CN113572530B - 星载激光通信终端的光斑快速捕获方法及系统 - Google Patents

星载激光通信终端的光斑快速捕获方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种星载激光通信终端的光斑快速捕获方法及系统。该方法为确定扫描不确定区域，将其划分为多个等步长的螺旋扫描子区域，每个扫描子区域的中心点为一个螺旋点；规划压电陶瓷偏摆镜(PZT)在扫描子区域内的扫描路径，控制PZT对该扫描子区域进行精扫描，如捕捉到光斑，则扫描结束；如该扫描子区域已扫描完毕，仍未捕捉到光斑，则控制电机按等步长螺旋扫描线走点至下一个扫描子区域的中心点，进行粗扫描，如电机走点后捕获到光斑，则扫描结束；如未捕捉到光斑，则规划PZT在当前扫描子区域内的扫描路径，控制PZT对该扫描子区域进行精扫描，如此反复，直至捕捉到光斑或电机完成全部螺旋走点。该方法具有扫描捕获快时间短，扫描捕获概率大的特点。

Description

星载激光通信终端的光斑快速捕获方法及系统
技术领域
本发明涉及星间激光通信领域，具体涉及一种星载激光通信终端的光斑快速捕获方法及系统。
背景技术
星间激光通信系统具有通信速率高、通信容量大、抗干扰能力强、保密性好和终端小型化等优点，是未来空间网络的重要发展趋势之一。目前，中国、美国、欧洲都相继开展了星间激光通信试验。其中，2020年8月美国Starlink完成了首次星间激光通信在轨试验，同月，我国航天科工集团行云工程也成功开展了低轨卫星激光通信试验。由于星间激光通信具有通信距离远，信号光束散角小等特征，这对星间激光通信系统扫描捕获技术提出了很高的要求。
传统扫描技术是采用大束散角信标光进行扫描，可快速覆盖不确定区域，终端在短时间内可快速捕获到信标光，待捕获完成后切换小束散角信号光进行稳态跟踪建链，最终实现星间激光通信。然而，信标光束散角通常比信号光束散角大十几倍，造成信标光所需功率大，这对系统功耗指标提出了更严苛的要求。此外，信标光与信号光波长不同，需要在终端额外设置光学组件，这样又近一步增加了系统的重量体积和复杂程度，对终端轻量化、小型化设计提出了挑战。
无信标扫描技术无需额外设置信标光组件，直接采用小束散角信号光进行扫描捕获，有利于降低星载激光终端的重量、体积、功耗和制造成本等重要指标，满足商业航天的发展要求。然而，现阶段无信标技术受信号光束散角小、卫星间的相对运动、卫星平台抖动等因素的制约，造成了无信标扫描时间长、扫描捕获难度大等问题，进一步制约了无信标技术的发展。为了适应当今卫星激光通信终端低功耗、轻小型的发展趋势，更好地满足未来我国对低轨星座的大规模建设和组网需求，开展星间激光通信系统无信标快速扫描技术的研究越来越迫切。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种星载激光通信终端的光斑快速捕获方法及系统。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种星载激光通信终端的光斑快速捕获方法，包括以下步骤：
确定扫描不确定区域，将扫描不确定区域划分为多个等步长的螺旋扫描子区域，所有扫描子区域的中心点形成等步长螺旋扫描线，每个扫描子区域的中心点为一个螺旋点；
规划PZT在一个扫描子区域内的扫描路径，控制PZT对该扫描子区域进行精扫描，如捕捉到光斑，则扫描结束；如该扫描子区域已扫描完毕，仍未捕捉到光斑，则控制电机按等步长螺旋扫描线走点至下一个扫描子区域的中心点，进行粗扫描，如电机走点后捕获到光斑，则扫描结束；如未捕捉到光斑，则规划PZT在当前扫描子区域内的扫描路径，控制PZT对该扫描子区域进行精扫描，如此反复，直至捕捉到光斑或电机完成全部螺旋走点。
当电机完成全部的螺旋走点，仍未捕获到光斑，则重新将扫描不确定区域划分为多个等步长的螺旋扫描子区域，按上述方法重新捕捉光斑。
该方法应用于星间和星地激光通信链路，其将电机作为粗扫描机构，具有扫描范围大的特点，将PZT作为精扫描机构，具有控制频率高的特点，通过粗精机构复合螺旋扫描的方法，可实现几十微弧度(mrad)束散角的信号光在数毫弧度(μrad)不确定域内快速全覆盖扫描，具有扫描捕获快时间短，扫描捕获概率大的特点。
在划分扫描子区域时，以卫星初始瞄准角度为扫描原点，终端方位角度和俯仰角度建立二维坐标系，在二维坐标系内设置等步长螺旋扫描线，各螺旋点为电机目标走点，以各螺旋点为中心将扫描不确定区域划分为多个螺旋扫描子区域。
在控制PZT对扫描子区域进行扫描之前，在扫描子区域内以各螺旋点为原点建立极坐标系，规划PZT在子区域内的扫描路径，将PZT扫描路径坐标点参数从极坐标系转换到终端二维坐标系，得到PZT扫描时的俯仰/方位角度控制量。
本发明还提出了一种光斑快速捕获系统，包括控制终端、电机和PZT，所述控制终端与所述电机、PZT控制连接，控制所述电机和PZT按上述的星载激光通信终端的光斑快速捕获方法对星间和/或星地激光通信链路中的光斑进行捕获。
本发明的有益效果是：本发明与有信标扫描方法相比减少了终端的重量与功耗，降低了终端光学系统复杂程度，并且有效降低了无信标扫描捕获难度，减少了无信标扫描捕获时间，提升了星间激光通信系统在轨建链效率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是为本发明方法流程示意图；
图2为不确定区域内等步长螺旋线示意图；
图3为扫描子区域内PZT扫描路径示意图；
图4为PZT扫描路径坐标点参数坐标转换示意图；
图5为本发明方法在不确定区域内扫描全覆盖示意图；
图6至图11为本发明方法捕获光斑仿真图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1和图5所示，基于无信标技术，本发明提供了一种星载激光通信终端的光斑快速捕获方法，该方法是一种结合粗精扫描机构的复合扫描方法，其以电机作为粗扫描执行机构，以PZT(压电陶瓷偏摆镜)作为精扫描执行机构，应用于星间和星地激光通信链路，具体包括以下步骤：
确定扫描不确定区域，将扫描不确定区域划分为多个等步长的螺旋扫描子区域，所有扫描子区域的中心点形成等步长螺旋扫描线，每个扫描子区域的中心点为一个螺旋点。
具体地，在划分扫描子区域时，以卫星初始瞄准角度为扫描原点，终端方位角度和俯仰角度建立二维坐标系，在二维坐标系内设置等步长螺旋扫描线，各螺旋点为电机目标走点，如图2所示，以各螺旋点为中心将扫描不确定区域划分为多个螺旋扫描子区域。
如图3所示，在扫描子区域内以各螺旋点为原点建立极坐标系，规划PZT在扫描子区域内的扫描路径，将PZT扫描路径坐标点参数从极坐标系转换到终端二维坐标系，如图4所示，得到PZT扫描时的俯仰/方位角度控制量。控制PZT按照规划的扫描路径对该扫描子区域进行精扫描，如捕捉到光斑，则扫描结束；如该扫描子区域已扫描完毕，仍未捕捉到光斑，则控制电机按等步长螺旋扫描线走点至下一个扫描子区域的中心点，进行粗扫描，如电机走点后捕获到光斑，则扫描结束；如未捕捉到光斑，则规划PZT在当前扫描子区域内的扫描路径，控制PZT对该扫描子区域进行精扫描，如此反复，直至捕捉到光斑或电机完成全部螺旋走点。
当电机完成全部的螺旋走点，仍未捕获到光斑，则重新将扫描不确定区域划分为多个等步长的螺旋扫描子区域，按上述方法重新捕捉光斑。
本实施例中，电机优选但不限于为宇航级高精度永磁同步电机，在电机粗扫描时，其单步走点时长与电机控制带宽有关，单步走点时长＝1/电机控制带宽。通常电机控制带宽在6-10Hz，控制精度≤50μrad，最大旋转速度≥5°/s。
PZT在扫描子区域内扫描时，其单步扫描时间与PZT控制带宽有关，单步扫描时间＝1/PZT控制带宽，通常PZT控制带宽≥500Hz。
本实施例的优选方案，在确定等步长螺旋扫描线时，不确定区域内的等步长螺旋扫描线长度
Figure BDA0003182772580000061
其中L为螺旋点步长，θ为螺旋角度范围；当θ大于π时，
Figure BDA0003182772580000062
其中，r为不确定区域半角，n为螺旋点总数量。
以各螺旋点为原点建立极坐标系后，每个螺旋点在不确定区域的极坐标系下的表达式为
Figure BDA0003182772580000063
其中，ρi为螺旋点极径，θi为螺旋点极角；i指第i个螺旋点；转换到终端方位/俯仰轴二维坐标系下的表达式为
Figure BDA0003182772580000064
其中，xi为螺旋点方位轴角度；yi为螺旋点俯仰轴角度，即得到了PZT俯仰/方位角度控制量。
PZT在扫描子区域的扫描方式优选但不限于为光栅-螺旋扫描方式，本实施例中，采用光栅-螺旋扫描时，PZT单步移动距离
Figure BDA0003182772580000065
α为信号光束散角。
PZT扫描路径坐标点参数矩阵从扫描子区域极坐标系转换到终端二维坐标系，转换关系式如下：
Figure BDA0003182772580000066
Figure BDA0003182772580000067
其中，ρNmatirx为在不确定域极坐标系下的PZT扫描子区域所有扫描点极径；θNmatirx为在不确定域极坐标系下的PZT扫描子区域所有扫描点极角；xNmatirx为在终端二维坐标系下的PZT扫描子区域所有扫描点方位轴控制量；yNmatirx为在终端二维坐标系下的PZT扫描子区域所有扫描点俯仰轴控制量；ρ’Nmatirx为子区域极坐标系下PZT所有扫描点的极径；θ’Nmatirx为子区域极坐标系下PZT所有扫描点的极角，如图3所示。
图6-图11为采用该方法来捕获光斑的仿真图，采用该方法后扫描捕获平均时长小于30s，扫描捕获概率大于95％。
本申请还提出了一种光斑快速捕获系统，包括控制终端、电机和PZT，所述控制终端与所述电机、PZT控制连接，控制所述电机和PZT按上述的星载激光通信终端的光斑快速捕获方法对星间和/或星地激光通信链路中的光斑进行捕获。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种星载激光通信终端的光斑快速捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定扫描不确定区域，将扫描不确定区域划分为多个等步长的螺旋扫描子区域，所有扫描子区域的中心点形成等步长螺旋扫描线，每个扫描子区域的中心点为一个螺旋点；
不确定区域内的等步长螺旋线长度
Figure FDA0003712068410000011
其中L为螺旋点步长，θ为螺旋角度范围；
当θ大于π时，
Figure FDA0003712068410000012
其中，r为不确定区域半角，n为螺旋点总数量；
规划PZT在一个扫描子区域内的扫描路径，控制PZT对该扫描子区域进行精扫描，如捕捉到光斑，则扫描结束；如该扫描子区域已扫描完毕，仍未捕捉到光斑，则控制电机按等步长螺旋扫描线走点至下一个扫描子区域的中心点，进行粗扫描，如电机走点后捕获到光斑，则扫描结束；如未捕捉到光斑，则规划PZT在当前扫描子区域内的扫描路径，控制PZT对该扫描子区域进行精扫描，如此反复，直至捕捉到光斑或电机完成全部螺旋走点。
2.根据权利要求1所述的星载激光通信终端的光斑快速捕获方法，其特征在于，当电机完成全部的螺旋走点，仍未捕获到光斑，则重新将扫描不确定区域划分为多个等步长的螺旋扫描子区域，按权利要求1所述方法重新捕捉光斑。
3.根据权利要求1所述的星载激光通信终端的光斑快速捕获方法，其特征在于，在划分扫描子区域时，以卫星初始瞄准角度为扫描原点，终端方位角度和俯仰角度建立二维坐标系，在二维坐标系内设置等步长螺旋扫描线，各螺旋点为电机目标走点，以各螺旋点为中心将扫描不确定区域划分为多个螺旋扫描子区域。
4.根据权利要求1所述的星载激光通信终端的光斑快速捕获方法，其特征在于，在控制PZT对扫描子区域进行扫描之前，在扫描子区域内以各螺旋点为原点建立极坐标系，规划PZT在子区域内的扫描路径，将PZT扫描路径坐标点参数从极坐标系转换到终端二维坐标系，得到PZT扫描时的俯仰/方位角度控制量。
5.根据权利要求4所述的星载激光通信终端的光斑快速捕获方法，其特征在于，每个螺旋点在不确定区域的极坐标系下的表达式为
Figure FDA0003712068410000021
其中，ρi为螺旋点极径，θi为螺旋点极角；i指第i个螺旋点；
转换到终端方位/俯仰轴二维坐标系下的表达式为
Figure FDA0003712068410000022
其中，xi为螺旋点方位轴角度；yi为螺旋点俯仰轴角度。
6.根据权利要求4所述的星载激光通信终端的光斑快速捕获方法，其特征在于，PZT在扫描子区域的扫描方式为光栅-螺旋扫描方式，PZT单步移动距离
Figure FDA0003712068410000023
α为信号光束散角。
7.根据权利要求5所述的星载激光通信终端的光斑快速捕获方法，其特征在于，PZT扫描路径坐标点参数矩阵从子区域极坐标系转换到终端二维坐标系，转换关系式如下：
Figure FDA0003712068410000031
Figure FDA0003712068410000032
其中，ρNmatirx为在不确定域极坐标系下的PZT子区域所有扫描点极径；
θNmatirx为在不确定域极坐标系下的PZT子区域所有扫描点极角；
xNmatirx为在终端二维坐标系下的PZT子区域所有扫描点方位轴控制量；
yNmatirx为在终端二维坐标系下的PZT子区域所有扫描点俯仰轴控制量；
ρ’Nmatirx为子区域极坐标系下PZT所有扫描点的极径；
θ’Nmatirx为子区域极坐标系下PZT所有扫描点的极角。
8.一种光斑快速捕获系统，其特征在于，包括控制终端、电机和PZT，所述控制终端与所述电机、PZT控制连接，控制所述电机和PZT按权利要求1-7任一项所述的星载激光通信终端的光斑快速捕获方法对星间和/或星地激光通信链路中的光斑进行捕获。
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