CN117498934A - 提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的装置及方法，属于无人机无线激光通信技术领域，结合了激光通信技术与阵列型激光告警技术的特点，在强干扰环境下，执行激光发射任务的终端按照相应策略执行周期扫描，执行激光接收任务的终端依据已知的扫描周期信息调整终端接收方向，以实现提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度功能。本发明提供的一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的装置及方法，思路清晰、拓展性强、易于实现，可进一步提高激光通信全光捕获初始指向精度。

Description

提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的装置及方法

技术领域

本发明属于无人机无线激光通信技术领域，尤其是涉及一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的装置及方法。

背景技术

激光通信技术因具有通信速率高、终端体积小、保密性好、抗干扰性强等优点，在星间通信、星地通信、地面点对点通信以及无人机通信任务中展现出巨大的应用前景。特别是基于无人机平台的载荷执行任务时，当无人机平台因强干扰环境导致传统射频功能无法使用时，无人机导航控制指令等数据的上传，且无人机采集信息的下载受阻，致使无法实现对无人机的遥控及数据回传。

为了实现无人机激光通信，需要解决激光发散角小导致接收端无法接收到光信号问题，现有技术方案是采用瞄准捕获跟踪(PAT)技术将两通信终端光轴对准并执行跟踪通信，但在强干扰条件下无法使用GPS/INS等射频手段辅助通信终端完成初始指向，即无法实现“瞄准捕获”功能。常采用激光告警技术辅助指向、角反射镜技术辅助指向等方案替代GPS/INS作用实现初始指向功能，采用全光捕获的方式建立光路链接。在基于激光告警技术辅助的全光捕获方案中，激光告警器的精度越高，所能确定的不确定区域越小，越能提升全光捕获初始指向精度。

将阵列型激光告警器应用于激光通信全光捕获方案中需要进一步提升来袭激光方向的定位精度，适当增加阵列单元的数量可以提高角分辨率，相应的代价是系统的复杂度大幅提高。其它提升激光来袭方向定位精度的方法包括利用各窗口的空间坐标、激光强度及相邻窗口入射激光的脉冲宽度等信息进行改进，但以上方法仅从激光告警器本身特性出发提升阵列型激光告警器方位识别能力，难于继续提升激光告警器精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的装置及方法，解决上述技术存在的干扰环境下无人机激光通信全光捕获初始指向精度低、系统的复杂度大的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的装置，包括执行激光发射任务的A终端和执行激光接收任务的B终端，所述A终端和所述B终端均包括发射光镜头及阵列型激光告警器。

优选的，所述A终端还包括三脚架和二维转台；所述二维转台安装在所述三脚架的上方，所述二维转台带动所述A终端的所述发射光镜头与所述A终端的所述阵列型激光告警器共同运动；

优选的，所述B终端还包括无人机和光电吊舱；所述无人机装载在所述光电吊舱的上方，并带动所述光电吊舱运动，所述B终端的所述发射光镜头设置在所述光电吊舱中，所述B终端的所述阵列型激光告警器安装在所述光电吊舱的下方；所述光电吊舱内部设置有电机，带动所述B终端的所述发射光镜头与所述B终端的所述阵列型激光告警器共同运动。

优选的，所述阵列型激光告警器为角分辨率为15度的中精度阵列型激光告警器。

优选的，所述B终端发射的激光束散角为8mrad。

一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的方法，包括以下步骤：

步骤1、B终端凝视，等待接收A终端发射的激光；

步骤2、B终端接收A终端发射的激光，阵列型激光告警器确定A终端所在的不确定区域α，将不确定区域等分，分为不确定区域1及不确定区域2，不确定区域1及不确定区域2大小均为0.5α；

步骤3、判断B终端上接收到激光的区域与发射光镜头的相对位置，做出对应的调整；

步骤4、根据步骤3，B终端运动到相应位置，通过扫描策略确定凝视时间T；

步骤5、判断B终端是否接收到激光，从而确定A终端所在的不确定区域；

步骤6、判断当前确定的A终端所在的不确定区域是否满足要求，若满足要求，将B终端的发射光镜头移动到当前确定的A终端所在的不确定区域中心，完成全光捕获初始指向；若不满足要求则转至步骤3。

优选的，步骤3中判断B终端上接收到激光的区域与发射光镜头的相对位置包括以下两种情况：

情况一：若接收到激光的区域在发射光镜头的左侧，则B终端逆时针旋转当前确定的不确定区域的1/2；

情况二：若接收到激光的区域在发射光镜头的右侧，B终端顺时针旋转当前确定的不确定区域的1/2。

优选的，步骤4中的扫描策略为分行扫描策略、螺旋扫描策略、分行式螺旋扫描策略。

优选的，步骤5的具体情况如下：若接收到激光，则判定A终端在不确定区域为1中，若未收到激光，则判定A终端在不确定区域为2中。

优选的，步骤6中判断当前确定的A终端所在的不确定区域是否满足要求与B终端的束散角大小、平台振动大小、是否有信标光、扫描策略相关。

因此，本发明采用上述一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的装置及方法，与传统的从激光告警器本身特性出发提升阵列型激光告警器方位识别能力的方法不同，本发明充分利用无人机激光通信的特点，基于执行建链终端之间相互约定的扫描周期信息，创新性地提出一种阵列型激光告警器告警精度提升方法，有效提升基于阵列型激光告警技术的全光捕获初始指向精度，对于提高全光捕获的效率及成功率具有重要意义。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的方法的流程图；

图2为本发明A终端的结构图；

图3为本发明B终端的结构图；

图4为本发明A终端所在不确定区域示意图；

图5是本发明发射光镜头与不确定区域的中心之间的间隔角度示意图；

附图标记

1、阵列型激光告警器；2、发射光镜头；3、二维转台；4、三脚架；5、光电吊舱；6、无人机。

具体实施方式

实施例

以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

请参阅图1-5，一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的装置，包括执行激光发射任务的A终端和执行激光接收任务的B终端，A终端按照扫描策略执行周期扫描，约定扫描周期T，在时间T内完成所有不确定区域的扫描，以B终端为中心，确定A终端所在的不确定区域，并由该不确定区域确定B终端的初始指向，A终端和B终端均包括发射光镜头及阵列型激光告警器；A终端还包括三脚架4、二维转台3；二维转台3安装在三脚架4的上方，二维转台3带动A终端的发射光镜头2与A终端的阵列型激光告警器1共同运动；B终端还包括无人机6、光电吊舱5；无人机6装载在光电吊舱5的上方，并带动光电吊舱5运动，B终端的发射光镜头2设置在光电吊舱5中，B终端的阵列型激光告警器1安装在光电吊舱5的下方；光电吊舱5内部设置有电机，带动B终端的发射光镜头2与B终端的阵列型激光告警器1共同运动。

一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的方法，包括以下步骤：

步骤1、B终端凝视，等待接收A终端发射的激光；

步骤2、B终端接收A终端发射的激光，阵列型激光告警器确定A终端所在的不确定区域α，将不确定区域等分，分为不确定区域1及不确定区域2，不确定区域1及不确定区域2大小均为0.5α；

步骤3、判断B终端上接收到激光的区域与发射光镜头的相对位置，做出对应的调整，包括以下两种情况：

情况一：若接收到激光的区域在发射光镜头的左侧，则B终端逆时针旋转当前确定的不确定区域的1/2；

情况二：若接收到激光的区域在发射光镜头的右侧，B终端顺时针旋转当前确定的不确定区域的1/2。；

步骤4、根据步骤3，B终端运动到相应位置，通过扫描策略确定凝视时间T，扫描策略为分行扫描策略、螺旋扫描策略、分行式螺旋扫描策略；

步骤5、判断B终端是否接收到激光，从而确定A终端所在的不确定区域，若接收到激光，则判定A终端在不确定区域为1中，若未收到激光，则判定A终端在不确定区域为2中；

步骤6、判断当前确定的A终端所在的不确定区域是否满足要求，若满足要求，将B终端的发射光镜头移动到当前确定的A终端所在的不确定区域中心，完成全光捕获初始指向；若不满足要求则转至步骤3，判断当前确定的A终端所在的不确定区域是否满足要求与B终端的束散角大小、平台振动大小、是否有信标光、扫描策略相关。

实施例

将地面端作为A终端，无人机端作为B终端。地面端功耗资源充足，因此在地面端装载椭圆形信标光激光器提高扫描效率。无人机端受制于重量、体积和功耗限制，装载体积小重量轻的中低精度激光告警器，此处选用角分辨率为15度的中精度阵列型激光告警器。考虑到激光链路传输损失，设置无人机端发射的激光束散角为8mrad。

地面终端按照扫描策略执行周期扫描，约定扫描周期T＝6秒，即在时间6秒内完成所有不确定区域的扫描；无人机终端接收到地面终端发射的激光，并执行本申请所提方法，以无人机终端为中心，确定地面终端所在的不确定区域，并由该不确定区域确定无人机终端的初始指向。

无人机终端执行本申请所提方法，可有效减小地面终端所在不确定区域大小，提升无人机终端的初始指向精度。具体步骤如下：

步骤1：无人机终端凝视，等待接收地面终端发射的激光；

步骤2：无人机终端接收到地面终端发射的激光时，阵列型激光告警器上的探测单元将光信号转换为电信号，阵列型激光告警器确定地面终端所在的不确定区域，此时α＝15度，如图4所示，将该不确定区域等分，分为不确定区域1及不确定区域2，其大小均为7.5度。

步骤3：判断无人机终端上接收到激光的区域与发射光镜头的相对位置，若接收到激光的区域在发射镜头的左侧，则无人机终端逆时针旋转7.5度，否则，无人机终端顺时针旋转7.5度；

判断无人机终端上接收到激光的位置与发射光镜头的相对位置具体方法为：当无人机终端上的阵列型激光告警器确定来袭激光的不确定区域后，以发射镜头位置为起点，按照顺时针方向，计算发射镜头与不确定区域的中心之间的间隔角度，记为β，如图5所示。若β小于或等于180°，则说明接收到激光的位置区域在发射镜头的右侧；同理，若β大于180°，则说明接收到激光的位置区域在发射镜头的左侧。

步骤4：无人机终端运动到位后，凝视一个扫描周期；

无人机端的凝视时间由地面端的扫描周期确定。无人机终端在建链之前已知对应地面终端的扫描周期，待无人机端激光告警器第一次收到激光信号后开始计时，开始执行凝视操作。本例中地面端执行水平周向扫描，扫描周期为6秒，因此在无人机端第一次收到光信号后开始凝视，凝视时间为6秒。

步骤5：结合无人机旋转方向，判断无人机发射镜头是否接收到激光。

若无人机执行了逆时针旋转，则新的接收视场与原视场的重叠区域是区域1，如图3所示，此时若接收到激光，则说明激光来袭方向为重叠区域1，由此可判定地面终端在不确定区域1中；若未收到激光，并且凝视时间大于或者等于地面端扫描周期，则说明来袭激光未照射到发射镜头上，证明激光照射到了区域2中，则可判定地面终端在不确定区域为2中；同理，若无人机顺时针旋转，并且接收到激光，则可判定地面终端在不确定区域为2中，若未收到激光，则可判定地面终端在不确定区域为1中。

步骤6：当前确定的地面终端所在的不确定区域为7.5度，满足系统需求，将无人机终端的发射镜头移动到当前确定的地面终端所在的不确定区域中心，由此完成全光捕获初始指向。

通过以上步骤，将无人机激光通信全光捕获初始指向精度从15度提升至7.5度，继续执行步骤3至步骤6，可进一步提升精度。

假设步骤3至步骤6共执行了i次，则采用本方案所能获得的区域角度γ按照下述公式确定：

本示例中α＝15度，若再次执行步骤3至步骤6，此时i＝2，可将精度提升至3.75度，此时来袭激光的不确定区域被缩小为3.75度。

因此，本发明采用上述一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的装置及方法，利用无人机激光通信的特点制定策略对现有基于阵列型激光告警技术的全光捕获方法进行改进，进一步提升基于阵列型激光告警技术的全光捕获初始指向精度，对于提高全光捕获的效率及成功率具有重要意义。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的装置，其特征在于：包括执行激光发射任务的A终端和执行激光接收任务的B终端，所述A终端和所述B终端均包括发射光镜头及阵列型激光告警器。

2.根据权利要求1所述的一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的装置，其特征在于：所述A终端还包括三脚架和二维转台；所述二维转台安装在所述三脚架的上方，所述二维转台带动所述A终端的所述发射光镜头与所述A终端的所述阵列型激光告警器共同运动。

3.根据权利要求1所述的一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的装置，其特征在于：所述B终端还包括无人机和光电吊舱；所述无人机装载在所述光电吊舱的上方，并带动所述光电吊舱运动，所述B终端的所述发射光镜头设置在所述光电吊舱中，所述B终端的所述阵列型激光告警器安装在所述光电吊舱的下方；所述光电吊舱内部设置有电机，带动所述B终端的所述发射光镜头与所述B终端的所述阵列型激光告警器共同运动。

4.根据权利要求1所述的一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的装置，其特征在于：所述阵列型激光告警器为角分辨率为15度的中精度阵列型激光告警器。

5.根据权利要求1所述的一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的装置，其特征在于：所述B终端发射的激光束散角为8mrad。

6.一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、B终端凝视，等待接收A终端发射的激光；

步骤2、B终端接收A终端发射的激光，阵列型激光告警器确定A终端所在的不确定区域α，将不确定区域等分，分为不确定区域1及不确定区域2，不确定区域1及不确定区域2大小均为0.5α；

步骤3、判断B终端上接收到激光的区域与发射光镜头的相对位置，做出对应的调整；

步骤4、根据步骤3，B终端运动到相应位置，通过扫描策略确定凝视时间T；

步骤5、判断B终端是否接收到激光，从而确定A终端所在的不确定区域；

步骤6、判断当前确定的A终端所在的不确定区域是否满足要求，若满足要求，将B终端的发射光镜头移动到当前确定的A终端所在的不确定区域中心，完成全光捕获初始指向；若不满足要求则转至步骤3。

7.根据权利要求6所述的一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的方法，其特征在于，步骤3中判断B终端上接收到激光的区域与发射光镜头的相对位置包括以下两种情况：

情况一：若接收到激光的区域在发射光镜头的左侧，则B终端逆时针旋转当前确定的不确定区域的1/2；

情况二：若接收到激光的区域在发射光镜头的右侧，B终端顺时针旋转当前确定的不确定区域的1/2。

8.根据权利要求7所述的一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的方法，其特征在于：步骤4中的扫描策略为分行扫描策略、螺旋扫描策略、分行式螺旋扫描策略。

9.根据权利要求8所述的一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的方法，其特征在于，步骤5的具体情况如下：若接收到激光，则判定A终端在不确定区域为1中，若未收到激光，则判定A终端在不确定区域为2中。

10.根据权利要求9所述的一种提升无人机激光通信全光捕获初始指向精度的方法，其特征在于：步骤6中判断当前确定的A终端所在的不确定区域是否满足要求与B终端的束散角大小、平台振动大小、是否有信标光、扫描策略相关。