CN113992265B - 基于飞行器的海空一体化激光通信方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种基于飞行器的海空一体化激光通信方法，包括：搭载激光通信终端的飞行器和搭载激光通信终端的浮标装置建立基础信号通道；搭载激光通信终端的飞行器和搭载激光通信终端的浮标装置基于基础信号通道建立激光通信链路；以及飞行器与浮标装置基于激光通信链路进行通信。本公开还提供了一种基于飞行器的海空一体化激光通信系统。

Description

基于飞行器的海空一体化激光通信方法

技术领域

本公开属于激光通信技术领域，具体涉及一种基于飞行器的海空一体化激光通信方法及系统。

背景技术

当下，人类社会对海洋的关注度越来越高，与海洋资源勘探与开发、海洋环境监测、海洋灾害预警、海洋安全等领域相关的技术飞速发展，针对海洋应用场景的各种探测手段层出不穷，随之而来的，是对海上通信的需求日益增加，围绕海洋应用场景的舰船、浮标、飞机、卫星等节点之间通常距离较远，又需要进行远海信息互通。目前，此类信息互通均通过无线电射频通信完成。特别是针对浮标装置等无人值守的海洋监测设备，其搜集的各种海洋信息更需要通过无线电射频通信手段完成远海数据传输，并获取各种行动指令。随着航天技术的不断发展与进步，各类卫星在海洋监测、通信等领域参与度越来越高，发挥着越来越重要的作用。浮标装置获取各种海洋监测信息，通过无线通信方式将数据发送给卫星，再由卫星将数据转发给地面站或者无人机等飞行器，做进一步的信息处理，这种通信方式成为了一种获取海洋信息的重要途经。

当前，针对包含浮标装置、中继卫星、无人机的无线通信系统，均采用无线电射频技术完成通信任务，主要存在以下问题：

第一、信息安全无法保证，抗干扰能力弱，无线通信非常容易被干扰，同时发送的信息也很容易被截获，在信息技术高度发展的当下，无线电射频通信在安全方面无任何优势，尤其在涉及到保密及安全领域时，信息的泄露是个致命的问题；

第二、在浮标装置与卫星之间、卫星与无人机之间建立通信链路的过程中，均需要利用无线电技术捕捉卫星信号，完成通信链路的建立，当受到无线电干扰时，通信链路无法建立，浮标装置的信息无法传出，导致浮标的作用失效；

第三、通信速率不高，尤其是卫星与浮标装置之间的通信速率很难超过1Mbit/s，当有图片、视频等超大容量数据需要传输时，会导致通信时间过长，在卫星的有效通信时间窗口，很难一次性完成数据的上传和下载，效率低下。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种基于飞行器的海空一体化激光通信方法及系统。

根据本公开的一个方面，提供一种基于飞行器的海空一体化激光通信方法，包括：

搭载激光通信终端的飞行器和搭载激光通信终端的浮标装置建立基础信号通道；

搭载激光通信终端的飞行器和搭载激光通信终端的浮标装置基于基础信号通道建立激光通信链路；以及，

飞行器与浮标装置基于激光通信链路进行通信。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，所述飞行器包括无人机、有人驾驶的飞机或热气球等其他可飞行物。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，所述浮标装置为位于海域、河流、湖泊等水面上的漂浮装置。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，所述飞行器与浮标装置的数量为一对一、一对多或多对多。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器海空一体化激光通信方法，所述飞行器与浮标装置基于激光通信链路进行通信的有效通信距离为最大水平距离10km，最大高度距离为500米。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器海空一体化激光通信方法，飞行器与浮标装置基于激光通信链路进行通信的通信波长为 1550nm，该波长为当前激光通信的主流选择，可兼顾隐蔽性、安全性、器件性能、系统设计、大气透过率等多方面因素，达到良好的通信效果。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，飞行器或浮标装置还可以搭载除激光通信终端以外的其他无线电通信设备作为辅助或备用通信终端，使其他无线电通信设备与激光通信终端组成以激光通信终端为主的融合通信系统。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，搭载激光通信终端的飞行器或搭载激光通信终端的浮标装置建立基础信号通道，包括：搭载激光通信终端的飞行器作为发起方时，

搭载激光通信终端的飞行器对浮标装置建立基础信号通道；以及，

搭载激光通信终端的浮标装置对飞行器建立基础信号通道。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，所述搭载激光通信终端的飞行器对浮标装置建立基础信号通道，包括：

飞行器搭载的激光通信终端以扫描的方式发射信标光；

浮标装置出现在飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机的视场时，浮标装置搭载的目标反射器将飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光原路返回；

飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机检测原路返回的信标光；

飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机获取浮标装置的空间坐标；以及，

飞行器搭载的激光通信终端指向浮标装置的方向。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，所述扫描的方式包括由近及远的搜索方式，通过信标光360°螺旋扫描，实现10km半径范围海平面区域信标覆盖搜索。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，所述飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光为一束或两束，当选择发射两束信标光时，可以对两束信标光的扫描视场进行拼接以增加信标光的覆盖范围，缩短激光通信链路建立时间。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，所述飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机获取浮标装置的空间坐标，包括：

飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机提取浮标装置在相机视场中的位置；以及，

将浮标装置在相机视场中的位置转换为空间方位坐标信息。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，所述飞行器搭载的激光通信终端指向浮标装置方向，包括：

生成转台控制指令，并通过转台控制指令控制飞行器搭载的激光通信终端的二维转动机构，使飞行器搭载的激光通信终端指向浮标装置的方向。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，所述目标反射器包括角锥棱镜或由独立的反射镜拼接成的光学角反射器，用于在飞行器对浮标装置建立基础信号通道时辅助定位。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，所述搭载激光通信终端的浮标装置对飞行器建立基础信号通道，包括：

浮标装置搭载的激光通信终端对半球空间扫描，以检测飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光；

浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机检测到信标光后，浮标装置搭载的激光通信终端停止扫描；

浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机获取飞行器的空间坐标；以及，

浮标装置搭载的激光通信终端指向飞行器的方向。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，所述浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机检测到信标光，指的是飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光出现在浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机的视场时，视为检测到信标光。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，所述浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机获取飞行器的空间坐标，包括：

浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机提取飞行器在相机视场中的位置；以及，

将飞行器在相机视场中的位置转换为空间方位坐标。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，所述浮标装置搭载的激光通信终端指向飞行器的方向，包括：

生成转台控制指令，并通过转台控制指令控制浮标装置搭载的激光通信终端的二维转动机构，使浮标装置搭载的激光通信终端指向飞行器的方向。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，搭载激光通信终端的飞行器和搭载激光通信终端的浮标装置基于基础信号通道建立激光通信链路，包括：

浮标装置对飞行器进行精跟踪，以及飞行器对浮标装置进行精跟踪；或

飞行器对浮标装置进行精跟踪，以及浮标装置对飞行器进行精跟踪。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，浮标装置对飞行器进行精跟踪，以及飞行器对浮标装置进行精跟踪，包括：

飞行器搭载的激光通信终端发射信号光；

浮标装置搭载的激光通信终端接收飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光对飞行器精跟踪；

浮标装置搭载的激光通信终端发射信号光；以及

飞行器搭载的激光通信终端接收浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光对浮标装置精跟踪。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，飞行器对浮标装置进行精跟踪，以及浮标装置对飞行器进行精跟踪，包括：

浮标装置搭载的激光通信终端发射信号光；

飞行器搭载的激光通信终端接收浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光对浮标装置精跟踪；

飞行器搭载的激光通信终端发射信号光；以及

浮标装置搭载的激光通信终端接收飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光对飞行器精跟踪。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，所述搜索相机为CMOS相机或CCD相机。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，所述信标光波长包括808nm、850nm、880nm、905nm、980nm、 1064nm、1550nm，其中，优选808nm。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，所述飞行器或浮标装置还可以搭载除激光通信终端以外的其他无线电通信设备作为辅助或备用通信终端，使所述其他无线电通信设备与激光通信终端组成以激光通信终端为主的融合通信系统。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，搭载激光通信终端的飞行器或搭载激光通信终端的浮标装置对对方建立基础信号通道，包括：搭载激光通信终端的浮标装置和搭载激光通信终端的飞行器同时作为发起方时，浮标装置和飞行器分别通过各自搭载的激光通信终端发射信标光；飞行器搭载的搜索相机检测浮标装置的目标反射器反射的飞行器发射的信标光，浮标装置搭载的搜索相机检测飞行器发射的信标光；以及，当浮标装置通过搭载的激光通信终端发射的信标光被飞行器搭载的搜索相机检测时，和当飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光被浮标装置搭载的目标反射器原路反射回时，飞行器和浮标装置进入相互对准和粗跟踪。

根据本公开的又一个方面，提供一种基于飞行器的海空一体化激光通信系统，包括：

飞行器，所述飞行器搭载激光通信终端，所述激光通信终端包括搜索相机，所述飞行器作为发起方与浮标装置建立基础信号通道，所述飞行器与浮标装置基于基础信号通道建立激光通信链路，所述飞行器与浮标装置基于激光通信链路进行通信；以及，

浮标装置，所述浮标装置搭载激光通信终端和目标反射器，所述激光通信终端包括搜索相机，所述浮标装置作为发起方与飞行器建立基础信号通道，所述目标反射器在无人机对浮标装置建立基础信号通道时辅助定位，所述浮标装置与飞行器基于基础信号通道建立激光通信链路，所述浮标装置与所述飞行器进行通信。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，搭载激光通信终端的飞行器或搭载激光通信终端的浮标装置建立基础信号通道，包括：搭载激光通信终端的飞行器作为发起方时，

搭载激光通信终端的飞行器对浮标装置建立基础信号通道；以及，

搭载激光通信终端的浮标装置对飞行器建立基础信号通道。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，所述搭载激光通信终端的飞行器对浮标装置建立基础信号通道，包括：

飞行器搭载的激光通信终端以扫描的方式发射信标光；

浮标装置出现在飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机的视场时，浮标装置搭载的目标反射器将飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光原路返回；

飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机检测原路返回的信标光；

飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机获取浮标装置的空间坐标；以及，

飞行器搭载的激光通信终端指向浮标装置的方向。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，所述飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机获取浮标装置的空间坐标，包括：

飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机提取浮标装置在相机视场中的位置；以及，

将浮标装置在相机视场中的位置转换为空间方位坐标信息。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，所述飞行器搭载的激光通信终端指向浮标装置方向，包括：

生成转台控制指令，并通过转台控制指令控制飞行器搭载的激光通信终端的二维转动机构，使飞行器搭载的激光通信终端指向浮标装置的方向。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，所述目标反射器包括角锥棱镜或由独立的反射镜拼接成的光学角反射器，用于在飞行器对浮标装置建立基础信号通道时辅助定位。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，所述目标反射器为多个。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，所述搭载激光通信终端的浮标装置对飞行器建立基础信号通道，包括：

浮标装置搭载的激光通信终端对半球空间扫描，以检测飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光；

浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机检测到信标光后，浮标装置搭载的激光通信终端停止扫描；

浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机获取飞行器的空间坐标；以及，

浮标装置搭载的激光通信终端指向飞行器的方向。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，所述浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机检测到信标光，指的是飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光出现在浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机的视场时，视为检测到信标光。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，所述浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机获取浮标装置的空间坐标，包括：

浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机提取飞行器在相机视场中的位置；以及，

将飞行器在相机视场中的位置转换为空间方位坐标。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，所述浮标装置搭载的激光通信终端指向飞行器的方向，包括：

生成转台控制指令，并通过转台控制指令控制浮标装置搭载的激光通信终端的二维转动机构，使浮标装置搭载的激光通信终端指向飞行器的方向。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，搭载激光通信终端的飞行器和搭载激光通信终端的浮标装置基于基础信号通道建立激光通信链路，包括：

浮标装置对飞行器进行精跟踪，以及飞行器对浮标装置进行精跟踪；或

飞行器对浮标装置进行精跟踪，以及浮标装置对飞行器进行精跟踪。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，浮标装置对飞行器进行精跟踪，以及飞行器对浮标装置进行精跟踪，包括：

飞行器搭载的激光通信终端发射信号光；

浮标装置搭载的激光通信终端接收飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光对飞行器精跟踪；

浮标装置搭载的激光通信终端发射信号光；以及

飞行器搭载的激光通信终端接收浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光对浮标装置精跟踪。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，飞行器对浮标装置进行精跟踪，以及浮标装置对飞行器进行精跟踪，包括：

浮标装置搭载的激光通信终端发射信号光；

飞行器搭载的激光通信终端接收浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光对浮标装置精跟踪；

飞行器搭载的激光通信终端发射信号光；以及

浮标装置搭载的激光通信终端接收飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光对飞行器精跟踪。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，所述搜索相机为CMOS相机或CCD相机。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，所述信标光波长包括808nm、850nm、880nm、905nm、980nm、 1064nm、1550nm，其中，优选808nm。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，所述飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光为一束或两束，当选择发射两束信标光时，可以对两束信标光的扫描视场进行拼接以增加信标光的覆盖范围，缩短激光通信链路建立时间。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，所述飞行器包括无人机、有人驾驶的飞机或热气球等其他可飞行物。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，所述飞行器与浮标装置的数量为一对一、一对多或多对多。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法，所述飞行器与浮标装置基于激光通信链路进行通信的有效通信距离为最大水平距离10km，最大高度距离为500米。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，所述飞行器或浮标装置还可以搭载除激光通信终端以外的其他无线电通信设备作为辅助或备用通信终端，使所述其他无线电通信设备与激光通信终端组成以激光通信终端为主的融合通信系统。

根据本公开至少一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，搭载激光通信终端的飞行器或搭载激光通信终端的浮标装置对对方建立基础信号通道，包括：搭载激光通信终端的浮标装置和搭载激光通信终端的飞行器同时作为发起方时，浮标装置和飞行器分别通过各自搭载的激光通信终端发射信标光；飞行器搭载的搜索相机检测浮标装置的目标反射器反射的飞行器发射的信标光，浮标装置搭载的搜索相机检测飞行器发射的信标光；以及，当浮标装置通过搭载的激光通信终端发射的信标光被飞行器搭载的搜索相机检测时，和当飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光被浮标装置搭载的目标反射器原路反射回时，飞行器和浮标装置进入相互对准和粗跟踪。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开的一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法流程示意图。

图2是根据本公开的一个实施方式的飞行器作为发起方时，飞行器与浮标装置建立基础信号通道方法流程示意图。

图3是根据本公开的一个实施方式的搭载激光通信终端的飞行器对浮标装置建立基础信号通道的方法流程示意图。

图4是根据本公开的一个实施方式的飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机获取浮标装置的空间坐标的方法流程示意图。

图5是根据本公开的一个实施方式的飞行器搭载的激光通信终端指向浮标装置方向方法流程示意图。

图6是根据本公开的一个实施方式的搭载激光通信终端的浮标装置对飞行器建立基础信号通道方法流程示意图。

图7是根据本公开的一个实施方式的浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机获取飞行器的空间坐标方法流程示意图。

图8是根据本公开的一个实施方式的浮标装置搭载的激光通信终端指向飞行器的方向方法流程示意图。

图9是根据本公开的一个实施方式的浮标装置和飞行器基于基础信号通道建立激光通信链路的方法流程示意图。

图10是根据本公开的又一个实施方式的浮标装置和飞行器基于基础信号通道建立激光通信链路的方法流程示意图。

图11是根据本公开的又一个实施方式的浮标装置与飞行器建立基础信号通道的方法流程示意图。

图12是根据本公开的一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统结构示意图。

附图标记说明

1000 海空一体化激光通信系统

1001 飞行器

1002 飞行器搭载的激光通信终端

1003 浮标装置

1004 浮标装置搭载的激光通信终端

1005 目标反射器。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。

除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。

在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。

当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上“、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。

本文使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。

图1是根据本公开的一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信方法流程示意图。

如图1所示，基于飞行器的海空一体化激光通信方法100，包括：

S102：搭载激光通信终端的飞行器和搭载激光通信终端的浮标装置建立基础信号通道；

S104：搭载激光通信终端的飞行器和搭载激光通信终端的浮标装置基于基础信号通道建立激光通信链路；以及，

S106：飞行器与浮标装置基于激光通信链路进行通信。

其中，飞行器包括无人机、有人驾驶的飞机或热气球等其他可飞行物。

其中，浮标装置为位于海域、河流、湖泊等水面上的漂浮装置。

其中，飞行器与浮标装置基于激光通信链路进行通信的有效通信距离为最大水平距离10km，最大高度距离为500米。该范围为最大有效通信距离，海上大气条件会对通信距离产生影响，恶劣的大气环境会缩短有效通信距离，也会影响通信质量。

其中，飞行器与浮标装置的数量为一对一、一对多或多对多。

其中，飞行器与浮标装置基于激光通信链路进行通信的通信波长为1550nm，该波长为当前激光通信的主流选择，可兼顾隐蔽性、安全性、器件性能、系统设计、大气透过率等多方面因素，达到良好的通信效果。

其中，飞行器或浮标装置还可以搭载除激光通信终端以外的其他无线电通信设备作为辅助或备用通信终端，使其他无线电通信设备与激光通信终端组成以激光通信终端为主的融合通信系统。

图2是根据本公开的一个实施方式的飞行器作为发起方时，飞行器与浮标装置建立基础信号通道方法流程示意图。

如图2所示，搭载激光通信终端的飞行器作为发起方时，飞行器与浮标装置建立基础信号通道方法S200，包括：

S202：搭载激光通信终端的飞行器作为发起方，对浮标装置建立基础信号通道；以及，

S204：搭载激光通信终端的浮标装置作为发起方，对飞行器建立基础信号通道。

图3是根据本公开的一个实施方式的搭载激光通信终端的飞行器对浮标装置建立基础信号通道的方法流程示意图。

如图3所示，搭载激光通信终端的飞行器对浮标装置建立基础信号通道的方法S300，包括：

S302：飞行器搭载的激光通信终端以扫描的方式发射信标光；

S304：浮标装置出现在飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机的视场时，浮标装置搭载的目标反射器将飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光原路返回；

S306：飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机检测原路返回的信标光；

S308：飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机获取浮标装置的空间坐标；以及，

S310：飞行器搭载的激光通信终端指向浮标装置的方向。

通过上述搭载激光通信终端的飞行器对浮标装置建立基础信号通道的方法，实现飞行器对浮标装置的捕获、对准和精跟踪。

其中，目标反射器包括角锥棱镜或由独立的反射镜拼接成的光学角反射器，用于在飞行器对浮标装置建立基础信号通道时辅助定位。目标反射器将入射的光束按照原路返回，帮助飞行器快速的完成对浮标装置的定位。根据目标反射器的有效视场，浮标上需搭载多个目标反射器，以能覆盖海面以上完整工作空间为准，使任何方向照射过来的信标光都能被反射回去，提高浮标装置被成功发现的概率。

其中，搜索相机为CMOS相机或CCD相机。

其中，扫描的方式包括由近及远的搜索方式，通过信标光360°螺旋扫描，实现10km半径范围海平面区域信标覆盖搜索。

其中，信标光波长包括808nm、850nm、880nm、905nm、980nm、 1064nm、1550nm，其中，优选808nm。激光通信的信标光选择808nm，此波长为优选，选择因素主要是考虑到隐蔽性、器件的性能指标及大气透过率，隐蔽性即人眼不可见，当使用该波段进行目标搜索、跟踪及定位时，不会被不相关方发现，相对安全，器件的性能指标方面，首先该波长的激光光源比较常见，容易获取，此外，考虑用于目标搜索、跟踪、定位的光电探测器，比如CMOS、CCD相机等，在该波段的响应度比较高，较容易探测到目标回波，因此可同时兼顾隐蔽性和器件性能。850nm、880nm、905nm、980nm、1064nm、1550nm等波长也可以作为信标光备选，前提是所采用的目标光电探测器对这些波长的激光有足够的响应度，能较容易的探测。

其中，飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光为一束或两束，当选择发射两束信标光时，可以对两束信标光的扫描视场进行拼接以增加信标光的覆盖范围，缩短激光通信链路建立时间。

图4是根据本公开的一个实施方式的飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机获取浮标装置的空间坐标的方法流程示意图。

如图4所示，飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机获取浮标装置的空间坐标的方法S400，包括：

S402：飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机提取浮标装置在相机视场中的位置；以及，

S404：将浮标装置在相机视场中的位置转换为空间方位坐标信息。

其中，搜索相机为CMOS相机或CCD相机。

图5是根据本公开的一个实施方式的飞行器搭载的激光通信终端指向浮标装置方向的方法流程示意图。

如图5所示，飞行器搭载的激光通信终端指向浮标装置方向的方法S500，包括：

S502：飞行器搭载的激光通信终端生成转台控制指令；

S504：通过转台控制指令控制飞行器搭载的激光通信终端的二维转动机构的转向；以及

S506：二维转动机构使飞行器搭载的激光通信终端指向浮标装置的方向。

其中，二维转动机构是可以两个维度转动的机构，分别是方位轴和俯仰轴，通过这个机构，可以控制激光通信终端发射激光的方向，对目标对象进行对准、跟踪。

如图6所示，搭载激光通信终端的浮标装置对飞行器建立基础信号通道方法S600，包括：

S602：浮标装置搭载的激光通信终端对半球空间扫描，以检测飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光；

S604：浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机检测到信标光后，浮标装置搭载的激光通信终端停止扫描；

S606：浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机获取飞行器的空间坐标；以及，

S608：浮标装置搭载的激光通信终端指向飞行器的方向。

其中，浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机检测到信标光，指的是飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光出现在浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机的视场时，视为检测到信标光。

其中，信标光波长包括808nm、850nm、880nm、905nm、980nm、 1064nm、1550nm，其中，优选808nm。

其中，搜索相机为CMOS相机或CCD相机。

图7是根据本公开的一个实施方式的浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机获取飞行器的空间坐标方法流程示意图。

如图7所示，浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机获取飞行器的空间坐标方法S700，包括：

S702：浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机提取飞行器在相机视场中的位置；以及，

S704：将飞行器在相机视场中的位置转换为空间方位坐标。

其中，搜索相机为CMOS相机或CCD相机。

图8是根据本公开的一个实施方式的浮标装置搭载的激光通信终端指向飞行器的方向的方法流程示意图。

如图8所示，浮标装置搭载的激光通信终端指向飞行器的方向的方法S800，包括：

S802：浮标装置搭载的激光通信终端生成转台控制指令；

S804：通过转台控制指令控制浮标装置搭载的激光通信终端的二维转动机构的转向；

S806：二维转动机构使浮标装置搭载的激光通信终端指向飞行器的方向。

图9是根据本公开的一个实施方式的浮标装置和飞行器基于基础信号通道建立激光通信链路的方法流程示意图。

如图9所示，浮标装置和飞行器基于基础信号通道建立激光通信链路的方法S900，浮标装置对飞行器进行精跟踪，以及飞行器对浮标装置进行精跟踪，包括：

S902：飞行器搭载的激光通信终端发射信号光；

S904：浮标装置搭载的激光通信终端接收飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光对飞行器精跟踪；

S906：浮标装置搭载的激光通信终端发射信号光；以及

S908：飞行器搭载的激光通信终端接收浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光对浮标装置精跟踪。

图10是根据本公开的又一个实施方式的浮标装置和飞行器基于基础信号通道建立激光通信链路的方法流程示意图。

如图10所示，浮标装置和飞行器基于基础信号通道建立激光通信链路的方法S1000，飞行器对浮标装置进行精跟踪，以及浮标装置对飞行器进行精跟踪，包括：

S1002：浮标装置搭载的激光通信终端发射信号光；

S1004：飞行器搭载的激光通信终端接收浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光对浮标装置精跟踪；

S1006：飞行器搭载的激光通信终端发射信号光；以及

S1008：浮标装置搭载的激光通信终端接收飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光对飞行器精跟踪。

图11是根据本公开的又一个实施方式的浮标装置与飞行器建立基础信号通道的方法流程示意图。

如图11所示，搭载激光通信终端的浮标装置和搭载激光通信终端的飞行器同时作为发起方时，浮标装置与飞行器建立基础信号通道的方法S1100，包括：

S1102：浮标装置和飞行器分别通过各自搭载的激光通信终端发射信标光；

S1104：飞行器搭载的搜索相机检测浮标装置的目标反射器反射的飞行器发射的信标光，浮标装置搭载的搜索相机检测飞行器发射的信标光；以及，

S1106：当浮标装置通过搭载的激光通信终端发射的信标光被飞行器搭载的搜索相机检测时，和当飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光被浮标装置搭载的目标反射器原路反射时，飞行器和浮标装置进入相互对准和粗跟踪。

本发明提供的海空一体化激光通信方法，具有以下技术优势：

第一、解决了通信过程的安全性问题，激光通信具有出色的抗干扰能力。由于激光高度集中，具有优良的方向性，通信所用的激光波段为不可见光，因此很难被与通信无关的第三方发现，极难被截获，具有出色的安全性；

第二、浮标上装有目标反射器，使巡检更加方便快捷。当使用光学手段对浮标进行巡检时，浮标上的目标反射器能将入射激光束原路返回，很容易被发现，由于激光出色的抗干扰性能，不会出现由于外界干扰导致的浮标搜寻失败问题，极大地提升了海上浮标生命力；

第三、激光通信容量极大，在同等条件下，能实现无线射频通信千百倍的通信速率，极大的缩短了海上通信时长，能使海上浮标在有限时间内最大限度的完成数据上传，可有效提升远海通信效率。

图12是根据本公开的一个实施方式的基于飞行器的海空一体化激光通信系统结构示意图。

如图12所示，基于飞行器的海空一体化激光通信系统1000，包括：

飞行器1001，飞行器搭载激光通信终端1002，激光通信终端包括搜索相机，飞行器作为发起方与浮标装置建立基础信号通道，飞行器与浮标装置基于基础信号通道建立激光通信链路，飞行器与浮标装置基于激光通信链路进行通信；以及，

浮标装置1003，浮标装置搭载激光通信终端1004和目标反射器 1005，激光通信终端包括搜索相机，浮标装置作为发起方与飞行器建立基础信号通道，目标反射器在飞行器对浮标装置建立基础信号通道时辅助定位，浮标装置与飞行器基于基础信号通道建立激光通信链路，浮标装置与飞行器进行通信。

其中，搭载激光通信终端的飞行器或搭载激光通信终端的浮标装置建立基础信号通道，包括：搭载激光通信终端的飞行器作为发起方时，

搭载激光通信终端的飞行器对浮标装置建立基础信号通道；以及，

搭载激光通信终端的浮标装置对飞行器建立基础信号通道。

其中，搭载激光通信终端的飞行器对浮标装置建立基础信号通道，包括：

飞行器搭载的激光通信终端以扫描的方式发射信标光；

浮标装置出现在飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机的视场时，浮标装置搭载的目标反射器将飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光原路返回；

飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机检测原路返回的信标光；

飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机获取浮标装置的空间坐标；以及，

飞行器搭载的激光通信终端指向浮标装置的方向。

其中，飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机获取浮标装置的空间坐标，包括：

飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机提取浮标装置在相机视场中的位置；以及，

将浮标装置在相机视场中的位置转换为空间方位坐标信息。

其中，飞行器搭载的激光通信终端指向浮标装置方向，包括：

生成转台控制指令，并通过转台控制指令控制飞行器搭载的激光通信终端的二维转动机构，使飞行器搭载的激光通信终端指向浮标装置的方向。

其中，目标反射器包括角锥棱镜或由独立的反射镜拼接成的光学角反射器，用于在无人机对浮标装置建立基础信号通道时辅助定位。

其中，搭载激光通信终端的浮标装置对飞行器建立基础信号通道，包括：

浮标装置搭载的激光通信终端对半球空间扫描，以检测飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光；

浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机检测到信标光后，浮标装置搭载的激光通信终端停止扫描；

浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机获取飞行器的空间坐标；以及，

浮标装置搭载的激光通信终端指向飞行器的方向。

其中，浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机检测到信标光，指的是飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光出现在浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机的视场时，视为检测到信标光。

其中，浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机获取飞行器的空间坐标，包括：

浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机提取飞行器在相机视场中的位置；以及，

将飞行器在相机视场中的位置转换为空间方位坐标。

其中，浮标装置搭载的激光通信终端指向飞行器的方向，包括：

生成转台控制指令，并通过转台控制指令控制浮标装置搭载的激光通信终端的二维转动机构，使浮标装置搭载的激光通信终端指向飞行器的方向。

其中，搭载激光通信终端的飞行器和搭载激光通信终端的浮标装置基于基础信号通道建立激光通信链路，包括：

浮标装置对飞行器进行精跟踪，以及，飞行器对浮标装置进行精跟踪；或

飞行器对浮标装置进行精跟踪，以及，浮标装置对飞行器进行精跟踪。

其中，浮标装置对飞行器进行精跟踪，以及飞行器对浮标装置进行精跟踪，包括：

飞行器搭载的激光通信终端发射信号光；

浮标装置搭载的激光通信终端接收飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光对飞行器精跟踪；

浮标装置搭载的激光通信终端发射信号光；以及

飞行器搭载的激光通信终端接收浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光对浮标装置精跟踪。

其中，飞行器对浮标装置进行精跟踪，以及浮标装置对飞行器进行精跟踪，包括：

浮标装置搭载的激光通信终端发射信号光；

飞行器搭载的激光通信终端接收浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光对浮标装置精跟踪；

飞行器搭载的激光通信终端发射信号光；以及

浮标装置搭载的激光通信终端接收飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光对飞行器精跟踪。

其中，搜索相机为CMOS相机或CCD相机。

其中，信标光波长包括808nm、850nm、880nm、905nm、980nm、 1064nm、1550nm，其中，优选808nm。

其中，飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光为一束或两束，当选择发射两束信标光时，可以对两束信标光的扫描视场进行拼接以增加信标光的覆盖范围，缩短激光通信链路建立时间。

其中，飞行器包括无人机、有人驾驶的飞机或热气球等其他可飞行物。

其中，飞行器与浮标装置的数量为一对一、一对多或多对多。

其中，飞行器与浮标装置基于激光通信链路进行通信的有效通信距离为最大水平距离10km，最大高度距离为500米。

其中，飞行器或浮标装置还可以搭载除激光通信终端以外的其他无线电通信设备作为辅助或备用通信终端，使其他无线电通信设备与激光通信终端组成以激光通信终端为主的融合通信系统。

其中，搭载激光通信终端的飞行器或搭载激光通信终端的浮标装置对对方建立基础信号通道，包括：搭载激光通信终端的浮标装置和搭载激光通信终端的飞行器同时作为发起方时，浮标装置和飞行器分别通过各自搭载的激光通信终端发射信标光；飞行器搭载的搜索相机检测浮标装置的目标反射器反射的飞行器发射的信标光，浮标装置搭载的搜索相机检测飞行器发射的信标光；以及，当浮标装置通过搭载的激光通信终端发射的信标光被飞行器搭载的搜索相机检测时，和当飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光被浮标装置搭载的目标反射器原路反射回时，飞行器和浮标装置进入相互对准和粗跟踪。

本公开提供的基于飞行器的海空一体化激光通信方法和系统，可以应用于海上无线通信场景，包括各种海上监测系统、浮标装置应用平台、无人机等浮标装置巡检平台等。

本公开实施方式提供的基于飞行器的海空一体化激光通信系统，具有以下技术优势：

第一、一种新型的包含无人机、浮标装置在内的激光通信方法和系统，充分发挥了激光通信本身安全性好、抗干扰能力强、信道容量大的优势，极大的提升了针对浮标装置通信的可靠性、安全性；

第二、该方法和系统可以充分的发挥无人机和浮标装置在海洋监测中的优势，既增加了无人机对浮标装置巡检的成功率，也提升了浮标装置的生命力，与激光通信优势互补，可出色的完成海洋监测任务。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式/方式”、“一些实施方式/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须的是相同的实施方式/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式/方式或示例以及不同实施方式/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (1)

1.一种基于飞行器的海空一体化激光通信方法，其特征在于，包括：

搭载激光通信终端的飞行器和搭载激光通信终端的浮标装置建立基础信号通道，包括：搭载激光通信终端的飞行器作为发起方时，搭载激光通信终端的飞行器对浮标装置建立基础信号通道；以及搭载激光通信终端的浮标装置对飞行器建立基础信号通道；

搭载激光通信终端的飞行器和搭载激光通信终端的浮标装置基于基础信号通道建立激光通信链路；以及

飞行器与浮标装置基于激光通信链路进行通信；

其中，所述搭载激光通信终端的飞行器对浮标装置建立基础信号通道，包括：

飞行器搭载的激光通信终端以扫描的方式发射信标光；

浮标装置出现在飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机的视场时，浮标装置搭载的目标反射器将飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光原路返回；

飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机检测原路返回的信标光；

飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机获取浮标装置的空间坐标，包括：飞行器搭载的激光通信终端的搜索相机提取浮标装置在相机视场中的位置；将浮标装置在相机视场中的位置转换为空间方位坐标信息；及

飞行器搭载的激光通信终端指向浮标装置方向，包括：生成转台控制指令，并通过转台控制指令控制飞行器搭载的激光通信终端的二维转动机构，使飞行器搭载的激光通信终端指向浮标装置的方向；

其中，所述搭载激光通信终端的浮标装置对飞行器建立基础信号通道，包括：

浮标装置搭载的激光通信终端对半球空间扫描，以检测飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光；

浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机检测到信标光后，浮标装置搭载的激光通信终端停止扫描；

浮标装置搭载的激光通信终端的搜索相机获取飞行器的空间坐标；以及

浮标装置搭载的激光通信终端指向飞行器的方向；

其中，飞行器与浮标装置基于激光通信链路进行通信的通信波长为1550nm；

所述目标反射器包括角锥棱镜或由独立的反射镜拼接成的光学角反射器，用于在无人机对浮标装置建立基础信号通道时辅助定位；

搭载激光通信终端的飞行器和搭载激光通信终端的浮标装置基于基础信号通道建立激光通信链路，包括：浮标装置对飞行器进行精跟踪，以及飞行器对浮标装置进行精跟踪；或飞行器对浮标装置进行精跟踪，以及浮标装置对飞行器进行精跟踪；

浮标装置对飞行器进行精跟踪，以及飞行器对浮标装置进行精跟踪，包括：飞行器搭载的激光通信终端发射信号光；浮标装置搭载的激光通信终端接收飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光对飞行器精跟踪；浮标装置搭载的激光通信终端发射信号光；以及飞行器搭载的激光通信终端接收浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光对浮标装置精跟踪；

飞行器对浮标装置进行精跟踪，以及浮标装置对飞行器进行精跟踪，包括：浮标装置搭载的激光通信终端发射信号光；飞行器搭载的激光通信终端接收浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的浮标装置搭载的激光通信终端发射的信号光对浮标装置精跟踪；飞行器搭载的激光通信终端发射信号光；以及浮标装置搭载的激光通信终端接收飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光，并基于接收的飞行器搭载的激光通信终端发射的信号光对飞行器精跟踪；

搭载激光通信终端的飞行器或搭载激光通信终端的浮标装置对对方建立基础信号通道，包括：搭载激光通信终端的浮标装置和搭载激光通信终端的飞行器同时作为发起方时，浮标装置和飞行器分别通过各自搭载的激光通信终端发射信标光；飞行器搭载的搜索相机检测浮标装置的目标反射器反射的飞行器发射的信标光，浮标装置搭载的搜索相机检测飞行器发射的信标光；当浮标装置通过搭载的激光通信终端发射的信标光被飞行器搭载的搜索相机检测时，和当飞行器搭载的激光通信终端发射的信标光被浮标装置搭载的目标反射器原路反射回时，飞行器和浮标装置进入相互对准和粗跟踪。

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