CN117560076B - 星地激光通信链路测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光通信领域，提供一种星地激光通信链路测试系统及方法，系统包括：工业相机、微调云台、同轴标校组件、第一光源及测试设备；工业相机靠近激光星载端设置，激光星载端和工业相机均安装于微调云台上，同轴标校组件设于激光地面端，第一光源设于激光星载端，测试设备分别设于激光星载端和激光地面端。本发明提供的方案，通过同轴标校组件可对激光星载端和工业相机进行同轴标校，利用同轴标校后的工业相机配合微调云台实现对激光星载端的标定，通过第一光源发射的下行光信号实现对激光地面端的标定，利用测试设备对标定后的激光地面端与激光星载端之间的通信链路进行通信测试，可得到更加准确和可靠的测试结果。

Description

星地激光通信链路测试系统及方法

技术领域

本发明涉及激光通信技术领域，尤其涉及一种星地激光通信链路测试系统及方法。

背景技术

在星地激光通信过程中，由于大气环境复杂多变，大气湍流对激光通信链路的跟踪性能和数据传输性能均有较大影响，进而影响激光星载端与激光地面端的通信质量，因此，对星地激光通信链路进行有效的测试至关重要。

相关技术中，星地激光通信链路测试过程中，由于激光星载端与激光地面端未经过有效的对准标定，导致建链后的测试环节测试结果存在较大的偏差。因此，传统的星地激光通信链路测试过程存在准确性和可靠性不足的问题。

发明内容

本发明提供一种星地激光通信链路测试系统及方法，用以解决传统星地激光通信链路测试方案准确性和可靠性不足的缺陷。

第一方面，本发明提供一种星地激光通信链路测试系统，包括：工业相机、微调云台、同轴标校组件、第一光源及测试设备；

所述工业相机靠近激光星载端设置，所述激光星载端和所述工业相机均安装于所述微调云台上，所述同轴标校组件设于激光地面端，所述第一光源设于所述激光星载端，所述测试设备分别设于所述激光星载端和所述激光地面端；

所述同轴标校组件用于发出激光信号，并将所述激光信号转换为平行光信号，所述平行光信号照射所述激光星载端和所述工业相机，以使所述激光星载端和所述工业相机根据所述平行光信号进行同轴标校，得到同轴标校后的激光星载端和工业相机；

所述第一光源用于发射下行光信号，所述激光地面端在探测到所述下行光信号后，基于所述下行光信号调整地端方位角和地端俯仰角，得到标定后的激光地面端；所述激光地面端还用于发射上行光信号，同轴标校后的工业相机在探测到所述上行光信号后，根据所述上行光信号通过所述微调云台，同步调整同轴标校后的激光星载端的星端方位角和星端俯仰角，得到标定后的激光星载端；

所述测试设备用于对所述标定后的激光地面端与所述标定后的激光星载端之间的通信链路进行通信测试，得到测试结果。

根据本发明实施例提供的星地激光通信链路测试系统，所述同轴标校组件包括：第二光源、发射光纤以及平行光管；

所述第二光源设于所述激光地面端，所述发射光纤和所述平行光管设于所述第二光源与所述激光星载端和所述工业相机之间；

所述第二光源用于发出激光信号，所述激光信号通过所述发射光纤从所述平行光管的焦点处准直输入，并经所述平行光管后输出平行光信号。

根据本发明实施例提供的星地激光通信链路测试系统，所述激光星载端和所述工业相机根据所述平行光进行同轴标校，得到同轴标校后的激光星载端和工业相机，包括：

在所述激光星载端探测到所述平行光信号后，根据所述激光星载端捕获到的所述平行光信号的成像光斑所在位置，通过所述微调云台调整星端指向角度，直至所述激光星载端捕获到的成像光斑处于图像中心位置，得到同轴标校后的激光星载端；

在所述工业相机探测到所述平行光信号后，根据所述工业相机捕获到的所述平行光信号的成像光斑所在位置，调整相机指向角度，直至所述工业相机捕获到的成像光斑处于图像中心位置，得到同轴标校后的工业相机。

根据本发明实施例提供的星地激光通信链路测试系统，所述激光地面端在探测到所述下行光信号后，基于所述下行光信号调整地端方位角和地端俯仰角，得到标定后的激光地面端，包括：

所述激光地面端在探测到所述下行光信号后，基于激光地面端的经纬高数据和激光星载端的经纬高数据，确定标定起始时刻激光地面端的地端方位角和地端俯仰角；

根据所述下行光信号的成像光斑所在位置，在所述标定起始时刻激光地面端的地端方位角和地端俯仰角的基础上，调整地端方位角和地端俯仰角；

直至所述下行光信号的成像光斑处于图像中心位置，得到标定后的激光地面端。

根据本发明实施例提供的星地激光通信链路测试系统，基于激光地面端的经纬高数据和激光星载端的经纬高数据，确定标定起始时刻激光地面端的地端方位角和地端俯仰角，包括：

基于激光地面端的经纬高数据，计算得到激光地面端的第一曲率半径和第二曲率半径；

基于激光地面端的经纬高数据、激光星载端的经纬高数据、所述第一曲率半径以及所述第二曲率半径，计算得到标定起始时刻激光地面端的地端方位角和地端俯仰角。

根据本发明实施例提供的星地激光通信链路测试系统，同轴标校后的工业相机在探测到所述上行光信号后，根据所述上行光信号通过所述微调云台，同步调整同轴标校后的激光星载端的星端方位角和星端俯仰角，得到标定后的激光星载端，包括：

同轴标校后的工业相机在探测到所述上行光信号后，根据所述上行光信号的成像光斑所在位置，调整所述微调云台的位姿角度，以同步调整同轴标校后的激光星载端的星端方位角和星端俯仰角；

直至同轴标校后的工业相机捕获到上行光信号的成像光斑处于图像中心位置，得到标定后的激光星载端。

根据本发明实施例提供的星地激光通信链路测试系统，所述测试设备包括第一测试组件和第二测试组件，所述第一测试组件设于激光地面端，所述第二测试组件设于激光星载端；

所述第一测试组件包括第一光衰减器、第一分束器以及第一光功率计，所述第一光衰减器和所述第一分束器均设于所述激光地面端的通信分系统与光学望远镜之间，所述第一光功率计与所述第一分束器相连；

所述第二测试组件包括第二光衰减器、第二分束器以及第二光功率计，所述第二光衰减器和所述第二分束器均设于所述激光星载端的处理机与光学头之间，所述第二光功率计与所述第二分束器相连。

根据本发明实施例提供的星地激光通信链路测试系统，对所述标定后的激光地面端与所述标定后的激光星载端之间的通信链路进行通信测试，得到测试结果，包括：

在不同时刻和不同天气状态下，根据所述通信分系统产生的上行调制信号，调整所述第一光衰减器的光衰减量，以在不同测量功率和不同大气湍流条件下，对所述标定后的激光地面端与所述标定后的激光星载端之间的上行通信链路进行通信测试，得到第一子结果；

在不同时刻和不同天气状态下，根据所述处理机产生的下行调制信号，调整所述第二光衰减器的光衰减量，以在不同测量功率和不同大气湍流条件下，对所述标定后的激光地面端与所述标定后的激光星载端之间的下行通信链路进行通信测试，得到第二子结果；

将所述第一子结果和所述第二子结果作为测试结果。

根据本发明实施例提供的星地激光通信链路测试系统，所述第一子结果包括激光星载端的捕获跟踪状态、位同步和帧同步锁定状态、接收信号误码率以及跟踪误差；

所述第二子结果包括激光地面端的捕获跟踪状态、位同步和帧同步锁定状态、接收信号误码率以及跟踪误差。

第二方面，本发明实施例还提供一种星地激光通信链路测试方法，该方法基于如上任一种所述的星地激光通信链路测试系统，所述方法包括：

通过同轴标校组件发出激光信号，并将所述激光信号转换为平行光信号，以使激光星载端和工业相机根据所述平行光信号进行同轴标校，得到同轴标校后的激光星载端和工业相机；

通过第一光源发射下行光信号，在激光地面端探测到所述下行光信号后，基于所述下行光信号调整地端方位角和地端俯仰角，得到标定后的激光地面端；

在同轴标校后的工业相机探测到激光地面端发射的上行光信号后，根据所述上行光信号通过微调云台，同步调整同轴标校后的激光星载端的星端方位角和星端俯仰角，得到标定后的激光星载端；

通过测试设备对所述标定后的激光地面端与所述标定后的激光星载端之间的通信链路进行通信测试，得到测试结果。

本发明提供的星地激光通信链路测试系统及方法，通过同轴标校组件传输的平行光信号可以对激光星载端和工业相机进行同轴标校，利用同轴标校后的工业相机配合微调云台，可以更加便捷的实现对激光星载端的标定，通过第一光源发射的下行光信号，可以实现对激光地面端的标定，后续利用测试设备对标定后的激光地面端与标定后的激光星载端之间的通信链路进行通信测试，可以得到更加准确和可靠的测试结果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的星地激光通信链路测试系统的结构示意图；

图2是激光地面端与激光星载端的安装场景示意图；

图3是工业相机和激光星载端的安装结构示意图；

图4是同轴标校组件的结构示意图；

图5是视场调整环节的实现原理示意图；

图6是视轴调整环节的实现原理示意图；

图7是测试设备的结构示意图；

图8是星地激光通信链路测试系统的应用流程示意图；

图9是本发明实施例提供的星地激光通信链路测试方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的实施方式。虽然附图中显示了本发明的实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本实施例涉及激光通信领域，具体可以应用于对激光地面端与激光星载端进行通信测试的场景中。在星地激光通信中，大气折射率随机起伏变化，湍流效应将改变光束光场的随机变化，宏观上表现为光场空间相干性退化、光束漂移起伏、到达角起伏等。

大气信道中的气溶胶对激光传输的吸收和散射作用以及大气湍流导致信号光的强度闪烁，都将严重降低信号光功率，导致接收端信号光的光束质量变差，接收信号信噪比降低，从而降低星地激光通信过程的通信性能和通信链路的可靠性。除了雨、云、雾等极端天气条件，天气条件较好的情况下，大气湍流、大气散射以及大气吸收都会对星地激光光束质量造成影响。

不难发现，星地激光通信受大气湍流影响严重，主要影响星地激光链路跟踪性能和星地激光链路数据传输性能。在激光地面端进行真实的大气湍流条件下的无线链路测试，可以在激光星载端发射上天前，对星地捕获、建链、跟踪、通信等功能进行有效验证，并可在无线链路中提前发现大气湍流引起的捕获跟踪困难、光纤耦合效率低、信道衰落导致的通信困难、通信失锁等问题，便于后续通过对问题分析、测试和解决，进而优化捕获跟踪、通信等性能，对星地激光通信应用意义重大。

然而，由于传统的星地激光通信链路测试过程中，由于激光星载端与激光地面端未经过有效的对准标定，导致测试环节测试结果存在较大的偏差，测试过程存在准确性和可靠性不足的问题。

据此，本发明实施例提供了上述问题的解决方案，下面结合图1至图9描述本发明实施例提供的星地激光通信链路测试系统及方法的细节方案。

参见图1，本发明实施例提供一种星地激光通信链路测试系统，该系统用于对激光地面端与激光星载端进行对准标定和通信测试，该系统具体包括：工业相机110、微调云台120、同轴标校组件130、第一光源140及测试设备150。

工业相机110靠近激光星载端160设置，激光星载端160和工业相机110均安装于微调云台120上，同轴标校组件130设于激光地面端170，第一光源140设于激光星载端160，测试设备150分别设于激光星载端160和激光地面端170。

同轴标校组件130用于发出激光信号，并将激光信号转换为平行光信号，平行光信号照射激光星载端160和工业相机110，以使激光星载端160和工业相机110根据平行光信号进行同轴标校，得到同轴标校后的激光星载端160和工业相机110。

第一光源140用于发射下行光信号，激光地面端170在探测到下行光信号后，基于下行光信号调整地端方位角和地端俯仰角，得到标定后的激光地面端170；激光地面端170还用于发射上行光信号，同轴标校后的工业相机110在探测到上行光信号后，根据上行光信号通过微调云台120，同步调整同轴标校后的激光星载端160的星端方位角和星端俯仰角，得到标定后的激光星载端160。

测试设备150用于对标定后的激光地面端170与标定后的激光星载端160之间的通信链路进行通信测试，得到测试结果。

可以理解的是，本实施例中工业相机110、微调云台120、同轴标校组件130、第一光源140主要用于建链前对激光星载端160和激光地面端170进行对准标定，测试设备150主要用于建链后对标定后激光星载端160与激光地面端170之间的通信链路进行通信测试，从而可以得到更加准确和可靠的测试结果。

一些实施例中，工业相机110可以采用宽视场相机，由于激光星载端160的视场较小，在与激光地面端170进行初始对准时，如果激光星载端160指向存在偏差，可能探测不到激光地面端170发射的上行光信号。为了能在大范围内快速探测到上行光信号，本实施例设置工业相机110，用于辅助激光星载端160对准激光地面端170。

实际应用中，星地激光通信链路测试系统可以应用于室外空旷环境，也就是将室外空旷环境作为测试环境，其中激光地面端可以放置于厂房地面上，且厂房面向激光星载端的方向开窗，激光星载端可以放置于高建筑物室内或楼顶，激光星载端放置于高建筑物室内时，需要使激光星载端靠窗，且面向激光地面端。

本实施例中，激光地面端与激光星载端之间的直线距离需要大于1千米，且周围无遮挡。图2示例性的示出了激光星载端160和激光地面端170的一种安装场景，参见图2，激光星载端160安装于高建筑物楼顶，激光地面端170安装于厂房内。

一些实施例中，激光地面端170可以由市电进行供电；设于高建筑物室内的激光星载端160也可以用市电供电，如果将激光星载端160设于楼顶，则可以使用户外电源供电，电源功率可以在200W以上。

在一个具体实现中，参见图3，工业相机110和激光星载端160可以安装于微调云台120上，微调云台120可以通过便携式支腿310架设于高建筑物室内或者楼顶。

在一实施例中，参见图4，同轴标校组件包括：第二光源410、发射光纤420以及平行光管430。

第二光源410设于激光地面端，发射光纤420和平行光管430设于第二光源410与激光星载端160和工业相机110之间。

第二光源410用于发出激光信号，激光信号通过发射光纤420从平行光管430的焦点处准直输入，并经平行光管430后输出平行光信号。

可以理解的是，由于激光星载端160的视场较小，在与激光地面端进行初始对准时，若激光星载端160指向稍有偏差，则无法探测到上行光信号。为了能在大范围内快速探测到上行光信号，本实施例采用工业相机110来辅助对准。通过调整架设于便携式支腿310上的微调云台120的转向，首先由工业相机110探测到上行光信号，然后调整微调云台120，使得工业相机110的成像光斑处于图像中心位置处，此时激光星载端160可以探测到上行光信号，从而可以提高初始对准的效率。

需要说明的是，在初始对准环节中，激光星载端160和工业相机110的探测方向需要保持一致，即激光星载端160的视轴与工业相机110的视轴需要平行，本实施例在初始对准之前，先通过同轴标校操作使激光星载端160的视轴与工业相机110的视轴平行，以保证初始对准的准确性。

实际应用中，工业相机110和激光星载端160之间的同轴标校，可采用平行光管标校或观星标校，本实施例采用平行光管标校。

在一实施例中，激光星载端和工业相机根据平行光进行同轴标校，得到同轴标校后的激光星载端和工业相机，具体包括：

在激光星载端探测到平行光信号后，根据激光星载端捕获到的平行光信号的成像光斑所在位置，通过微调云台调整星端指向角度，直至激光星载端捕获到的成像光斑处于图像中心位置，得到同轴标校后的激光星载端。

在工业相机探测到平行光信号后，根据工业相机捕获到的平行光信号的成像光斑所在位置，调整相机指向角度，直至工业相机捕获到的成像光斑处于图像中心位置，得到同轴标校后的工业相机。

可以理解的是，同轴标校操作之前，需要先使工业相机110和激光星载端160均可以探测到平行光信号，该过程可以分为两个环节，第一个环节为视场调整环节，如图5所示，主要通过调整微调云台，使同轴标校组件发送的平行光信号处于工业相机110的视场a₁内，此时工业相机110可以探测到平行光信号，此时平行光信号不在激光星载端160的视场b₁内，激光星载端160无法探测到平行光信号，此种情形下，工业相机110的视轴n₁以及激光星载端160的视轴m₁均没有指向平行光信号所在方向。

第二个环节为视轴调整环节，主要将工业相机110的视轴对准平行光信号所在方向，如图6所示，此时平行光信号同时处于工业相机110内的视场a₂和激光星载端160的视场b₂内，且工业相机110的视轴n₂指向平行光信号所在方向，激光星载端160和工业相机均可以探测到平行光信号，但激光星载端160的视轴m₂没有指向平行光信号所在方向。

上述操作结束后，再进一步调整激光星载端160的视轴和工业相机110的视轴，使两个视轴均指向平行光信号所在方向，此时两个视轴平行，探测方向一致。

在同轴标校阶段结束后，可以在同轴标校结果的基础上，进一步对激光地面端和激光星载端进行粗对准标定，确定标定后的激光地面端和标定后的激光星载端。

需要说明的是，在粗对准标定环节，考虑到激光地面端的视场要远比激光星载端的视场宽，因此可以先对激光地面端进行粗对准标定，再对激光星载端进行粗对准标定，以保证粗对准标定环节的效率。

在一实施例中，激光地面端在探测到下行光信号后，基于下行光信号调整地端方位角和地端俯仰角，得到标定后的激光地面端，即对激光地面端进行粗对准标定，具体包括：

第一步，激光地面端在探测到下行光信号后，基于激光地面端的经纬高数据和激光星载端的经纬高数据，确定标定起始时刻激光地面端的地端方位角和地端俯仰角。

该步骤主要针对的是激光地面端是首次执行任务的情形，此时由于没有历史记录数据作为标定依据，需要根据激光地面端的经纬高数据和激光星载端的经纬高数据，确定标定任务开始时激光地面端初始的地端方位角和地端俯仰角。

如果激光地面端并非首次执行任务，已经存储有历史数据，也可以直接将历史存储的先前精确对准时的地端方位角和地端俯仰角作为本次标定起始时刻的地端方位角和地端俯仰角。

第二步，根据下行光信号的成像光斑所在位置，在标定起始时刻激光地面端的地端方位角和地端俯仰角的基础上，调整地端方位角和地端俯仰角。

本实施例中，可以在标定起始时刻激光地面端的地端方位角和地端俯仰角的基础上，进一步调整激光地面端的视轴，具体可以上下左右拉偏，以试图探测下行光信号。当接收到下行光信号后，根据成像光斑所在位置，逐步调整、对准。

第三步，直至下行光信号的成像光斑处于图像中心位置，得到标定后的激光地面端。

通过不断调整，最终可以使成像光斑处于图像中心位置，则本次对激光地面端的粗对准标定结束，记录此时激光地面端的地端方位角和地端俯仰角。可以理解的是，地端方位角和地端俯仰角可以表征激光地面端指向激光星载端时具体的位姿状态。

在一实施例中，基于激光地面端的经纬高数据和激光星载端的经纬高数据，确定标定起始时刻激光地面端的地端方位角和地端俯仰角，具体包括：

首先，基于激光地面端的经纬高数据，计算得到激光地面端的第一曲率半径和第二曲率半径。

本实施例中，设激光地面端的经度、纬度和高度分别为L ₀、B ₀、H ₀，激光星载端的经度、纬度和高度分别为L、B、H，第一曲率半径的计算公式具体如下：

（1）

第二曲率半径的计算公式如下：

（2）

其中，M ₀为第一曲率半径，N ₀为第二曲率半径，为地球长半轴，/>为地球偏心率，B ₀为激光地面端的纬度。

然后，基于激光地面端的经纬高数据、激光星载端的经纬高数据、第一曲率半径以及第二曲率半径，计算得到标定起始时刻激光地面端的地端方位角和地端俯仰角。

本实施例中，由正北起算，标定起始时刻激光地面端的地端方位角和地端俯仰角的计算公式分别如下：

（3）

（4）

其中，为地端方位角，/>为地端俯仰角，M ₀为第一曲率半径，N ₀为第二曲率半径，L ₀、B ₀、H ₀分别为激光地面端的经度、纬度和高度，L、B、H分别为激光星载端的经度、纬度和高度，/>为反正切函数。

在一实施例中，同轴标校后的工业相机在探测到上行光信号后，根据上行光信号通过微调云台，同步调整同轴标校后的激光星载端的星端方位角和星端俯仰角，得到标定后的激光星载端，即对激光星载端的粗对准标定过程，具体包括：

首先，同轴标校后的工业相机在探测到上行光信号后，根据上行光信号的成像光斑所在位置，调整微调云台的位姿角度，以同步调整同轴标校后的激光星载端的星端方位角和星端俯仰角。

然后，直至同轴标校后的工业相机捕获到上行光信号的成像光斑处于图像中心位置，得到标定后的激光星载端。

在对激光星载端进行粗对准标定环节，激光地面端向激光星载端发射上行光信号，通过调整微调云台的方位和俯仰，可以使工业相机探测到上行光信号，根据工业相机探测到的上行光信号的成像光斑所在位置，对微调云台进行逐步调整、对准，直至工业相机探测到的成像光斑处于图像中心位置，由于激光星载端与工业相机同轴，此时激光星载端的视场内可探测到上行光信号，此时对激光星载端的粗对准标定环节结束。

不难发现，由于激光星载端的视场较小，本实施例采用宽视场的工业相机作为引导，可快速实现对激光星载端的粗对准标定。

在激光地面端与激光星载端完成粗对准标定后，二者分别进入自跟踪状态，即可实现精确对准，之后可以对建链后的激光地面端与激光星载端之间的通信链路进行通信测试。一些实施例中，可以记录精确对准时激光地面端的地端方位角和地端俯仰角，作为下次对激光地面端的粗对准标定环节的初始指向依据。

在一实施例中，参见图7，测试设备包括第一测试组件和第二测试组件，第一测试组件设于激光地面端，第二测试组件设于激光星载端；

第一测试组件包括第一光衰减器701、第一分束器702以及第一光功率计703，第一光衰减器701和第一分束器702均设于激光地面端的通信分系统704与光学望远镜705之间，第一光功率计703与第一分束器702相连。

第二测试组件包括第二光衰减器706、第二分束器707以及第二光功率计708，第二光衰减器706和第二分束器707均设于激光星载端的处理机709与光学头710之间，第二光功率计708与第二分束器707相连。

一方面，通信分系统704输出的上行光信号输入第一光衰减器701后，经第一光衰减器701可以调整上行光信号的光功率，进而将调整功率后的上行光信号经光学望远镜705以空间光信号的形式发送至光学头710，之后光学头710将探测到的上行光信号发送至第二分束器707，经第二分束器707处理后，得到的多束子光信号可以通过第二光功率计708测得功率数据。

另一方面，处理机709发出的下行光信号输入第二光衰减器706后，经第二光衰减器706可以调整下行光信号的光功率，进而将调整功率后的下行光信号经光学头710以空间光信号的形式发送至光学望远镜705，之后光学望远镜705将探测到的下行光信号发送至第一分束器702，经第一分束器702处理后，得到的多束子光信号可以通过第一光功率计703测得功率数据。

在一实施例中，对标定后的激光地面端与标定后的激光星载端之间的通信链路进行通信测试，得到测试结果，具体包括：

首先，在不同时刻和不同天气状态下，根据通信分系统产生的上行调制信号，调整第一光衰减器的光衰减量，以在不同测量功率和不同大气湍流条件下，对标定后的激光地面端与标定后的激光星载端之间的上行通信链路进行通信测试，得到第一子结果。

本实施例中，参见图7，由激光地面端的通信分系统704产生上行调制信号，经过第一光衰减器701后，由光学望远镜705发射上行空间光信号，上行空间光信号由激光星载端的光学头710接收，并通过处理机709进行解调。

该过程中，可以设置光学望远镜705的束散角，测试多档束散角，调节第一光衰减器701的光衰减量，使得激光星载端的第二光功率计708测得的光功率满足激光星载端的接收灵敏度要求，记录此时的光学望远镜705的束散角、第一光衰减器701的光衰减量、激光星载端的位同步和帧同步锁定状态、接收信号误码率以及跟踪误差等数据。

之后，减少第一光衰减器701的衰减量，比如分别减少5dB、10dB、15dB、20dB等，激光地面端定点凝视拉偏，然后进行捕获建链，测试激光星载端的捕获跟踪状态、位同步和帧同步锁定状态、接收信号误码率以及跟踪误差等数据。

实际应用中，可以在不同时刻和不同天气状态下进行测试，进而通过接收信号误码率和跟踪误差等数据，测试得到激光星载端的上行接收性能与天气状况的关系，即第一子结果，实现对上行通信链路的通信测试。

然后，在不同时刻和不同天气状态下，根据处理机产生的下行调制信号，调整第二光衰减器的光衰减量，以在不同测量功率和不同大气湍流条件下，对标定后的激光地面端与标定后的激光星载端之间的下行通信链路进行通信测试，得到第二子结果。

本实施例中，参见图7，由激光星载端的处理机709产生下行调制信号，经过第二光衰减器706后，由光学头710发射下行空间光信号，并由激光地面端接收和解调。

该过程中，调节第二光衰减器706的光衰减量，使得激光地面端的第一光功率计703测得的光功率满足激光地面端的接收灵敏度要求，记录此时的第二光衰减器706的衰减量、激光地面端的位同步和帧同步锁定状态、接收信号误码率、跟踪误差、成像光斑、耦合效率、解调星座图以及信号同步时间等数据。

之后，减少光衰减器B的衰减量，比如分别减少5dB、10dB、15dB、20dB等，激光地面端定点凝视拉偏，然后进行捕获建链，测试激光地面端的捕获跟踪状态、位同步和帧同步锁定状态、接收信号误码率、跟踪误差、成像光斑、耦合效率、解调星座图以及信号同步时间等数据。

实际应用中，可以在不同时刻和不同天气状态下进行测试，进而可以测得激光地面端的下行接收性能与天气状况的关系，即第二子结果，实现对下行通信链路的通信测试。

最后，将第一子结果和第二子结果作为测试结果。

在得到测试结果后，可根据测试结果分析大气湍流对激光通信的影响。以上行通信链路为例，参见图7，当没有大气湍流时，上行束散角为 ₁，第一光衰减器701的光衰减量为A₁时，第二光功率计708测得的功率为接收灵敏度P_min，此时位同步状态为锁定，且帧同步状态为锁定，误码率小于1E-6，跟踪误差为合理范围。

当存在大气湍流时，此时捕获建链环节捕获概率降低，将出现位同步状态可能失锁、帧同步状态可能失锁、误码率变大、跟踪误差变大、信号同步时间变长、成像光斑弥散、耦合效率变低、解调星座图变差等现象。为了捕获建链和激光通信正常，需要提高发射功率，即减小第一光衰减器701的光衰减量，且大气湍流越严重，需要的发射功率越大。

不难发现，本实施例通过在不同天气状态下进行无线链路的通信测试，可以定量分析出不同天气状态下的捕获跟踪性能、通信性能，进而可以为星地激光通信应用提供有效的数据依据。

在一实施例中，第一子结果包括激光星载端的捕获跟踪状态、位同步和帧同步锁定状态、接收信号误码率以及跟踪误差；

第二子结果包括激光地面端的捕获跟踪状态、位同步和帧同步锁定状态、接收信号误码率以及跟踪误差。

可以理解的是，本实施例中第一子结果不仅可以包含上述测试得到的数据，还可以包含对上述数据统计得到的上行接收性能与天气状况的关系，同样地，第二子结果不仅包含上述测试得到的数据，还可以包含下行接收性能与天气状况的关系。

下面结合图8对本发明实施例提供的星地激光通信链路测试系统的应用流程进行说明，具体包括：

步骤801：在测试开始后，首先判断激光星载端与工业相机是否已完成同轴标校。

步骤802：如果步骤801的判断结果为否，则将激光星载端与工业相机进行同轴标校。

步骤803：如果步骤801的判断结果为是，则部署好激光星载端和激光地面端之后，判断是否是首次任务，也就是判断激光地面端是否记录有地端方位角和地端俯仰角。

步骤804：如果步骤803的判断结果为是，则对激光地面端进行粗对准标定。

步骤805：如果步骤803的判断结果为否，则可以直接根据记录的地端方位角和地端俯仰角进行后续测试。

步骤806：之后，激光地面端定点凝视。

步骤807：对激光星载端进行粗对准标定。

步骤808：激光地面端定点凝视拉偏；

步骤809：激光地面端与粗对准标定后的激光星载端捕获建链，二者进行精确对准。

步骤810：记录精确对准时的地端方位角和地端俯仰角，以作为下次通信测试前的初始指向。

步骤811：对建链后的激光地面端与激光星载端进行通信测试，得到测试结果，整个流程结束。

本发明实施例提供的星地激光通信链路测试系统，至少存在如下有益效果：

第一，链路初始对准快，根据激光地面端和激光星载端的经纬高数据，可快速计算出激光地面端的初始指向，再结合下行光信号作为引导，可快速完成上行链路对准，即激光地面端的粗对准标定。

第二，通过设置工业相机，由工业相机捕获上行光信号，引导激光星载端确定初始指向，可快速实现下行链路对准，即激光星载端的粗对准标定。

第三，该系统可在卫星发射上天前完成真实大气湍流条件下的星地捕获、建链、跟踪、通信等功能测试，对星地激光通信应用意义重大，搭建该系统后，测试过程操作简单，易于上手，简单实用。

基于同一总的发明构思，本发明还保护一种星地激光通信链路测试方法，下面对本发明提供的星地激光通信链路测试方法进行描述，下文描述的星地激光通信链路测试方法与上文描述的星地激光通信链路测试方法系统可相互对应参照。

参见图9，本发明实施例提供一种星地激光通信链路测试方法，该方法基于上述各实施例所提供的星地激光通信链路测试系统实现，该方法具体包括：

步骤910：通过同轴标校组件发出激光信号，并将激光信号转换为平行光信号，以使激光星载端和工业相机根据平行光信号进行同轴标校，得到同轴标校后的激光星载端和工业相机。

步骤920：通过第一光源发射下行光信号，在激光地面端探测到下行光信号后，基于下行光信号调整地端方位角和地端俯仰角，得到标定后的激光地面端。

步骤930：在同轴标校后的工业相机探测到激光地面端发射的上行光信号后，根据上行光信号通过微调云台，同步调整同轴标校后的激光星载端的星端方位角和星端俯仰角，得到标定后的激光星载端。

步骤940：通过测试设备对标定后的激光地面端与标定后的激光星载端之间的通信链路进行通信测试，得到测试结果。

关于上述实施例中的方法，其中同轴标校组件、工业相机、第一光源以及测试设备执行操作的具体方式已经在有关系统的实施例中进行了详细描述，此处将不再做详细阐述说明。

综上所述，本发明实施例提供的星地激光通信链路测试方法，通过同轴标校组件传输的平行光信号可以对激光星载端和工业相机进行同轴标校，利用同轴标校后的工业相机配合微调云台，可以更加便捷的实现对激光星载端的标定，通过第一光源发射的下行光信号，可以实现对激光地面端的标定，后续利用测试设备对标定后的激光地面端与标定后的激光星载端之间的通信链路进行通信测试，可以得到更加准确和可靠的测试结果。

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，而非对其限制；尽管参照前述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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种星地激光通信链路测试系统，其特征在于，包括：工业相机、微调云台、同轴标校组件、第一光源及测试设备；其中，所述工业相机、微调云台、同轴标校组件以及第一光源用于建链前对激光星载端和激光地面端进行对准标定；

所述工业相机靠近激光星载端设置，所述激光星载端和所述工业相机均安装于所述微调云台上，所述同轴标校组件设于激光地面端，所述第一光源设于所述激光星载端，所述测试设备分别设于所述激光星载端和所述激光地面端；

所述同轴标校组件用于发出激光信号，并将所述激光信号转换为平行光信号，所述平行光信号照射所述激光星载端和所述工业相机，以使所述激光星载端和所述工业相机根据所述平行光信号进行同轴标校，得到同轴标校后的激光星载端和工业相机；在同轴标校操作之前，先使工业相机和激光星载端均探测到平行光信号，该过程分为两个环节，第一个环节为视场调整环节，通过调整微调云台，使同轴标校组件发送的平行光信号处于工业相机的视场内，此时工业相机探测到平行光信号，激光星载端无法探测到平行光信号，工业相机的视轴以及激光星载端的视轴均没有指向平行光信号所在方向；第二个环节为视轴调整环节，将工业相机的视轴对准平行光信号所在方向，此时平行光信号同时处于工业相机的视场内和激光星载端的视场内，且工业相机的视轴指向平行光信号所在方向，激光星载端和工业相机均探测到平行光信号，但激光星载端的视轴没有指向平行光信号所在方向；上述操作结束后，再进一步调整激光星载端的视轴和工业相机的视轴，使两个视轴均指向平行光信号所在方向，此时两个视轴平行，探测方向一致；

所述第一光源用于发射下行光信号，所述激光地面端在探测到所述下行光信号后，基于激光地面端的经纬高数据，计算得到激光地面端的第一曲率半径和第二曲率半径，其中，所述第一曲率半径的计算公式具体如下：

所述第二曲率半径的计算公式如下：

式中，M ₀为第一曲率半径，N ₀为第二曲率半径，为地球长半轴，/>为地球偏心率，B ₀为激光地面端的纬度；

基于激光地面端的经纬高数据、激光星载端的经纬高数据、所述第一曲率半径以及所述第二曲率半径，计算得到标定起始时刻激光地面端的地端方位角和地端俯仰角，其中，由正北起算，标定起始时刻激光地面端的地端方位角和地端俯仰角的计算公式分别如下：

式中，为地端方位角，/>为地端俯仰角，M ₀为第一曲率半径，N ₀为第二曲率半径，L ₀、B ₀、H ₀分别为激光地面端的经度、纬度和高度，L、B、H分别为激光星载端的经度、纬度和高度，为反正切函数；

根据所述下行光信号的成像光斑所在位置，在所述标定起始时刻激光地面端的地端方位角和地端俯仰角的基础上，调整地端方位角和地端俯仰角；直至所述下行光信号的成像光斑处于图像中心位置，得到标定后的激光地面端；

所述激光地面端还用于发射上行光信号，同轴标校后的工业相机在探测到所述上行光信号后，根据所述上行光信号通过所述微调云台，同步调整同轴标校后的激光星载端的星端方位角和星端俯仰角，得到标定后的激光星载端；

所述测试设备用于对所述标定后的激光地面端与所述标定后的激光星载端之间的通信链路进行通信测试，得到测试结果。

2.根据权利要求1所述的星地激光通信链路测试系统，其特征在于，所述同轴标校组件包括：第二光源、发射光纤以及平行光管；

所述第二光源设于所述激光地面端，所述发射光纤和所述平行光管设于所述第二光源与所述激光星载端和所述工业相机之间；

所述第二光源用于发出激光信号，所述激光信号通过所述发射光纤从所述平行光管的焦点处准直输入，并经所述平行光管后输出平行光信号。

3.根据权利要求1所述的星地激光通信链路测试系统，其特征在于，所述激光星载端和所述工业相机根据所述平行光进行同轴标校，得到同轴标校后的激光星载端和工业相机，包括：

在所述激光星载端探测到所述平行光信号后，根据所述激光星载端捕获到的所述平行光信号的成像光斑所在位置，通过所述微调云台调整星端指向角度，直至所述激光星载端捕获到的成像光斑处于图像中心位置，得到同轴标校后的激光星载端；

在所述工业相机探测到所述平行光信号后，根据所述工业相机捕获到的所述平行光信号的成像光斑所在位置，调整相机指向角度，直至所述工业相机捕获到的成像光斑处于图像中心位置，得到同轴标校后的工业相机。

4.根据权利要求1所述的星地激光通信链路测试系统，其特征在于，同轴标校后的工业相机在探测到所述上行光信号后，根据所述上行光信号通过所述微调云台，同步调整同轴标校后的激光星载端的星端方位角和星端俯仰角，得到标定后的激光星载端，包括：

同轴标校后的工业相机在探测到所述上行光信号后，根据所述上行光信号的成像光斑所在位置，调整所述微调云台的位姿角度，以同步调整同轴标校后的激光星载端的星端方位角和星端俯仰角；

直至同轴标校后的工业相机捕获到上行光信号的成像光斑处于图像中心位置，得到标定后的激光星载端。

5.根据权利要求1所述的星地激光通信链路测试系统，其特征在于，所述测试设备包括第一测试组件和第二测试组件，所述第一测试组件设于激光地面端，所述第二测试组件设于激光星载端；

所述第一测试组件包括第一光衰减器、第一分束器以及第一光功率计，所述第一光衰减器和所述第一分束器均设于所述激光地面端的通信分系统与光学望远镜之间，所述第一光功率计与所述第一分束器相连；

所述第二测试组件包括第二光衰减器、第二分束器以及第二光功率计，所述第二光衰减器和所述第二分束器均设于所述激光星载端的处理机与光学头之间，所述第二光功率计与所述第二分束器相连。

6.根据权利要求5所述的星地激光通信链路测试系统，其特征在于，对所述标定后的激光地面端与所述标定后的激光星载端之间的通信链路进行通信测试，得到测试结果，包括：

在不同时刻和不同天气状态下，根据所述通信分系统产生的上行调制信号，调整所述第一光衰减器的光衰减量，以在不同测量功率和不同大气湍流条件下，对所述标定后的激光地面端与所述标定后的激光星载端之间的上行通信链路进行通信测试，得到第一子结果；

在不同时刻和不同天气状态下，根据所述处理机产生的下行调制信号，调整所述第二光衰减器的光衰减量，以在不同测量功率和不同大气湍流条件下，对所述标定后的激光地面端与所述标定后的激光星载端之间的下行通信链路进行通信测试，得到第二子结果；

将所述第一子结果和所述第二子结果作为测试结果。

7.根据权利要求6所述的星地激光通信链路测试系统，其特征在于，所述第一子结果包括激光星载端的捕获跟踪状态、位同步和帧同步锁定状态、接收信号误码率以及跟踪误差；

所述第二子结果包括激光地面端的捕获跟踪状态、位同步和帧同步锁定状态、接收信号误码率以及跟踪误差。

8.一种星地激光通信链路测试方法，其特征在于，基于如权利要求1至7任一项所述的星地激光通信链路测试系统，所述方法包括：

通过同轴标校组件发出激光信号，并将所述激光信号转换为平行光信号，以使激光星载端和工业相机根据所述平行光信号进行同轴标校，得到同轴标校后的激光星载端和工业相机；在同轴标校操作之前，先使工业相机和激光星载端均探测到平行光信号，该过程分为两个环节，第一个环节为视场调整环节，通过调整微调云台，使同轴标校组件发送的平行光信号处于工业相机的视场内，此时工业相机探测到平行光信号，激光星载端无法探测到平行光信号，工业相机的视轴以及激光星载端的视轴均没有指向平行光信号所在方向；第二个环节为视轴调整环节，将工业相机的视轴对准平行光信号所在方向，此时平行光信号同时处于工业相机的视场内和激光星载端的视场内，且工业相机的视轴指向平行光信号所在方向，激光星载端和工业相机均探测到平行光信号，但激光星载端的视轴没有指向平行光信号所在方向；上述操作结束后，再进一步调整激光星载端的视轴和工业相机的视轴，使两个视轴均指向平行光信号所在方向，此时两个视轴平行，探测方向一致；

通过第一光源发射下行光信号，在激光地面端在探测到所述下行光信号后，基于激光地面端的经纬高数据，计算得到激光地面端的第一曲率半径和第二曲率半径，其中，所述第一曲率半径的计算公式具体如下：

所述第二曲率半径的计算公式如下：

式中，M ₀为第一曲率半径，N ₀为第二曲率半径，为地球长半轴，/>为地球偏心率，B ₀为激光地面端的纬度；

基于激光地面端的经纬高数据、激光星载端的经纬高数据、所述第一曲率半径以及所述第二曲率半径，计算得到标定起始时刻激光地面端的地端方位角和地端俯仰角，其中，由正北起算，标定起始时刻激光地面端的地端方位角和地端俯仰角的计算公式分别如下：

式中，为地端方位角，/>为地端俯仰角，M ₀为第一曲率半径，N ₀为第二曲率半径，L ₀、B ₀、H ₀分别为激光地面端的经度、纬度和高度，L、B、H分别为激光星载端的经度、纬度和高度，为反正切函数；

根据所述下行光信号的成像光斑所在位置，在所述标定起始时刻激光地面端的地端方位角和地端俯仰角的基础上，调整地端方位角和地端俯仰角；直至所述下行光信号的成像光斑处于图像中心位置，得到标定后的激光地面端；

在同轴标校后的工业相机探测到激光地面端发射的上行光信号后，根据所述上行光信号通过微调云台，同步调整同轴标校后的激光星载端的星端方位角和星端俯仰角，得到标定后的激光星载端；

通过测试设备对所述标定后的激光地面端与所述标定后的激光星载端之间的通信链路进行通信测试，得到测试结果。