CN113965261A - 一种空间激光通信终端跟踪精度测量装置及测量方法 - Google Patents

一种空间激光通信终端跟踪精度测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种空间激光通信终端跟踪精度测量装置及测量方法。本发明的测量装置包括气浮平台，所述气浮平台上设置有模拟转台、大口径平行光管、压电陶瓷快速偏转镜、信标光激光器，所述模拟转台上放置空间激光通信终端，所述空间激光通信终端和所述信标光激光器分别位于所述大口径平行光管的两侧，其中所述空间激光通信终端与所述大口径平行光管的光轴对准，所述信标光激光器设置在所述大口径平行光管的焦面处，所述信标光激光器与所述大口径平行光管之间的管路上设置有压电陶瓷快速偏转镜。本发明可以实现测量空间激光通信终端粗跟踪和精跟踪精度的目的。

Description

一种空间激光通信终端跟踪精度测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及一种空间激光通信终端跟踪精度测量装置及测量方法，属于卫星激光通信系统技术领域。
背景技术
空间激光通信具有传输速率高、通信容量大、保密性好、抗干扰能力强、体积小、重量轻和低功耗等突出优点。激光通信链路建立的前提是通信双方快速捕获、实现视轴对准。而粗跟踪伺服单元主要完成高概率、快速捕获和高稳定、高精度跟踪，是空间激光通信终端伺服系统重要组成部分，因此需测试系统粗跟踪精度指标，评价其是否能够满足优于特定的技术指标，从而实现立体空间内快速捕获和稳定跟踪。同时卫星平台在运行过程中不断振动，因此高精度稳定跟踪是空间激光通信的前提，故需测试系统精跟踪精度，以确保系统具备稳定通信的能力。
目前空间激光通信的工作模式是星对地或星对星通信，为了验证跟踪算法是否能够满足设计要求，一方面需要理论计算推导，同时另一方面也需要一种能够在地面使用的激光通信终端跟踪精度测量装置和方法加以验证，且该装置需要具备能够提供模拟卫星平台工作环境的功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种空间激光通信终端跟踪精度测量装置及测量方法，通过本装置，可以提供模拟卫星平台工作环境的运动特性。基于上述装置，使用本发明提供的测量方法，可以实现测量空间激光通信终端粗跟踪和精跟踪精度的目的。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种空间激光通信终端跟踪精度测量装置，包括气浮平台，所述气浮平台上设置有模拟转台、大口径平行光管、压电陶瓷快速偏转镜、信标光激光器，所述模拟转台上放置空间激光通信终端，所述空间激光通信终端和所述信标光激光器分别位于所述大口径平行光管的两侧，其中所述空间激光通信终端与所述大口径平行光管的光轴对准，所述信标光激光器设置在所述大口径平行光管的焦面处，所述信标光激光器与所述大口径平行光管之间的管路上设置有压电陶瓷快速偏转镜。
进一步地，所述大口径平行光管采用离轴反射式平行光管，其通光口径为500mm，焦距10m。
进一步地，所述信标光激光器采用波长1550nm，输出功率不大于3W的信标光激光器。
进一步地，所述模拟转台采用最大速度12.5°/s，分辨率0.0005°的转台。
进一步地，所述压电陶瓷快速偏转镜为振动范围±5mrad，分辨率1μrad，振动频率2kHz的振镜。
用上述空间激光通信终端跟踪精度测量装置进行空间激光通信终端跟踪精度测量的方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：搭建测试光学平台，空间激光通信终端放置在模拟转台上，空间激光通信终端的光轴与大口径平行光管的光轴对准；大口径平行光管焦面处设置信标光激光器，提供模拟信标激光为空间激光通信终端跟踪使用，在光路中放置压电陶瓷快速偏转镜，使激励光源发生模拟卫星平台功率谱的振动，同时控制模拟转台以卫星轨道运动的速度发生扰动；模拟转台，大口径平行光管，压电陶瓷快速偏转镜和信标光激光器，均放置于气浮平台上，通过控制模拟转台模拟以太空中卫星轨道运动的速度发生的扰动，通过控制压电陶瓷快速偏转镜模拟卫星平台振动谱偏转；
步骤2：空间激光通信终端上电，并配置好参数，处于正常工作待机状态；
步骤3：打开信标光激光器，并给压电陶瓷快速偏转镜上电；
步骤4：控制压电陶瓷快速偏转镜以卫星平台功率谱的频率振动，模拟卫星平台振动谱偏转；
步骤5：空间激光通信终端开启粗跟踪或者精跟踪模式；
步骤6：控制模拟转台以200μrad/s的速度运动，模拟以卫星轨道运动速度产生的扰动；
步骤7：记录跟踪相机上接收到的实时光斑位置与系统光轴的偏差，即脱靶量(x,y)；
步骤8：根据脱靶量(x,y)利用如下计算方法求出粗跟踪或者精跟踪的跟踪精度指标：
根据均值公式分别对所测得的脱靶量样本数据结果进行求平均值
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure 385117DEST_PATH_IMAGE002
其中X i 为脱靶量(x,y) ，n为统计样本数量；
进一步，利用上一步求得的脱靶量样本数据结果的均值，求得该组统计数据的标准差s:
Figure DEST_PATH_IMAGE003
该组统计数据的标准差s即为跟踪精度指标。
有益效果：
本发明原理简单，操作方便，非常易于实现，可以很方便的在实验室中搭建测试环境进行测量。通过本装置，可以提供模拟卫星平台工作环境的运动特性。基于上述装置，使用本发明提供的测量方法，可以实现测量空间激光通信终端粗跟踪和精跟踪精度的目的，进而为理论推导的空间激光通信跟踪精度结果进行验证。根据设置不同的模拟转台和压电陶瓷快速偏转镜扰动参数，可以模拟不同轨道情况下卫星的扰动和振动谱情况，具有很强的适用性，能够模拟多种轨道卫星运动状态下的运动工况。
附图说明
图1是本发明的装置示意图；
图2是本发明的测试流程图；
图中：1、气浮平台；2、模拟转台；3、大口径平行光管；4、压电陶瓷快速偏转镜；5、信标光激光器；6、空间激光通信终端。
具体实施方式
本实施例的空间激光通信终端跟踪精度测量装置，包括气浮平台1，所述气浮平台上设置有模拟转台2、大口径平行光管3、压电陶瓷快速偏转镜4、信标光激光器5，所述模拟转台上放置空间激光通信终端6，所述空间激光通信终端和所述信标光激光器分别位于所述大口径平行光管的两侧，其中所述空间激光通信终端与所述大口径平行光管的光轴对准，所述信标光激光器设置在所述大口径平行光管的焦面处，所述信标光激光器与所述大口径平行光管之间的管路上设置有压电陶瓷快速偏转镜。
本实施例中的大口径平行光管采用nairc10m离轴反射式平行光管，其中具体技术指标为通光口径为500mm，焦距10m。 信标光激光器为非标定制，其中具体技术指标为波长1550nm，输出功率不大于3W。精密模拟转台型号为MRS405，最大速度12.5°/s，分辨率0.0005°。二维快速振镜为非标定制，其中具体技术指标为振动范围±5mrad，分辨率1μrad，振动频率2kHz。
用上述空间激光通信终端跟踪精度测量装置进行空间激光通信终端跟踪精度测量的方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：搭建测试光学平台，空间激光通信终端放置在模拟转台上，空间激光通信终端的光轴与大口径平行光管的光轴对准；大口径平行光管焦面处设置信标光激光器，提供模拟信标激光为空间激光通信终端跟踪使用，在光路中放置压电陶瓷快速偏转镜，使激励光源发生模拟卫星平台功率谱的振动，同时控制模拟转台以卫星轨道运动的速度发生扰动；模拟转台，大口径平行光管，压电陶瓷快速偏转镜和信标光激光器，均放置于气浮平台上，通过控制模拟转台模拟以太空中卫星轨道运动的速度发生的扰动，通过控制压电陶瓷快速偏转镜模拟卫星平台振动谱偏转；
步骤2：空间激光通信终端上电，并配置好参数，处于正常工作待机状态；
步骤3：打开信标光激光器，并给压电陶瓷快速偏转镜上电；
步骤4：控制压电陶瓷快速偏转镜以卫星平台功率谱的频率振动，模拟卫星平台振动谱偏转；
步骤5：空间激光通信终端开启粗跟踪或者精跟踪模式；
步骤6：控制模拟转台以200μrad/s的速度运动，模拟以卫星轨道运动速度产生的扰动；
步骤7：记录跟踪相机上接收到的实时光斑位置与系统光轴的偏差，即脱靶量(x,y)；
步骤8：根据脱靶量(x,y)利用如下计算方法求出粗跟踪或者精跟踪的跟踪精度指标：
根据均值公式分别对所测得的脱靶量样本数据结果进行求平均值
Figure 236399DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure 479292DEST_PATH_IMAGE004
其中X i 为脱靶量(x,y) ，n为统计样本数量；
进一步，利用上一步求得的脱靶量样本数据结果的均值，求得该组统计数据的标准差s:
Figure 48814DEST_PATH_IMAGE003
该组统计数据的标准差s即为跟踪精度指标
采用本发明的方法，进行粗跟踪精度测试数据如表1所示：
表1 粗跟踪精度测试数据
项目 测试值
粗跟踪方位误差 188.04
粗跟踪俯仰误差 146.54
采用本发明的方法，进行精跟踪精度测试数据如表2所示：
表2 精跟踪精度测试数据
Figure 337319DEST_PATH_IMAGE006
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 (6)

1.一种空间激光通信终端跟踪精度测量装置，其特征在于，包括气浮平台，所述气浮平台上设置有模拟转台、大口径平行光管、压电陶瓷快速偏转镜、信标光激光器，所述模拟转台上放置空间激光通信终端，所述空间激光通信终端和所述信标光激光器分别位于所述大口径平行光管的两侧，其中所述空间激光通信终端与所述大口径平行光管的光轴对准，所述信标光激光器设置在所述大口径平行光管的焦面处，所述信标光激光器与所述大口径平行光管之间的管路上设置有压电陶瓷快速偏转镜。
2.根据权利要求1所述的空间激光通信终端跟踪精度测量装置，其特征在于，所述大口径平行光管采用离轴反射式平行光管，其通光口径为500mm，焦距10m。
3.根据权利要求1所述的空间激光通信终端跟踪精度测量装置，其特征在于，所述信标光激光器采用波长1550nm，输出功率不大于3W的信标光激光器。
4.根据权利要求1所述的空间激光通信终端跟踪精度测量装置，其特征在于，所述模拟转台采用最大速度12.5°/s，分辨率0.0005°的转台。
5.根据权利要求1所述的空间激光通信终端跟踪精度测量装置，其特征在于，所述压电陶瓷快速偏转镜为振动范围±5mrad，分辨率1μrad，振动频率2kHz的振镜。
6.一种用权利要求1-5之一所述空间激光通信终端跟踪精度测量装置进行空间激光通信终端跟踪精度测量的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1：搭建测试光学平台，空间激光通信终端放置在模拟转台上，空间激光通信终端的光轴与大口径平行光管的光轴对准；大口径平行光管焦面处设置信标光激光器，提供模拟信标激光为空间激光通信终端跟踪使用，在光路中放置压电陶瓷快速偏转镜，使激励光源发生模拟卫星平台功率谱的振动，同时控制模拟转台以卫星轨道运动的速度发生扰动；模拟转台，大口径平行光管，压电陶瓷快速偏转镜和信标光激光器，均放置于气浮平台上，通过控制模拟转台模拟以太空中卫星轨道运动的速度发生的扰动，通过控制压电陶瓷快速偏转镜模拟卫星平台振动谱偏转；
步骤2：空间激光通信终端上电，并配置好参数，处于正常工作待机状态；
步骤3：打开信标光激光器，并给压电陶瓷快速偏转镜上电；
步骤4：控制压电陶瓷快速偏转镜以卫星平台功率谱的频率振动，模拟卫星平台振动谱偏转；
步骤5：空间激光通信终端开启粗跟踪或者精跟踪模式；
步骤6：控制模拟转台以200μrad/s的速度运动，模拟以卫星轨道运动速度产生的扰动；
步骤7：记录跟踪相机上接收到的实时光斑位置与系统光轴的偏差，即脱靶量(x,y)；
步骤8：根据脱靶量(x,y)利用如下计算方法求出粗跟踪或者精跟踪的跟踪精度指标：
根据均值公式分别对所测得的脱靶量样本数据结果进行求平均值
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中X i 为脱靶量(x,y) ，n为统计样本数量；
进一步，利用上一步求得的脱靶量样本数据结果的均值，求得该组统计数据的标准差s:
Figure DEST_PATH_IMAGE006
该组统计数据的标准差s即为跟踪精度指标。
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