CN113364545B - 卫星激光通信终端跟踪精度的地面测试装置及测试方法 - Google Patents

卫星激光通信终端跟踪精度的地面测试装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种卫星激光通信终端跟踪精度的地面测试装置及测试方法。本发明的测试装置包括一个平行光管，在平行光管的一侧设置一个激光器，在平行光管的另一侧设置待测试卫星激光通信终端，待测试卫星激光通信终端固定在一个六自由度平台上，待测卫星激光通信终端内设置有信标接收光路，所述信标接收光路包括光收发天线，光收发天线将接收到的信标光束压缩，经过二维偏转反射镜和整形透镜组后成像于cmos图像传感器，所述二维偏转反射镜、六自由度平台、cmos图像传感器均与主控计算机连接。本发明适用于所有包含信标接收光路以及具有跟踪功能的激光通信终端，可准确测试出激光通信终端的跟踪精度。

Description

卫星激光通信终端跟踪精度的地面测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及一种卫星激光通信终端跟踪精度的地面测试装置及测试方法，属于终端跟踪精度测试技术领域。
背景技术
随着卫星技术的日益发展，星间、星地之间对通信的要求也不断提高，相比普通卫星通信(微波通信)，激光通信具有通信数据率高、保密性好、抗干扰能力强、体积小、功耗低等优点，已逐步成为未来激光通信的主要研究方向。
卫星间激光通信链路是指卫星激光通信终端之间通过空间激光作为载体进行通信，激光通信终端之间建立通信链路过程中包括瞄准、捕获、跟踪技术，在多数激光通信终端中，包含两路不同波段发射激光，其中一路用于进行瞄准、捕获、跟踪；另一路用于通信。而在激光通信终端成功进入跟踪后，跟踪精度直接关系着激光通信终端通信的稳定性。由于星间两颗卫星之间距离远，相对运动速率高，在地面直接模拟卫星环境下激光通信终端链路跟踪精度测试较困难，因此在地面测试时模拟卫星激光通信终端跟踪精度方法非常关键。现有测试方法中对于跟踪精度只测试输入跟踪光斑位置与实际跟踪的光斑位置的偏差，测量误差大。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种卫星激光通信终端跟踪精度的地面测试装置及测试方法，通过六自由度平台模拟链路卫星的轨道和姿态变化，利用平行光管模拟光束远场，通过CMOS采集跟踪光斑信息进行激光通信终端跟踪精度的测试，通过连续扰动与连续采集光斑并对光斑进行处理得到跟踪精度，提高跟踪精度测试的精度。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种卫星激光通信终端跟踪精度的地面测试装置，包括一个平行光管，在所述平行光管的一侧设置一个发射波长与待测试卫星激光通信终端的信标接收光波长对应的激光器，在所述平行光管的另一侧设置所述待测试卫星激光通信终端，所述待测试卫星激光通信终端固定在一个六自由度平台上，所述待测卫星激光通信终端内设置有信标接收光路，所述信标接收光路包括用于接收所述激光器经由平行光管发射来的信标光的光收发天线，所述光收发天线将接收到的信标光束压缩，经过二维偏转反射镜和整形透镜组后成像于cmos图像传感器，所述整形透镜组用于将平行光汇聚在其焦面处，所述cmos图像传感器位于所述整形透镜组的焦面处，所述二维偏转反射镜、六自由度平台、cmos图像传感器均与主控计算机连接。
用上述的卫星激光通信终端跟踪精度的地面测试装置进行卫星激光通信终端跟踪精度地面测试的方法，该方法为：
在所述平行光管的一侧设置一个发射波长与待测试卫星激光通信终端的信标接收光波长对应的激光器，用于模拟另一端激光通信终端信标发射远场传输光束，即激光通信终端的信标接收光束，经光收发天线、整形透镜组后成像于cmos图像传感器上，主控计算机控制待测试卫星激光通信终端进入跟踪状态，记录cmos图像传感器上光斑的位置信息记为(X0，Y0)；主控计算机控制六自由度平台进行随机或正弦扰动，并对采集到的光斑位置信息进行记录，计第i次采集的光斑位置为(Xi，Yi)，则第i次跟踪光斑位置偏差θi为：
Figure GDA0003266017690000021
其中，a为cmos图像传感器单个像元尺寸，f为整形透镜组焦距；
则跟踪精度σ为：
Figure GDA0003266017690000022
其中，N为总共测量次数。
有益效果：
本发明提出了一种可实现卫星激光通信终端跟踪精度地面测试的测试装置及测试方法，该方法可精确测试在轨卫星激光通信终端跟踪阶段跟踪精度，测试误差可控制在5μrad以内，为在轨卫星激光通信终端跟踪性能与通信性能提供数据支撑与保障。
附图说明：
图1是本发明的卫星激光通信终端跟踪精度的地面测试装置示意图。
图2是本发明的待测卫星激光通信终端内的信标接收光路示意图。
图3是本发明的测试方法流程图。
图4是试验案例中的跟踪精度图谱。
图中：1、主控计算机；2、六自由度平台；3、平行光管；4、电源；5、激光器；6、待测试卫星激光通信终端；7、光收发天线；8、二维偏转反射镜；9、整形透镜组；10、cmos图像传感器。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的卫星激光通信终端跟踪精度的地面测试装置，包括一个平行光管，本实施例中利用平行光管模拟光束远场，在所述平行光管的一侧设置一个发射波长与待测试卫星激光通信终端的信标接收光波长对应的激光器，激光器发射卫星激光通信终端对应信标接收光束，用于模拟另一端激光通信终端信标发射远场传输光束，即激光通信终端的信标接收光束，在所述平行光管的另一侧设置所述待测试卫星激光通信终端，所述待测试卫星激光通信终端固定在一个六自由度平台上，六自由度平台模拟卫星的轨道和姿态变化，对光斑跟踪精度进行测试，有利于在地面测试阶段对跟踪性能进行检测，为激光通信终端发射入轨试验阶段提供依据。电源用于给所有用电部件供电。
卫星间激光通信链路是指卫星激光通信终端之间通过空间激光作为载体进行通信，激光通信终端之间建立通信链路过程中包括瞄准、捕获、跟踪技术，在多数激光通信终端中，分别包含两路发射光路与两路接收光路，分别为信号发射光路、信标发射光路、信号接收光路、信标接收光路，其中信标发射与接收光路用于进行瞄准、捕获、跟踪；信号发射与接收用于进行两终端之间双向通信。
如图2所示，所述待测卫星激光通信终端内设置有信标接收光路，所述信标接收光路包括用于接收所述激光器经由平行光管发射来的信标光的光收发天线，所述光收发天线将接收到的信标光束压缩，经过二维偏转反射镜和整形透镜组后成像于cmos图像传感器，所述整形透镜组用于将平行光汇聚在其焦面处，所述cmos图像传感器位于所述整形透镜组的焦面处，所述二维偏转反射镜、六自由度平台、cmos图像传感器均与主控计算机连接。
用上述的卫星激光通信终端跟踪精度的地面测试装置进行卫星激光通信终端跟踪精度地面测试的方法，该方法为：
在所述平行光管的一侧设置一个发射波长与待测试卫星激光通信终端的信标接收光波长对应的激光器，用于模拟另一端激光通信终端信标发射远场传输光束，即激光通信终端的信标接收光束，经光收发天线、整形透镜组后成像于cmos图像传感器上，cmos图像传感器上可采集接收到的光斑在cmos图像传感器上的位置信息。在两激光通信终端双向跟踪阶段，存在卫星轨道和姿态的变化，直接影响到激光通信终端信标光接收的入瞳方向，即cmos图像传感器上采集的光斑位置信息，在激光通信终端进行通信时，需要将cmos图像传感器上接收的信标光稳定在一个固定位置，如图2所示，cmos图像传感器将接收到的位置信息传输至主控计算器，主控计算器解算位置信息后转换为控制量发送至二维微动单元用以调整信标接收光方向，使cmos图像传感器接收的光斑稳定在固定位置，此过程即为跟踪过程。主控计算机控制待测试卫星激光通信终端进入跟踪状态，记录cmos图像传感器上光斑的位置信息记为(X0，Y0)；主控计算机控制六自由度平台进行随机或正弦扰动，并对采集到的光斑位置信息进行记录，计第i次采集的光斑位置为(Xi，Yi)，则第i次跟踪光斑位置偏差θi为：
Figure GDA0003266017690000031
其中，a为cmos图像传感器单个像元尺寸，f为整形透镜组焦距；
则跟踪精度σ为：
Figure GDA0003266017690000041
其中，N为总共测量次数。
试验案例：
对某激光通信终端根据此方法测试出跟踪精度响应图谱如图4所示，该激光通信终端内部CMOS传感器像元尺寸为5μm，整形透镜组焦距为500mm，单次数测量取500个数值。
图4中，纵轴为测试出跟踪光斑位置偏差，根据公式(2)计算出该激光通信终端跟踪精度为2.56μrad。
再采用该方法在同一环境条件和输入条件下对跟踪精度测量，测试出跟踪精度分别为3.1μrad、3.45μrad、2.9μrad。
跟踪精度误差最大为0.89μrad。
以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有的技术加以实现。

Claims (1)

1.一种用卫星激光通信终端跟踪精度的地面测试装置进行卫星激光通信终端跟踪精度地面测试的方法，所述卫星激光通信终端跟踪精度的地面测试装置，包括一个平行光管，在所述平行光管的一侧设置一个发射波长与待测试卫星激光通信终端的信标接收光波长对应的激光器，在所述平行光管的另一侧设置所述待测试卫星激光通信终端，所述待测试卫星激光通信终端固定在一个六自由度平台上，所述待测卫星激光通信终端内设置有信标接收光路，所述信标接收光路包括用于接收所述激光器经由平行光管发射来的信标光的光收发天线，所述光收发天线将接收到的信标光束压缩，经过二维偏转反射镜和整形透镜组后成像于cmos图像传感器，所述整形透镜组用于将平行光汇聚在其焦面处，所述cmos图像传感器位于所述整形透镜组的焦面处，所述二维偏转反射镜、六自由度平台、cmos图像传感器均与主控计算机连接；
其特征是：该方法为：
在所述平行光管的一侧设置一个发射波长与待测试卫星激光通信终端的信标接收光波长对应的激光器，用于模拟另一端激光通信终端信标发射远场传输光束，即激光通信终端的信标接收光束，经光收发天线、整形透镜组后成像于cmos图像传感器上，主控计算机控制待测试卫星激光通信终端进入跟踪状态，记录cmos图像传感器上光斑的位置信息记为(X0，Y0)；主控计算机控制六自由度平台进行随机或正弦扰动，并对采集到的光斑位置信息进行记录，计第i次采集的光斑位置为(Xi，Yi)，则第i次跟踪光斑位置偏差θi为：
Figure FDA0003266017680000011
其中，a为cmos图像传感器单个像元尺寸，f为整形透镜组焦距；
则跟踪精度σ为：
Figure FDA0003266017680000012
其中，N为总共测量次数。
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