终端光轴方向/>从方向转动至/>方向，完成B星激光终端预指向，计算如下式：

步骤三，A星、B星计算捕获不确定区域。不确定区域由以下误差构成：目标星相对位置误差σ₁、本星位置精度σ₂、卫星姿态三轴测量精度误差σ₃、卫星姿态三轴姿态稳定度误差σ₄、激光终端执行机构随机误差σ₅、激光终端光轴与机械轴误差σ₆、激光终端安装精度测量误差σ₇、星敏感器与激光终端相对热变形误差σ₈构成，以上误差均为3σ误差，σ为标准差。各部分误差计算依据为：

目标星相对位置误差L为两星距，E₁为目标星位置精度；本星位置精度/>E₂为本星位置精度；

卫星姿态三轴测量精度误差σ₃由姿态测量设备精度决定，直接读取测量精度作为σ₃；

卫星姿态三轴姿态稳定度误差s为姿态稳定度误差，f为卫星向激光载荷发送姿态数据频率；

激光终端执行机构随机误差σ₅由执行精度决定，直接读取执行精度作为σ₅；激光终端光轴与机械轴误差σ₆由激光终端装配决定，通过地面标定获取；安装精度测量误差σ₇由地面测量设备精度决定，直接读取地面测量设备精度作为σ₇；星敏感器与激光终端相对热变形误差σ₈由在轨热变形决定，以地面整星热平衡试验测得变形量作为σ₈。为保证不确定区域对目标星覆盖概率优于99％，不确定区域需以6σ误差计算，不确定区域σ_u计算如下：

本具体实施例采用某1000km轨道高度低轨卫星在星间通信距离900km场景下进行不确定区域计算，误差项及不确定区域如下表所示：

表1某低轨卫星误差项及不确定区域

步骤四，A星扫描、B星凝视。A星设置扫描步长，打开信标光，进行螺旋扫描，B星凝视不确定区域，打开信标光。A星按等线度速阿基米德螺线对不确定区域进行扫描，光斑中心曲线为下式。当扫描步长I_step等于信标光发散角θ_div时(I_step＝θ_div)，本实例中θ_div＝0.8mrad，扫描曲线如图5所示，按此曲线扫描每扫一圈，覆盖区域半径步进θ_div。

扫描起始角θ_start为θ_start＝0，扫描停止极角θ_stop为扫描角度与扫描弧长的关系为/>

记激光终端粗跟踪电机扫描线速度为V，则单位时间Δt扫描步进间距为V·Δt，结合弧长公式，则有：

L(t+Δt)-L(t)＝V·Δt

结合θ(0)＝0，则时刻t时，扫描中心点的极坐标为：

考虑在轨时受平台抖动以及激光终端执行机构随机误差的影响，扫描过程中扫描中心的抖动会引起漏扫，随机抖动误差σ_r包括：三轴测量精度误差σ₃、三轴姿态稳定度误差σ₄以及激光终端执行机构随机误差σ₅。传统星间激光链路建立方法一般以四个扫描光斑相交于一点作为重叠因子设定依据，重叠因子固定为如图6的左侧所示。若以传统的固定重叠因子/>将扫描步长设定为/>在本实施例中I_step＝0.565mrad。然而，本实施例中/>σ_r＝0.546mrad，扫描结果如图6的右侧所示，光斑覆盖区域会因随机抖动误差过大引起扫描区域漏扫。因此，扫描步长的设计需考虑随机抖动误差的影响，本发明对扫描步长进行设计，以随机抖动误差σ_r作为重叠区域，扫描步长计算如下式所示，本实施例中I_step＝0.454mrad。通过将扫描步长缩短，以增加光斑重叠区域，减小漏扫几率，扫描效果如图7所示，不确定区域覆捕获率优于99％。

I_step＝θ_div-σ_r

步骤五，双星捕获。A星信标光覆盖B星时，B星接收到信标光，记录光斑中心位置与粗跟踪探测器中心偏移量Δθ_Bx，Δθ_Bz，如图8所示，B星激光终端调整指向至A星，指向方位方向和俯仰方向的调整角度分别为θ’_Bx＝θ_Bx+Δθ_Bx，θ’_Bz＝θ_Bz+Δθ_Bz，此时A星信标光光斑中心处于B星粗跟踪相机像平面中心，B星完成捕获。同时，A星粗跟踪相机接收信标光，记录光斑中心位置与粗跟踪探测器中心偏移量Δθ_Ax，Δθ_Az，A星调整指向至B星，指向方位方向和俯仰方向的调整角度分别为θ’_Ax＝θ_Ax+Δθ_Ax，θ’_Az＝θ_Az+Δθ_Az，此时B星信标光光斑中心处于A星粗跟踪相机像平面中心，粗跟踪机构依据上述条件维持双星光斑在粗跟踪相机中心，此时A、B星光斑中心与光轴中心(相机像平面中心)的方位偏差Δθ′_Ax、Δθ′_Az俯仰轴偏差Δθ′_Bx、Δθ′_Bz满足：Δθ′_Ax≤μ_c、Δθ′_Az≤μ_c、Δθ′_Bx≤μ_c、Δθ′_Bz≤μ_c，其中μ_c为粗跟踪精度，双星完成捕获。

步骤六，精跟踪。完成捕获步骤五完成后，此时光斑出现在A、B星粗跟踪探测器中心，A星、B星跟踪相机设置为精跟踪模式，A星、B星分别记录精跟踪探测器的光斑中心位置与探测器中心位置的偏差。A、B星调整指向，直至光斑中心出现在精跟踪探测器中心，判断条件为Δθ′_Ax≤μ_f、Δθ′_Az≤μ_f、Δθ′_Bx≤μ_f、Δθ′_Bz≤μ_f，其中μ_f为精跟踪精度。并闭环控制快反镜，维持光斑中心于精跟踪相机中心，A、B星完成精跟踪。

步骤七，通信链路建立。完成精跟踪后，信号光进入通信视场，A、B星激光终端打开通信光，建立激光通信链路。

需说明的是，具体实施例中设定的激光终端安装位置、激光终端坐标系、激光终端初始指向、激光终端方位角定义、激光终端俯仰角定义等初始条件设定仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

综上，上述实施例对高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统及方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统，其特征在于，包括：

初始化条件设定模块，被配置为进行初始化条件设定；

双星预指向模块，被配置为执行以下动作：

使得A星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成A星激光终端预指向调整，以及使得B星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成B星激光终端预指向调整；

捕获模块，被配置为使得A星、B星计算捕获不确定区域；

激光通信链路建立模块，被配置为执行以下动作：

使得A星进行高捕获率扫描、B星进行凝视，包括：

A星设置扫描步长，打开信标光，进行螺旋扫描，B星凝视不确定区域，打开信标光；

A星按等线度速阿基米德螺线对不确定区域进行扫描，光斑中心曲线为下式，按此曲线扫描每扫一圈，覆盖区域半径步进I_step；

扫描起始角θ_start为θ_start＝0，扫描停止极角θ_stop为

扫描角度与扫描弧长的关系为

记激光终端粗跟踪电机扫描线速度为V，则单位时间Δt扫描步进间距为V·Δt，结合弧长公式，则有：

L(t+Δt)-L(t)＝V·Δt

结合θ(0)＝0，则时刻t时，扫描中心点的极坐标为：

考虑在轨时受平台抖动以及激光终端执行机构随机误差的影响，扫描过程中扫描中心的抖动会引起漏扫；对扫描步长进行设计，以随机抖动误差σ_r作为重叠区域；随机抖动误差包括：三轴测量精度误差σ₃、三轴姿态稳定度误差σ₄以及激光终端执行机构随机误差σ₅；

通过将扫描步长缩短，以增加光斑重叠区域，减小漏扫几率，扫描步长计算依据如下：

I_step＝θ_div-σ_r

其中θ_div为信标光发散角；

使得A星、B星进行双星捕获、精跟踪；以及

完成精跟踪后，信号光进入通信视场，A星激光终端、B星激光终端打开通信光，建立激光通信链路。

2.如权利要求1所述的高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统，其特征在于，所述初始化条件设定模块，被配置为执行以下动作：

设定卫星轨道数据坐标系o-xyz，及姿态数据旋转顺序；

设定激光终端坐标系与卫星本体坐标系相对关系，通过坐标旋转将激光终端坐标系旋转至卫星本体坐标系o′-x′y′z′；

设定激光终端相机像平面及光轴初始指向在卫星本体坐标系下的表达式；以及

设定激光终端二维转动方向在卫星本体坐标系下的表达式。

3.如权利要求1所述的高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统，其特征在于，所述A星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成A星激光终端预指向调整包括：

A星激光终端读取A星滚动角俯仰角/>偏航角/>计算A星当前姿态下激光终端坐标系初始x′轴单位矢量/>y′轴单位矢量/>z′轴单位矢量/>在轨道数据坐标系o-xyz下的单位矢量/> 为：

其中，T_A为A星姿态转换矩阵；A星激光终端读取A星位置[x_A；y_A；z_A]，目标星B星位置[x_B；y_B；z_B]，计算两星距离L，以及轨道数据坐标系o-xyz下，A星位置指向B星位置的单位矢量为

在A星当前姿态下，A星激光终端初始光轴指向由变为/>通过调整激光终端方位角θ_x，俯仰角θ_z，使A星激光终端指向B星，即调整方位角与俯仰角使激光终端光轴方向/>从/>方向转动至/>方向，完成A星激光终端预指向。

4.如权利要求1所述的高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统，其特征在于，所述B星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成B星激光终端预指向调整包括：

B星激光终端读取B星滚动角俯仰角/>偏航角/>同理计算出B星当前姿态下激光终端坐标系初始x′轴单位矢量/>y′轴单位矢量/>z′轴单位矢量/>在轨道数据坐标系o-xyz下的单位矢量/>为：

其中，T_B为B星姿态转换矩阵；B星激光终端读取B星位置[x_B；y_B；z_B]，目标星A星位置[x_A；y_A；z_A]，计算轨道数据坐标系o-xyz下，B星位置指向A星位置的单位矢量为

在B星姿态扰动下，B星激光终端初始指向由变为/>通过调整激光终端方位角θ_x，俯仰角θ_z，使B星激光终端指向A星，即调整方位角与俯仰角使激光终端光轴方向/>从方向转动至/>方向，完成B星激光终端预指向。

5.如权利要求1所述的高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统，其特征在于，所述不确定区域包括以下误差：目标星相对位置误差σ₁、本星位置精度σ₂、卫星姿态三轴测量精度误差σ₃、卫星姿态三轴姿态稳定度误差σ₄、激光终端执行机构随机误差σ₅、激光终端光轴与机械轴误差σ₆、激光终端安装精度测量误差σ₇、星敏感器与激光终端相对热变形误差σ₈；

以上误差均为3σ误差，σ为标准差；

为保证不确定区域对目标星覆盖概率优于99％，不确定区域需以6σ误差计算，不确定区域σ_u计算如下：

6.如权利要求5所述的高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统，其特征在于，各个误差计算依据为：目标星相对位置误差L为两星距，E₁为目标星位置精度；

本星位置精度E₂为本星位置精度；

卫星姿态三轴测量精度误差σ₃由姿态测量设备精度决定，直接读取测量精度作为σ₃；

卫星姿态三轴姿态稳定度误差s为姿态稳定度误差，f为卫星向激光载荷发送姿态数据频率；

激光终端执行机构随机误差σ₅由执行精度决定，直接读取执行精度作为σ₅；

激光终端光轴与机械轴误差σ₆由激光终端装配决定，通过地面标定获取；

安装精度测量误差σ₇由地面测量设备精度决定，直接读取地面测量设备精度作为σ₇；

星敏感器与激光终端相对热变形误差σ₈由在轨热变形决定，以地面整星热平衡试验测得变形量作为σ₈。

7.如权利要求1所述的高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统，其特征在于，所述双星捕获包括：

A星信标光覆盖B星时，B星接收到信标光，记录光斑中心位置与粗跟踪探测器中心偏移量Δθ_Bx，Δθ_Bz；

B星激光终端调整指向至A星，指向方位方向和俯仰方向的调整角度分别为θ’_Bx＝θ_Bx+Δθ_Bx，θ’_Bz＝θ_Bz+Δθ_Bz；

此时A星信标光光斑中心处于B星粗跟踪相机像平面中心，B星完成捕获；

同时，A星粗跟踪相机接收信标光，记录光斑中心位置与粗跟踪探测器中心偏移量Δθ_Ax，Δθ_Az，A星调整指向至B星，指向方位方向和俯仰方向的调整角度分别为θ’_Ax＝θ_Ax+Δθ_Ax，θ’_Az＝θ_Az+Δθ_Az；

此时B星信标光光斑中心处于A星粗跟踪相机像平面中心，粗跟踪机构依据上述条件维持双星光斑在粗跟踪相机中心；

此时A、B星光斑中心与光轴中心的方位偏差Δθ′_Ax、Δθ′_Az俯仰轴偏差Δθ′_Bx、Δθ′_Bz满足：Δθ′_Ax≤μ_c、Δθ′_Az≤μ_c、Δθ′_Bx≤μ_c、Δθ′_Bz≤μ_c，其中μ_c为粗跟踪精度，双星完成捕获。

8.如权利要求1所述的高捕获率低轨星间激光通信链路建立系统，其特征在于，所述精跟踪包括：

完成双星捕获后，此时光斑出现在A、B星粗跟踪探测器中心，A星、B星跟踪相机设置为精跟踪模式，A星、B星分别记录精跟踪探测器的光斑中心位置与探测器中心位置的偏差；

A、B星调整指向，直至光斑中心出现在精跟踪探测器中心，判断条件为Δθ′_Ax≤μ_f、Δθ′_Az≤μ_f、Δθ′_Bx≤μ_f、Δθ′_Bz≤μ_f，其中μ_f为精跟踪精度；

闭环控制快反镜，维持光斑中心于精跟踪相机中心，A星、B星完成精跟踪。

9.一种高捕获率低轨星间激光通信链路建立方法，其特征在于，包括：

步骤一，初始化条件设定；

步骤二，双星预指向，A星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成A星激光终端预指向调整，B星根据本星位置、本星姿态和目标星位置，完成B星激光终端预指向调整；

步骤三，A星、B星计算捕获不确定区域；

步骤四，A星进行高捕获率扫描，B星进行凝视，包括：

A星设置扫描步长，打开信标光，进行螺旋扫描，B星凝视不确定区域，打开信标光；

A星按等线度速阿基米德螺线对不确定区域进行扫描，光斑中心曲线为下式，按此曲线扫描每扫一圈，覆盖区域半径步进I_step；

扫描起始角θ_start为θ_start＝0，扫描停止极角θ_stop为

扫描角度与扫描弧长的关系为

记激光终端粗跟踪电机扫描线速度为V，则单位时间Δt扫描步进间距为V·Δt，结合弧长公式，则有：

L(t+Δt)-L(t)＝V·Δt

结合θ(0)＝0，则时刻t时，扫描中心点的极坐标为：

考虑在轨时受平台抖动以及激光终端执行机构随机误差的影响，扫描过程中扫描中心的抖动会引起漏扫；对扫描步长进行设计，以随机抖动误差σ_r作为重叠区域；随机抖动误差包括：三轴测量精度误差σ₃、三轴姿态稳定度误差σ₄以及激光终端执行机构随机误差σ₅；

通过将扫描步长缩短，以增加光斑重叠区域，减小漏扫几率，扫描步长计算依据如下：

I_step＝θ_div-σ_r

其中θ_div为信标光发散角；

步骤五，A星、B星进行双星捕获；

步骤六，A星、B星进行精跟踪；

步骤七，通信链路建立，完成精跟踪后，信号光进入通信视场，A星激光终端和B星激光终端打开通信光，建立激光通信链路。