CN114142926B - 一种超远深空激光通信捕获跟踪系统 - Google Patents

一种超远深空激光通信捕获跟踪系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，通过星敏感器和导航陀螺仪获取位置信息和姿态信息，通过可见光焦平面探测器和红外焦平面探测器获取太阳光斑和地球光斑位置，星载计算机计算粗跟踪指向信号控制粗跟踪转台带动光学天线，计算精跟踪误差信号控制电光偏转器透射光束的偏转方向，实现了从距离地球30～250天文单位外超远深空到地球的激光通信中光束捕获跟踪。本发明省去现有信标光发射系统，有效降低了激光通信系统重量、体积和功耗，将星敏感器、导航陀螺仪相结合获取姿态和位置信息，利用焦平面探测器替代常见QAPD探测器获取跟踪误差，有效提高了捕获跟踪灵敏度和精度，可广泛应用于小行星探测器、太阳系边际探测器等超远深空探测器中。

Description

一种超远深空激光通信捕获跟踪系统
技术领域
本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种超远深空激光通信捕获跟踪系统。
背景技术
随着我国月球探测和火星探测的开展，未来深空探测将继续向小行星探测、太阳系边际探测等超远深空探测方向开展深入研究。目前射频频段难以为超远深空探测器任务提供高速通信的支持服务，因此将空间激光通信技术应用于超远深空信息传输任务迫在眉睫。
激光通信光束的快速、稳定捕获跟踪是实现超远深空激光通信的关键环节和重要保障。由于激光光束的束散角极窄、深空探测器接收到的能量极低，同时受到位置和姿态的测量精度、轨道外推精度、通信时延等因素影响，超远距离的激光捕获跟踪的技术难度极大，灵敏度要求高，捕获时间长，对跟踪精度和灵敏度提出了极高的要求。同时，深空探测应用对于系统的重量、体积、功耗和寿命也提出了严格要求。因此，实现捕获跟踪精度高、灵敏度高、稳定性好、体积小、重量轻、寿命长的激光通信捕获跟踪系统已成为亟需解决的关键问题。
在先技术一，公开号为CN112332917A的中国专利中介绍了一种惯性导航控制的激光通信自主跟瞄方法、系统及存储介质，主要通过计算本地惯性导航系统输出信号计算获得自身位置信息，再通过通信双方的位置差矢量确定跟踪瞄准方向，实现实时稳定激光通信自主跟瞄。但是惯性导航系统的长期稳定性较差，在长期运行状态下仅通过惯性导航系统确定自身运动姿态情况易产生较大累积误差，无法完成对距离地球超过30天文单位的激光通信捕获跟踪。
在先技术二，公开号为CN109889263B的中国专利介绍了一种基于信号光的捕获方法和基于信号光的捕获系统，根据星历表预测位置初始化瞄准，利用信号光作为对准光束，有效简化了系统结构。但是通过星历表预测的位置信息误差较大，而信号光束的束散角又极小，捕获跟踪灵敏度低，因此在距离地球超过30天文单位的深空激光通信中，仅通过信号光无法完成扫描捕获。
在先技术三，公开号为CN109246371B的中国专利介绍了一种光斑捕获系统和方法，应用CMOS图像传感器获取光斑位置误差以控制光学单元对光束进行捕获。但是CMOS图像传感器的视场角较小，捕获跟踪灵敏度低，无法完成在距离地球超过30天文单位的深空中对光束的捕获跟踪。
在先技术四，公开号为CN110750110A的中国专利介绍了一种用于空间激光通信的指向控制装置与控制方法，通过星敏感器和角速度传感器等获取姿态信息并控制执行机构进行目标指向。但是星敏感器对姿态测量的精度较低，仅依靠星敏感器无法满足超远距离激光通信的跟踪精度需求，在距离地球超过30天文单位的深空中无法完成对光束的捕获跟踪。
在先技术五，公开号为CN105356943B中国专利介绍了一种激光通信捕获跟踪系统，通过可变焦液晶透镜与液晶光学相控阵和液晶光楔结合，利用捕获探测模块获取光斑位置，再通过信号处理单元处理得到视轴误差并完成捕获跟踪。但是捕获探测模块的探测器视场角较小，捕获跟踪灵敏度低，无法完成在距离地球超过30天文单位的深空中对光束的捕获跟踪。
以上五种技术虽然都实现了激光通信系统的捕获跟踪，但并没有解决在距离地球30天文单位以上距离的激光通信系统的捕获跟踪技术，仍存在位置和姿态信息的测量精度低、捕获和跟踪的灵敏度低、系统组成复杂、稳定性差等问题。
发明内容
本发明是为了解决远距离捕获跟踪精度和灵敏度问题，提供一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，采用导航陀螺仪获取姿态信息和位置信息，同时利用星敏感器获取姿态、位置误差补偿量以得到更精确的姿态和位置信息，星载计算机解算后可以得到更精确、更稳定的粗跟踪指向信号；采用电光偏转器实现光束的偏转、分光镜组进行波长分光、可见光焦平面探测器和红外焦平面探测器分别探测太阳光束和地球光束、星载计算机解算精跟踪误差，有助于提高系统的捕获跟踪灵敏度和精度。本发明可在距离地球30～250天文单位距离(1天文单位＝1.5×108千米)的激光通信捕获跟踪系统，位置和姿态信息的测量准确、捕获和跟踪精度高，从而彻底解决超远深空距离激光通信中高精度和高可靠的捕获跟踪问题。
本发明提供一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，包括光学天线，与光学天线连接的粗跟踪转台，依次设置在光学天线输出光路上的电光偏转器、分光镜组，设置在分光镜组可见光输出光路上的可见光焦平面探测器，设置在分光镜组红外光输出光路上的红外焦平面探测器，与可见光焦平面探测器、红外焦平面探测器均电连接的星载计算机，与星载计算机电连接的导航陀螺仪、星敏感器；
光学天线用于在指向到目标方向后接收光束，粗跟踪转台用于接收星载计算机发送的粗跟踪指向信号后带动光学天线调整指向，星载计算机用于接收导航陀螺仪发送的姿态信息和位置信息、接收星敏感器发送的姿态误差补偿量和位置误差补偿量后计算得到粗跟踪指向信号并发送给粗跟踪转台，导航陀螺仪用于将姿态信息和位置信息发送给星载计算机，星敏感器用于将姿态误差补偿量和位置误差补偿量发送给星载计算机；
光学天线用于接收光束并将光束进行反射、缩束后输出至电光偏转器，电光偏转器用于接收光学天线输出的光束并透射到分光镜组，分光镜组用于接收电光偏转器输出的光束并根据光束的波长将可见光波段光束透射到可见光焦平面探测器、将红外波段光束透射到红外焦平面探测器，可见光焦平面探测器用于捕获可见光波段光束中太阳发射的可见光波段光束形成太阳光斑并将太阳光斑位置信息发送给星载计算机，红外焦平面探测器用于捕获红外波段光束中地球发射的红外波段光束形成地球光斑并将地球光斑位置信息发送给星载计算机，星载计算机用于根据太阳光斑位置信息和地球光斑位置信息计算出精跟踪误差信号并将精跟踪误差信号发送给电光偏转器，电光偏转器用于接收精跟踪误差信号并调整透射光束的偏转方向补偿精跟踪误差、完成对光束的捕获跟踪。
本发明所述的一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，作为优选方式，光学天线为卡塞格林式光学望远镜天线。
本发明所述的一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，作为优选方式，粗跟踪转台为经纬仪式伺服转台。
本发明所述的一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，作为优选方式，电光偏转器为电光晶体偏转器。
本发明所述的一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，作为优选方式，分光镜组为波长分光透镜组，可见光波段光束波长为400nm～800nm，红外波段光束波长为8μm～12μm。
本发明所述的一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，作为优选方式，可见光焦平面探测器用于捕获波长为400nm～800nm的可见光波段光束。
本发明所述的一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，作为优选方式，红外焦平面探测器用于捕获波长为8μm～12μm的红外波段光束。
本发明所述的一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，作为优选方式，导航陀螺仪用于根据惯性导航原理将姿态信息和位置信息发送给星载计算机。
本发明所述的一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，作为优选方式，星敏感器用于通过拍摄恒星并查找星历表将姿态误差补偿量和位置误差补偿量发送给星载计算机。
星载计算机根据太阳光斑位置信息和地球光斑位置信息计算出精跟踪误差信号，将精跟踪误差信号发送给电光偏转器，电光偏转器调整透射光束的偏转方向补偿精跟踪误差，完成对光束的捕获跟踪。
本发明所述的一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，作为优选方式，超远深空激光通信捕获跟踪系统用于在距离地球30天文单位以上距离的激光通信系统的捕获跟踪。
分光镜组为波长分光透镜组，用于将光束分成可见光波段光束和红外波段光束，可见光波段光束透射到可见光焦平面探测器，红外波段光束透射到红外焦平面探测器。
进一步地，所述可见光焦平面探测器用于接收可见光波段光束，并在可见光焦平面探测器上形成太阳光斑，将太阳光斑位置信息发送给星载计算机。
进一步地，红外焦平面探测器用于接收红外波段光束，并在红外焦平面探测器上形成地球光斑位置，将地球光斑位置信息发送给星载计算机。
进一步地，导航陀螺仪根据惯性导航原理将姿态信息和位置信息发送给星载计算机。
进一步地，星敏感器通过拍摄恒星并查找星历表将姿态和位置误差补偿量发送给星载计算机。
进一步地，星载计算机将姿态信息和位置信息以及姿态和位置误差补偿量计算后得到粗跟踪指向信号发送给粗跟踪转台；星载计算机根据太阳光斑位置信息和地球光斑位置信息计算出精跟踪误差信号，将精跟踪误差信号发送给电光偏转器。
进一步地，粗跟踪转台根据星载计算机发送的粗跟踪指向信号带动安装在粗跟踪转台上的光学天线指向目标方向。
本发明具有以下优点：
(1)本发明省去了信标光发射和接收系统，有效简化了系统的体积、重量、功耗和系统复杂度，适用于深空探测平台。
(2)本发明采用导航陀螺仪获取姿态信息和位置信息，同时利用星敏感器获取姿态、位置误差补偿量以得到更精确的姿态和位置信息。导航陀螺仪的短期测量精度和测量频率高，用于获取姿态信息和位置信息；星敏感器的长期测量稳定性好，用于测量姿态和位置误差补偿量。通过星载计算机解算后可以得到更精确、更稳定的粗跟踪指向信号，有助于提高系统的捕获跟踪精度。
(3)本发明采用电光偏转器替代压电陶瓷快速反射镜实现光束的偏转，无机械运动，具有使用寿命长、带宽大、功耗低的特点。
(4)本发明采用分光镜组进行波长分光，充分利用了可见光波段和红外波段的光束能量，有助于提高系统的捕获跟踪灵敏度。
(5)本发明采用可见光焦平面探测器和红外焦平面探测器分别探测太阳光束和地球光束，焦平面探测器的线性度好、灵敏度高，且具有较强的抗空间辐照能力，通过星载计算机解算得到的精跟踪误差更准确，有助于提高系统的捕获跟踪灵敏度和精度。
附图说明
图1为一种超远深空激光通信捕获跟踪系统组成原理框图。
附图标记：
1、光学天线；2、粗跟踪转台；3、电光偏转器；4、分光镜组；5、可见光焦平面探测器；6、红外焦平面探测器；7、星载计算机；8、导航陀螺仪；9、星敏感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，包括光学天线1，与光学天线1连接的粗跟踪转台2，依次设置在光学天线1输出光路上的电光偏转器3、分光镜组4，设置在分光镜组4可见光输出光路上的可见光焦平面探测器5，设置在分光镜组4红外光输出光路上的红外焦平面探测器6，与可见光焦平面探测器5、红外焦平面探测器6均电连接的星载计算机7，与星载计算机7电连接的导航陀螺仪8、星敏感器9；
光学天线1用于在指向到目标方向后接收光束，粗跟踪转台2用于接收星载计算机7发送的粗跟踪指向信号后带动光学天线1调整指向，星载计算机7用于接收导航陀螺仪8发送的姿态信息和位置信息、接收星敏感器9发送的姿态误差补偿量和位置误差补偿量后计算得到粗跟踪指向信号并发送给粗跟踪转台2，导航陀螺仪8用于将姿态信息和位置信息发送给星载计算机7，星敏感器9用于将姿态误差补偿量和位置误差补偿量发送给星载计算机7；
光学天线1用于接收光束并将光束进行反射、缩束后输出至电光偏转器3，电光偏转器3用于接收光学天线1输出的光束并透射到分光镜组4，分光镜组4用于接收电光偏转器3输出的光束并根据光束的波长将可见光波段光束透射到可见光焦平面探测器5、将红外波段光束透射到红外焦平面探测器6，可见光焦平面探测器5用于捕获可见光波段光束中太阳发射的可见光波段光束形成太阳光斑并将太阳光斑位置信息发送给星载计算机7，红外焦平面探测器6用于捕获红外波段光束中地球发射的红外波段光束形成地球光斑并将地球光斑位置信息发送给星载计算机7，星载计算机7用于根据太阳光斑位置信息和地球光斑位置信息计算出精跟踪误差信号并将精跟踪误差信号发送给电光偏转器3，电光偏转器3用于接收精跟踪误差信号并调整透射光束的偏转方向补偿精跟踪误差、完成对光束的捕获跟踪；
超远深空激光通信捕获跟踪系统用于在距离地球30天文单位以上距离的激光通信系统的捕获跟踪；
光学天线1为卡塞格林式光学望远镜天线；
粗跟踪转台2为经纬仪式伺服转台；
电光偏转器3为电光晶体偏转器；
分光镜组4为波长分光透镜组，可见光波段光束波长为400nm～800nm，红外波段光束波长为8μm～12μm；
可见光焦平面探测器5用于捕获波长为400nm～800nm的可见光波段光束；
红外焦平面探测器6用于捕获波长为8μm～12μm的红外波段光束；
导航陀螺仪8用于根据惯性导航原理将姿态信息和位置信息发送给星载计算机7；
星敏感器9用于通过拍摄恒星并查找星历表将姿态误差补偿量和位置误差补偿量发送给星载计算机7。
实施例2
如图1所示，一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，包括光学天线1、粗跟踪转台2、电光偏转器3、分光镜组4、可见光焦平面探测器5、红外焦平面探测器6、星载计算机7、导航陀螺仪8和星敏感器9。
导航陀螺仪8根据惯性导航原理将姿态信息和位置信息发送给星载计算机7；星敏感器9通过拍摄恒星并查找星历表将姿态和位置误差补偿量发送给星载计算机7；星载计算机将姿态信息和位置信息以及姿态和位置误差补偿量计算后得到粗跟踪指向信号发送给粗跟踪转台2，粗跟踪转台2按照粗跟踪指向信号带动安装在粗跟踪转台2上的光学天线1指向目标方向；
光学天线1在指向到目标方向后，接收到的光束经过光学天线1反射、缩束后达到电光偏转器3，电光偏转器3将光束透射到分光镜组4，分光镜组4根据光束的波长将可见光波段的光束透射到可见光焦平面探测器5，同时将红外波段的光束透射到红外焦平面探测器6；可见光焦平面探测器5捕获到太阳发射的可见光波段的光束并形成太阳光斑，可见光焦平面探测器5将太阳光斑位置信息发送给星载计算机7。红外焦平面探测器6捕获到地球发射的红外波段的光束并形成地球光斑，红外焦平面探测器6将地球光斑位置信息发送给星载计算机7；星载计算机7根据太阳光斑位置信息和地球光斑位置信息计算出精跟踪误差信号，将精跟踪误差信号发送给电光偏转器3，电光偏转器3调整透射光束的偏转方向补偿精跟踪误差，完成对光束的捕获跟踪。
距离地球100天文单位的深空探测器中，导航陀螺仪8根据惯性导航原理将姿态信息和位置信息发送给星载计算机7。星敏感器9通过拍摄恒星并查找星历表将姿态和位置误差补偿量发送给星载计算机7；星载计算机将姿态信息和位置信息以及姿态和位置误差补偿量计算后得到粗跟踪指向信号发送给粗跟踪转台2，粗跟踪转台2按照粗跟踪指向信号带动安装在粗跟踪转台2上的光学天线1指向目标方向；光学天线1在指向到目标方向后，接收到的光束经过光学天线1接收、反射、缩束后达到电光偏转器3，电光偏转器3将光束透射到分光镜组4，分光镜组4将波长为400nm～800nm的可见光光束透射到可见光焦平面探测器5，同时分光镜组4将波长为8μm～12μm的红外光束透射到红外焦平面探测器6；可见光焦平面探测器5捕获到太阳发射的可见光波段的光束并形成直径为30μm的太阳光斑，可见光焦平面探测器5将太阳光斑位置信息发送给星载计算机7。红外焦平面探测器6捕获到地球发射的红外波段的光束并形成直径为0.3μm的地球光斑，红外焦平面探测器6将地球光斑位置信息发送给星载计算机7；星载计算机7根据太阳光斑位置信息和地球光斑位置信息计算出精跟踪误差信号，将精跟踪误差信号发送给电光偏转器3，电光偏转器3调整透射光束的偏转方向补偿精跟踪误差，完成对光束的捕获跟踪。
本实施例中，光学天线1为卡塞格林式光学望远镜天线，口径为200mm。
本实施例中，粗跟踪转台2为经纬仪式伺服转台。
本实施例中，电光偏转器3为LN1550-2型电光偏转器，闭环跟踪频率为2kHz。
本实施例中，分光镜组4可将波长为400nm～800nm的可见光光束和波长为8μm～12μm的红外光束根据波长分光，分别将波长为400nm～800nm的可见光光束透射给可见光焦平面探测器、将波长为8μm～12μm的红外光束透射给红外焦平面探测器，同时隔离其他波段的光束。
本实施例中，可见光焦平面探测器5为VIS1280-12D型可见光焦平面探测器，用于探测波长为400nm～800nm的可见光光束，阵元数量为1280×1024，像元间距为12μm。
本实施例中，红外焦平面探测器6为IR512-15M型红外焦平面探测器，用于探测波长为8μm～12μm的红外光束，阵元数量为640×512，像元间距为15μm。
本实施例中，星载计算机7为TSC695型星载计算机，主频为260MHz，用于计算粗跟踪指向信号和精跟踪误差信号。
本实施例中，导航陀螺仪8为IFOG-690T型导航陀螺仪，零偏稳定度为0.001°/h。
本实施例中，星敏感器9为ASTRO-APS型星敏感器，视场为20°×20°，更新频率为100Hz，测量精度为8角秒。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，其特征在于：包括光学天线(1)，与所述光学天线(1)连接的粗跟踪转台(2)，依次设置在所述光学天线(1)输出光路上的电光偏转器(3)、分光镜组(4)，设置在所述分光镜组(4)可见光输出光路上的可见光焦平面探测器(5)，设置在所述分光镜组(4)红外光输出光路上的红外焦平面探测器(6)，与所述可见光焦平面探测器(5)、所述红外焦平面探测器(6)均电连接的星载计算机(7)，与所述星载计算机(7)电连接的导航陀螺仪(8)、星敏感器(9)；
所述光学天线(1)用于在指向到目标方向后接收光束，所述粗跟踪转台(2)用于接收所述星载计算机(7)发送的粗跟踪指向信号后带动所述光学天线(1)调整指向，所述星载计算机(7)用于接收所述导航陀螺仪(8)发送的姿态信息和位置信息、接收所述星敏感器(9)发送的姿态误差补偿量和位置误差补偿量后计算得到所述粗跟踪指向信号并发送给所述粗跟踪转台(2)，所述导航陀螺仪(8)用于将所述姿态信息和所述位置信息发送给所述星载计算机(7)，所述星敏感器(9)用于将所述姿态误差补偿量和所述位置误差补偿量发送给所述星载计算机(7)；
所述光学天线(1)用于接收所述光束并将所述光束进行反射、缩束后输出至所述电光偏转器(3)，所述电光偏转器(3)用于接收所述光学天线(1)输出的所述光束并透射到所述分光镜组(4)，所述分光镜组(4)用于接收所述电光偏转器(3)输出的所述光束并根据所述光束的波长将可见光波段光束透射到所述可见光焦平面探测器(5)、将红外波段光束透射到所述红外焦平面探测器(6)，所述可见光焦平面探测器(5)用于捕获所述可见光波段光束中太阳发射的可见光波段光束形成太阳光斑并将太阳光斑位置信息发送给所述星载计算机(7)，所述红外焦平面探测器(6)用于捕获所述红外波段光束中地球发射的红外波段光束形成地球光斑并将地球光斑位置信息发送给所述星载计算机(7)，所述星载计算机(7)用于根据所述太阳光斑位置信息和所述地球光斑位置信息计算出精跟踪误差信号并将所述精跟踪误差信号发送给所述电光偏转器(3)，所述电光偏转器(3)用于接收所述精跟踪误差信号并调整透射光束的偏转方向补偿精跟踪误差、完成对光束的捕获跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，其特征在于：所述光学天线(1)为卡塞格林式光学望远镜天线。
3.根据权利要求1所述的一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，其特征在于：所述粗跟踪转台(2)为经纬仪式伺服转台。
4.根据权利要求1所述的一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，其特征在于：所述电光偏转器(3)为电光晶体偏转器。
5.根据权利要求1所述的一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，其特征在于：所述分光镜组(4)为波长分光透镜组，所述可见光波段光束波长为400nm～800nm，所述红外波段光束波长为8μm～12μm。
6.根据权利要求1所述的一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，其特征在于：所述可见光焦平面探测器(5)用于捕获波长为400nm～800nm的所述可见光波段光束。
7.根据权利要求1所述的一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，其特征在于：所述红外焦平面探测器(6)用于捕获波长为8μm～12μm的所述红外波段光束。
8.根据权利要求1所述的一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，其特征在于：所述导航陀螺仪(8)用于根据惯性导航原理将所述姿态信息和所述位置信息发送给所述星载计算机(7)。
9.根据权利要求1所述的一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，其特征在于：所述星敏感器(9)用于通过拍摄恒星并查找星历表将所述姿态误差补偿量和所述位置误差补偿量发送给所述星载计算机(7)。
10.根据权利要求1所述的一种超远深空激光通信捕获跟踪系统，其特征在于：超远深空激光通信捕获跟踪系统用于在距离地球30天文单位以上距离的激光通信系统的捕获跟踪。
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