CN115396027B - 一种飞机间测距通信一体化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空间激光通信领域，具体涉及一种飞机间组网测距通信一体化装置及方法。装置包括结构相同的光端机A和光端机B，光端机A包括调制器、激光器、光放大器1、光放大器2、探测器、数据处理器、光纤环形器、耦合器、红外跟踪相机、能量分光镜和电磁振镜；光纤环形器分别与光放大器1、光放大器2和耦合器连接；光放大器1与探测器连接，探测器与数据处理器连接；光放大器2与激光器连接，激光器与调制器连接；耦合器与电磁振镜之间放置能量分光镜，红外跟踪相机与电磁振镜连接。在不影响激光通信链路数据传输的基础上，实现飞机间组网，同时使用双向单程伪距测量技术可根据反馈的时间戳信号完成飞机间的距离测量。
Description
技术领域
本发明涉及空间激光通信领域，具体涉及一种飞机间组网测距通信一体化装置及方法。
背景技术
随着科技的不断进步，人们对通信的速率、带宽、保密性等要求也不断提高。在适度的功率水平下，以激光作为传输载体更适合进行远距离信息传输。此外，激光通信具有容量大、功耗低、带宽高、频谱资源不受限和质量轻等优势，使其在国防、军事和民用通信等领域都具有广阔的应用前景，更受到国内外研究者的广泛关注。空间激光通信目前主要应用于星际通信领域，随着其中各关键技术的不断成熟和人类对大气激光传输理论的深入研究，机载激光通信开始受到世界各国的重视。
机载激光通信的应用范围广泛，激光测距通信一体化技术以激光光束为载体，将激光测距仪和通信信息共用同一束激光和硬件平台，实现全双工接收机完成测距和通信双重功能，可适应未来深空探测活动对高速率通信、高精度测距的任务需求，是深空测控通信的重要发展方向。
对于全双工接收机，收发隔离是系统工作时的一个重要指标，如果系统的收发隔离解决不好,会造成发射时接收通道无法正常工作，还有可能会引起接收通道的自激，若是在大功率条件下,甚至会造成接收通道前端放大器的损坏，因此，有必要对系统中收发隔离的理论和实现方法进行研究。
发明内容
针对上述问题本发明提供一种飞机间测距通信一体化装置及方法，在实现飞机间测距通信一体化操作的同时，解决系统中收发隔离的问题。
所述装置包括光端机A和光端机B，所述光端机A和光端机B摆放在大气信道的同一水平面上，且保持链路无遮挡；所述光端机A包括调制器、激光器、光放大器1、光放大器2、探测器、数据处理器、光纤环形器、耦合器、红外跟踪相机、能量分光镜、电磁振镜和光学天线；所述光纤环形器分别与光放大器1、光放大器2和耦合器连接；所述光放大器1与所述探测器连接，所述探测器与所述数据处理器连接；所述光放大器2与所述激光器连接，所述激光器与所述调制器连接；所述耦合器与所述电磁振镜之间放置能量分光镜，所述能量分光镜的一条分光路径对应耦合器，另一条分光路径上对应放置红外跟踪相机，所述红外跟踪相机与所述电磁振镜连接，所述光学天线放置在所述电磁振镜镜面对应的一侧，所述光端机B与所述光端机A结构相同。
进一步，所述光端机A接收的激光波长与光端机B发射的激光波长相同，所述光端机B接收的激光波长与光端机A发射的激光波长相同，所述光端机A与所述光端机B发射的激光波长不同。
进一步，所述光纤环形器包括公共端、发射端和接收端，所述公共端能够同时实现接收光束和发射光束的功能。
进一步，所述公共端与所述耦合器连接，所述发射端与所述光放大器2连接，所述接收端与所述光放大器1连接。
进一步，所述光放大器1通过光纤与探测器连接，所述探测器通过电缆与所述数据处理器连接，所述调制器通过电缆与所述激光器连接，所述激光器通过光纤与所述光放大器2连接。
本发明还提供一种飞机间测距通信一体化方法，使用如上所述的飞机间测距通信一体化装置，所述方法步骤为：
S1、将光端机A和光端机B分别放置飞机A1与飞机B1内，给设备供电。
S2、先进行飞机A1与飞机B1的通信，将需要发送的通信数据输入调制器，通过调制器将通信数据变为电信号加载在激光器上，由激光器实现电信号到光信号的转换，转换后的光信号经过光放大器2进行放大，放大后的光信号经过光纤环形器发射到耦合器中，耦合器将光由光纤转换至空间，转换后的光通过能量分光镜，入射至电磁振镜，再由电磁振镜反射至光学天线发射。
S3、发射后的光信号经过大气信道，由另一光端机B的光学天线接收，通过电磁振镜反射至能量分光镜，能量分光镜将光以指定比率分割为两条不同光束，一条入射到红外跟踪相机，一条入射到耦合器；入射到红外跟踪相机中的光提供信息控制振镜，入射到耦合器中的光汇聚耦合进光纤环形器中，由光纤环形器输入到光放大器1中进行放大，将放大后的光信号输入到探测器完成光信号到电信号的转换，将转换后的电信号输入数据处理器处理后输出。
S4、进行飞机A1与飞机B1的通信后进行飞机A1与飞机B1的测距，首先由光端机A向光端机B发射时间戳信号，发射方式与S2中通信数据发射方式相同，光端机B接收时间戳信号,接收方式与S3中通信数据接收方式相同；再以相反的发射接收方式重复上述操作，即光端机B向光端机A发射时间戳信号；将每次发射与接收时间戳的时间记录，由公式
计算得到两端距离，完成测距；其中，
p为飞机A1与飞机B1的距离，c为光速，
为发射与接收时间戳信号的时间差。
进一步，
，其中，光端机A发射时间戳信号时刻为t1，光端机B接收时时间戳信号刻为t2，光端机B发射时间戳信号时刻为t3，光端机A接收时间戳信号时刻为t4。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述飞机间测距通信一体化方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述飞机间测距通信一体化方法的步骤。
本发明的有益效果为：在不影响激光通信链路数据传输的基础上，实现飞机间组网，同时使用双向单程伪距测量技术可根据反馈的时间戳信号完成飞机间的距离测量。在不增加设备复杂度的前提下，实现了通信测距的一体化。光端机使用不同波长的激光，并通过结构设计实现光端机收发端隔离。
附图说明
图1为飞机间测距通信一体化装置示意图；
图2为光端机A结构图及信息输出示意图；
图3为光端机B结构图及信息接收示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种飞机间测距通信一体化装置，所述装置如图1所示，包括光端机A和光端机B，所述光端机A和光端机B摆放在大气信道的同一水平面上，且保持链路无遮挡；其中光端机A发射1550nm波段光束、接收1530nm波段光束，光端机B发射1530nm波段光束、接收1550nm波段光束，建立链路的激光终端以不同的信号波长实现发射和接收功能，信号收发隔离采用波长隔离的方式实现A-B、B-A飞机间组网。
如图2所示，所述光端机A包括调制器、激光器、光放大器1、光放大器2、探测器、数据处理器、光纤环形器、耦合器、红外跟踪相机、能量分光镜、电磁振镜和光学天线；所述光纤环形器分别与光放大器1、光放大器2和耦合器连接；所述光放大器1与所述探测器连接，所述探测器与所述数据处理器连接；所述光放大器2与所述激光器连接，所述激光器与所述调制器连接；所述耦合器与所述电磁振镜之间放置能量分光镜，所述能量分光镜的一条分光路径对应耦合器，另一条分光路径上对应放置红外跟踪相机，所述红外跟踪相机与所述电磁振镜连接，所述光学天线放置在所述电磁振镜镜面对应的一侧。
所述数据处理器包括时钟恢复电路以及双混频鉴相器，能根据反馈的时间戳信号计算时间差值，确定当前飞机间的距离。
所述光端机B与所述光端机A结构相同。
由调制器与激光器通过电缆相连，激光器与放大器2通过光纤相连，放大器2连接光纤环形器的发射端组成数据输出链路。光纤环形器的接收端与光放大器1连接，光放大器1与探测器通过光纤连接，探测器与数据处理器通过电缆连接组成数据输入链路。
所述光纤环形器包括公共端、发射端和接收端，所述公共端能够同时实现接收光束和发射光束的功能。
所述公共端与所述耦合器连接，所述发射端与所述光放大器2连接，所述接收端与所述光放大器1连接。
本实施例还提供一种飞机间测距通信一体化方法，使用如上所述的飞机间测距通信一体化装置，所述方法步骤为：
S1、将光端机A和光端机B分别放置飞机A1与飞机B1内，给设备供电。
S2、先进行飞机A1与飞机B1的通信，光端机A信息输出示意图如图2所示,将需要发送的通信数据输入调制器，调制器的作用为把通信数据信号变成电信号，激光器是电流调制，调制器把通信数据信号变成强弱电流不等的电信号加载在激光器上，由激光器实现电信号到光信号的转换，转换后的光信号经过光放大器2进行放大，放大后的光信号经过光纤环形器发射到耦合器中，耦合器将光由光纤转换至空间，转换后的光通过能量分光镜，入射至电磁振镜，再由电磁振镜反射至光学天线发射。
S3、发射后的光信号经过大气信道，由另一光端机B的光学天线接收，光端机B信息接收示意图如图3所示，光学天线接收的光通过电磁振镜反射至能量分光镜，能量分光镜将光以指定比率分割为两条不同光束，本实施例将光束以1：9的比例分割，1/10的光束入射到红外跟踪相机，9/10的光束入射到耦合器。入射到红外跟踪相机中的光提供信息控制振镜，具体方法为由红外相机反馈光束位置信息至电磁振镜，电磁振镜调节反射角度使光斑恰好位于振镜中心处。入射到耦合器中的光汇聚耦合进光纤环形器中，由光纤环形器输入到光放大器1中进行放大，将放大后的光信号输入到探测器完成光信号到电信号的转换，将转换后的电信号输入数据处理器处理后输出。
S4、进行飞机A1与飞机B1的通信后进行飞机A1与飞机B1的测距，首先由光端机A向光端机B发射时间戳信号，发射方式与S2中通信数据发射方式相同，光端机B接收时间戳信号,接收方式与S3中通信数据接收方式相同；再以相反的发射接收方式重复上述操作，即光端机B向光端机A发射时间戳信号；将每次发射与接收时间戳的时间记录，由公式
计算得到两端距离，完成测距；其中，
p为飞机A1与飞机B1的距离，c为光速，
为发射与接收时间戳信号的时间差。
，其中，光端机A发射时间戳信号时刻为t1，光端机B接收时时间戳信号刻为t2，光端机B发射时间戳信号时刻为t3，光端机A接收时间戳信号时刻为t4。
本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器（read only memory，ROM）、可编程只读存储器（programmable ROM，PROM）、可擦除可编程只读存储器（erasablePROM，EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（electrically EPROM，EEPROM）或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器（random access memory，RAM），其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM 可用，例如静态随机存取存储器（static RAM，SRAM）、动态随机存取存储器（dynamic RAM，DRAM）、同步动态随机存取存储器（synchronousDRAM，SDRAM）、双倍数据速率同步动态随机存取存储器（double data rate SDRAM，DDRSDRAM）、增强型同步动态随机存取存储器（enhanced SDRAM，ESDRAM）、同步连接动态随机存取存储器（synchlink DRAM，SLDRAM）和直接内存总线随机存取存储器（direct rambusRAM，DR RAM）。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如同轴电缆、光纤、数字用户线（digital subscriber line，DSL））或无线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质（例如，软盘、硬盘、磁带）、光介质（例如，高密度数字视频光盘（digital video disc，DVD））、或者半导体介质（例如，固态硬盘（solid state disc，SSD））等。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软 件形式的指令完成。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
应注意，本申请实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
Claims (8)
1.一种飞机间测距通信一体化装置，其特征在于，所述装置包括光端机A和光端机B，所述光端机A和光端机B摆放在大气信道的同一水平面上，且保持链路无遮挡；所述光端机A包括调制器、激光器、光放大器1、光放大器2、探测器、数据处理器、光纤环形器、耦合器、红外跟踪相机、能量分光镜、电磁振镜和光学天线；所述光纤环形器分别与光放大器1、光放大器2和耦合器连接；所述光放大器1与所述探测器连接，所述探测器与所述数据处理器连接；所述光放大器2与所述激光器连接，所述激光器与所述调制器连接；所述耦合器与所述电磁振镜之间放置能量分光镜，所述能量分光镜的一条分光路径对应耦合器，另一条分光路径上对应放置红外跟踪相机，所述红外跟踪相机与所述电磁振镜连接，所述光学天线放置在所述电磁振镜镜面对应的一侧；所述光端机B与所述光端机A结构相同；所述光端机A接收的激光波长与光端机B发射的激光波长相同，所述光端机B接收的激光波长与光端机A发射的激光波长相同，所述光端机A与所述光端机B发射的激光波长不同；所述装置具体执行如下步骤：
S1、将光端机A和光端机B分别放置飞机A1与飞机B1内，给设备供电；
S2、先进行飞机A1与飞机B1的通信，将需要发送的通信数据输入调制器，通过调制器将通信数据信号变为电信号加载在激光器上，由激光器实现电信号到光信号的转换，转换后的光信号经过光放大器2进行放大，放大后的光信号经过光纤环形器发射到耦合器中，耦合器将光由光纤转换至空间，转换后的光通过能量分光镜，入射至电磁振镜，再由电磁振镜反射至光学天线发射；
S3、发射后的光信号经过大气信道，由另一光端机B的光学天线接收，通过电磁振镜反射至能量分光镜，能量分光镜将光以指定比率分割为两条不同光束，一条入射到红外跟踪相机，一条入射到耦合器；入射到红外跟踪相机中的光提供信息控制振镜，入射到耦合器中的光汇聚耦合进光纤环形器中，由光纤环形器输入到光放大器1中进行放大，将放大后的光信号输入到探测器完成光信号到电信号的转换，将转换后的电信号输入数据处理器处理后输出；
S4、进行飞机A1与飞机B1的通信后进行飞机A1与飞机B1的测距，首先由光端机A向光端机B发射时间戳信号，发射方式与S2中通信数据发射方式相同，光端机B接收时间戳信号,接收方式与S3中通信数据接收方式相同；再以相反的发射接收方式重复上述操作，即光端机B向光端机A发射时间戳信号；将每次发射与接收时间戳的时间记录，由公式
计算得到两端距离，完成测距；其中，p为飞机A1与飞机B1的距离，c为光速，
为发射与接收时间戳信号的时间差。
2.根据权利要求1所述的飞机间测距通信一体化装置，其特征在于，所述光纤环形器包括公共端、发射端和接收端，所述公共端能够同时实现接收光束和发射光束的功能。
3.根据权利要求2所述的飞机间测距通信一体化装置，其特征在于，所述公共端与所述耦合器连接，所述发射端与所述光放大器2连接，所述接收端与所述光放大器1连接。
4.根据权利要求1所述的飞机间测距通信一体化装置，其特征在于，所述光放大器1通过光纤与探测器连接，所述探测器通过电缆与所述数据处理器连接，所述调制器通过电缆与所述激光器连接，所述激光器通过光纤与所述光放大器2连接。
5.一种飞机间测距通信一体化方法，其特征在于，所述方法使用如权利要求1-4任一项所述的飞机间测距通信一体化装置，所述方法步骤为：
S1、将光端机A和光端机B分别放置飞机A1与飞机B1内，给设备供电；
S2、先进行飞机A1与飞机B1的通信，将需要发送的通信数据输入调制器，通过调制器将通信数据信号变为电信号加载在激光器上，由激光器实现电信号到光信号的转换，转换后的光信号经过光放大器2进行放大，放大后的光信号经过光纤环形器发射到耦合器中，耦合器将光由光纤转换至空间，转换后的光通过能量分光镜，入射至电磁振镜，再由电磁振镜反射至光学天线发射；
S3、发射后的光信号经过大气信道，由另一光端机B的光学天线接收，通过电磁振镜反射至能量分光镜，能量分光镜将光以指定比率分割为两条不同光束，一条入射到红外跟踪相机，一条入射到耦合器；入射到红外跟踪相机中的光提供信息控制振镜，入射到耦合器中的光汇聚耦合进光纤环形器中，由光纤环形器输入到光放大器1中进行放大，将放大后的光信号输入到探测器完成光信号到电信号的转换，将转换后的电信号输入数据处理器处理后输出；
S4、进行飞机A1与飞机B1的通信后进行飞机A1与飞机B1的测距，首先由光端机A向光端机B发射时间戳信号，发射方式与S2中通信数据发射方式相同，光端机B接收时间戳信号,接收方式与S3中通信数据接收方式相同；再以相反的发射接收方式重复上述操作，即光端机B向光端机A发射时间戳信号；将每次发射与接收时间戳的时间记录，由公式
计算得到两端距离，完成测距；其中，p为飞机A1与飞机B1的距离，c为光速，
为发射与接收时间戳信号的时间差。
6.根据权利要求5所述飞机间测距通信一体化方法，其特征在于，
，其中，光端机A发射时间戳信号时刻为t1，光端机B接收时时间戳信号刻为t2，光端机B发射时间戳信号时刻为t3，光端机A接收时间戳信号时刻为t4。
7.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求5-6任一项所述方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求5-6任一项所述方法的步骤。
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