CN1777063B - 卫星激光通信端机的捕获系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种卫星激光通信端机的捕获系统，该端机的捕获系统包括了帧频可变的捕获传感器、焦距可变的聚焦光路和通带带宽可切换的滤光部件，在端机进行星体捕获时，捕获传感器及其处理电路处于低帧频状态，并调整聚焦光路处于短焦距状态，滤光部件处于宽带宽的星体捕获状态；得到通信端机的姿态数据后，将捕获传感器及其处理电路切换为高帧频状态，并调整聚焦光路处于长焦距状态，滤光部件处于窄带宽的状态，端机进入卫星激光通信状态。本发明在通信端机的设计中，把星敏感器的功能融合到其中，可实现不用扫描即可完成通信端机之间的捕获过程。

Description

卫星激光通信端机的捕获系统

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种卫星激光通信端机的捕获系统。

背景技术

卫星激光通信与传统的RF通信技术相比，具有数据率高、保密性好、体积小、重量轻、功耗低等优点，世界各国都展开了大量的研究工作。目前，由欧洲宇航局研制的SILEX系统，已经在空间实验成功，该系统包括两个飞行级的空间光通信终端，该卫星激光通信系统结构如图1所示，其工作过程是：在卫星激光通信捕获阶段，主动端机信标光模块发出信标光，并在机械万向节或扫描元件的驱动下扫描对方卫星的不确定范围，待对方卫星通信端机接收到光信号以后，调整自身的指向，并回馈一光束，主动端机在接收到对方的回馈信号以后，调整自身的姿态，把接收到的光斑调整到捕获传感器视场中心以及精跟传感器视场范围内，并且再次反馈回一束激光，对方卫星接收到回馈信号后，精确地调整端机的姿态，最终两个通信端机双向锁定，互相跟踪，完成捕获过程，接着端机即可进行通信过程，图中的快门主要是周期性地标定发射通道和接收通道的一致性。其中高轨道(GEO)空间光通信终端载于欧洲航天局的ARTEMIS同步卫星上，低轨道(LEO)空间光通信终端载于法国的地球观测卫星Spot 4上，该系统于2001年11月21日顺利建立了光通信链路。

卫星光通信的通信光的发散角一般为几十μrad，通信端机之间进行通信时必须互相精确对准。由于端机自身对准、校准误差，以及卫星姿态误差、轨道误差等因素的影响，通信端机的对准存在一个瞄准不确定角，这个角一般为正负零点几度。例如，欧洲的SILEX计划的瞄准不确定角为0.46°。由于存在如此之大的瞄准不确定角，就不可能直接用通信光对准对方卫星进行通信。目前，通常采用“信标光+扫描”模式进行通信，这种方案是采用较宽的信标光束(相对于通信光)，按照一定的扫描方式对不确定区域进行扫描，完成捕获过程，待对方端机接收到信号后，进行指向调整，然后反馈回一束光，双方经过不断的指向调整，最终双向锁定，链路建立。这种方案是目前国际上采用最广泛的方法，缺点是捕获时间较长(如3分钟)，另外，由于受卫星平台的振动、卫星之间的相对运动以及通信端机本身的机械噪声等因素的影响，在子区扫描时，存在漏扫的概率。

发明内容

本发明克服现有卫星激光通信设备的不足，提供一种卫星激光通信端机的捕获系统，可以通过精确确定通信端机的姿态，实现不用扫描即可完成通信端机之间的捕获过程。

本发明的技术内容：一种卫星激光通信端机的捕获系统，用于卫星激光通信端机进行星体捕获，其特征在于，卫星激光通信端机进行星体捕获时，端机的中央处理器根据星历表数据，调整其自身所带的万向节进行转动，对星体进行捕获、瞄准和定位，重复若干次以后，对所得到的星体数据、万向节的角度位置数据以及从卫星平台的陀螺仪所读取的姿态数据进行综合处理，通过星敏感器姿态数据确定算法得到通信端机的姿态数据，卫星激光通信端机根据姿态信息和星历表数据，对准对方目标卫星，卫星激光通信端机的捕获系统包括滤光部件、聚焦光路和捕获传感器及其高速数据处理电路，经端机精瞄转镜的入射光信号通过滤光部件和聚焦光路投射到捕获传感器上，其中，滤光部件为通带带宽可切换的滤光部件；聚焦光路为焦距可变的聚焦光路；捕获传感器为帧频可变的捕获传感器，在端机进行星体捕获时，捕获传感器及其处理电路处于低帧频状态，并调整聚焦光路处于短焦距状态，滤光部件处于宽带宽的星体捕获状态；精确得到通信端机的姿态数据后，端机进入卫星激光通信状态，将捕获传感器及其处理电路切换为高帧频状态，并调整聚焦光路处于长焦距状态，滤光部件处于窄带宽的状态。

端机的中央处理器控制帧频可变的捕获传感器及其处理电路处于高帧频状态或低帧频状态，捕获传感器的高、低帧频的切换是通过电路设置来实现。

焦距可变的聚焦光路可包括一组激光通信捕获聚焦透镜和一组星体捕获聚焦透镜，两组聚焦透镜分别固定在一可旋转的支架两端，窄带滤光元件与激光通信捕获聚焦透镜固定连接，在卫星激光通信模式下，旋转支架使激光通信捕获聚焦透镜及窄带滤光元件进入到成像光路中，对入射光聚焦成像；在星体捕获模式下，旋转支架使激光通信捕获聚焦透镜及窄带滤光元件移出成像光路，星体捕获聚焦透镜组进入到成像光路中，对入射光束聚焦成像。

焦距可变的聚焦光路可包括一组辅助聚焦透镜及一组聚焦透镜，辅助聚焦透镜和窄带滤光元件分别固定在一可旋转的支架两端，在卫星激光通信模式下，旋转支架使窄带滤光元件和聚焦透镜处于成像光路中，对入射光聚焦成像；在星体捕获模式下，旋转支架使窄带滤光元件移出成像光路，辅助聚焦透镜组进入到成像光路中，与聚焦透镜组合，对入射光束聚焦成像。

上述支架可以在电机的驱动下旋转，在支架上设有定位块，通过与光学背板上固定的定位螺钉配合，准确定位支架位置。

本发明的技术效果：本发明在通信的捕获阶段，利用端机本身所带的万向节进行转动，对一些恒星进行捕获、瞄准，然后转动通信端机万向节，对准另外的恒星进行瞄准、捕获，重复该过程，捕获了若干次以后(根据姿态定位要求，决定瞄准恒星的次数)，即可根据相关的公式，确定通信端机的姿态。利用所得到的自身的姿态信息及星历表，通信端机对准对方目标卫星，对方通信端机也按照本发明思路设计，并且其捕获视场角略大于瞄准不确定角，就可以在捕获阶段无需扫描瞄准不确定区域，目标卫星通信端机就可以收到光信号，完成捕获过程。例如，如果瞄准不确定角减小到500μrad以内，当信标光的发散角略大于等于500μrad时，对方目标卫星接收视场角取为也略大于500μrad，就可以实现不用扫描而完成捕获过程。

本发明大大简化了捕获过程，缩短了捕获时间，并明显增加捕获成功概率。

附图说明

下面结合附图，对本发明做出详细描述。

图1是一般卫星激光通信系统结构框图；

图2是本发明卫星通信端机结构框图；

图3是本发明第一种能实现焦距可变的聚焦光路及可切换的滤光部件结构图；

图4是图3的局部剖视图；

图5是本发明第二种能实现焦距可变的聚焦光路及可切换的滤光部件结构图；

图6是图5的局部剖视图。

1-激光通信捕获聚焦透镜组；2-星体捕获聚焦透镜组；3-捕获光电传感器；4-滤光原件；5-定位块；6-驱动电机；7-固定支架；8-定位调整螺钉；9-辅助透镜组。

具体实施方式

卫星激光通信端机由光学天线及机械驱动、精瞄转镜、通带带宽可切换的滤光部件、焦距可变的聚焦光路、帧频可变的捕获传感器及高速数据处理电路、快门、通信接收模块、信标光模块、通信光发射模块及超前瞄准模块、精瞄传感模块、光学背板、若干分光元件、各个模块与中央处理器的接口、中央处理器、以及中央处理器与卫星平台的接口等组成。其中卫星激光通信端机的捕获系统，主要用于捕获阶段的大视场光信号接收，也用于卫星激光通信的跟踪阶段，包括通带带宽可切换的滤光部件、焦距可变的聚焦光路、帧频可变的捕获传感器及高速数据处理电路，捕获传感器位于聚焦透镜组的焦面上。光学背板是用来安装各个模块、光学原件的平板。上述结构中每一个模块、部件及处理电路均与中央处理器通过接口相连接，以完成模块控制、信号读取、数据交换等过程。中央处理器与卫星平台也通过接口相连接，以进行数据的交换，这种数据交换包括中央处理器从卫星平台的陀螺仪读取卫星姿态的数据，利用这些数据，可对通信端机的最终姿态数据进行补偿，提高姿态确定精度。

图2中，光学天线及机械驱动主要用来完成激光束的发射、接收以及指向的调整，其上安装有精密测角的角度传感器，用来精确测量万向节的旋转角度。精瞄转镜是二维反射镜，它与精瞄传感模块配合，对发射和接收到的光束进行精确定位、调整。通信接收模块用来接收对方通信端机发射的通信激光。快门和角锥棱镜用来周期性标定出射通道和接收通道的一致性。

图2中的帧频可变的捕获传感器的积分时间是可变的，即帧频是可变的，这样，在瞄准星体时，采用的是低帧频工作模式，如10帧/秒，而在卫星激光通信时采用高帧频模式，如135帧/秒，两个频率的切换靠电路来实现。为降低传感器噪声，要对捕获传感器进行制冷。捕获传感器应配以高速数据处理电路，一方面要进行平滑、光斑定位等图象处理，另一方面要进行星图的匹配运算、坐标转换等大量的数据处理。端机在捕获星体过程中，卫星平台的姿态要发生变化，为保证端机自身姿态的确定精度，端机中央处理器可读取卫星平台上惯性元件，如陀螺仪给出的卫星姿态变化信息，从而修正卫星通信端机姿态的确定结果。

图2中的焦距可变的聚焦光路与传统的卫星激光通信系统聚焦光路的区别在于其焦距是可变的，即在通信端机瞄准星体时，其焦距相对较短，此时捕获传感器的捕获视场就较大，而在进行激光通信时(瞄准、捕获、跟踪过程)，其焦距较长，视场相对较小。

图2中通带带宽可切换的滤光部件与传统卫星激光通信的滤光部件相比，其通带的带宽是可调整的或可切换的，即在端机捕获星体时，其通带是较宽的可见光波段及近红外波段，如，其通带波长范围为390纳米至1000纳米，而在卫星激光通信阶段，其通带带宽是窄带的，如3纳米带宽。

上述通信端机主要有两种工作模式，一种是卫星激光通信模式，另一种是星体捕获模式。主动卫星激光通信系统在工作时，首先处于星体捕获模式下，此时中央处理器设置捕获传感器及其处理电路处于低帧频状态，并调整焦距可变的聚焦光路及通带带宽可切换的滤光部件，使之处于短焦距、宽带宽的星体捕获状态下，根据星历表数据，调整机械万向节对一颗或多颗星进行瞄准，此时接收到的星体光信号通过光学天线、精瞄转镜、分光镜、以及聚焦光路，投射到捕获传感器上，捕获、定位星体，然后转动通信端机的机械万向节，使得光学天线对准另外的一颗或多颗星体，捕获、定位星体。这个过程重复若干次以后，对所得到的星体数据、机械万向节的角度位置数据以及从陀螺仪所读取的卫星平台的姿态数据进行综合处理，运用星敏感器姿态确定算法，最终得到通信端机的姿态数据。随后，通信端机切换到卫星激光通信状态，中央处理器设置捕获传感器及其处理电路处于高帧频 状态，并调整焦距可变的聚焦光路及通带带宽可切换的滤光部件，使之处于长焦距、窄带宽的状态。主动通信端机根据姿态数据和星历表数据，对准对方通信卫星，发射信标光束，由于对方通信端机的设计也按照本发明的思想进行设计和工作，并且其捕获视场角大于瞄准不确定角，这样对方通信端机就可以直接接收到信标光信号，对方通信端机调整自身的指向，并发射回馈光束，主动通信端机接收回馈光束，经过光学天线、精瞄转镜、分光元件、滤光原件、聚焦光路，投射到卫星激光通信的捕获传感器上，通过调整主动端机粗瞄的万向节和精瞄转镜，使得端机精确对准对方卫星，通信光发射模块及超前瞄准模块发射回馈光，对方通信端机接收回馈光束，调整自身的指向，双方通信端机不断调整各自的指向，精确对准对方，最终达到双向锁定，即可进行激光通信。

焦距可变的聚焦光路及通带带宽可切换的滤光部件可采用以下几种方法来实现：

在图3、图4中，激光通信捕获聚焦透镜1、星体捕获聚焦透镜2及滤光元件4与固定支架7固定连接，支架7与电机6的转轴固定连接。支架7可以在驱动电机6的驱动下，进行旋转，其旋转的位置定位由定位块5及定位调整螺钉8来确定，定位调整螺钉8与通信端机的光学器件支撑板固定连接，驱动电机6受端机的中央处理器控制。对于接收来的入射平行光，在卫星激光通信模式下，透镜组1和滤光元件4进入到成像光路中，对入射光聚焦成像，位于透镜组1焦面上的光电传感器3对光信号进行光电转换，实现卫星激光通信的捕获、跟踪。而在星体捕获模式下，透镜组1和滤光元件4移出成像光路，星体捕获聚焦透镜组2进入到成像光路中，对入射光束聚焦成像，位于星体捕获聚焦透镜组2焦面上的捕获光电传感器3对光信号进行光电转换，实现星体的捕获，与之相配的高速数据处理电路对星体的信号进行处理，实现对星体的识别，利用相关算法及惯性陀螺仪的数据，最终得到通信端机的姿态数据。

参考图5、图6，辅助透镜9、滤光元件4与支架7固定连接，支架7与电机6的转轴固定连接。支架7可以在驱动电机6的驱动下，进行旋转，其旋转的位置定位由定位块5及定位调整螺钉8来确定，定位调整螺钉8与通信端机的光学器件支撑板固定连接。当通信端机处于卫星激光通信模式下，滤光元件4和激光通信捕获聚焦透镜组1处于成像光路中，位于聚焦透镜组1焦面上的接收元件3对光信号进行光电转换，实现激光束的捕获和跟踪。在星体捕获模式下，滤光元件4移出光路，而辅助成像透镜组9移入光路中，它与透镜1组成新的聚焦成像光路，位于新的聚焦成像光路焦面上的光电接收传感器3对光信号进行光电转换，实现对星体的捕获，与之相配的高速数据处理电路对星体的信号进行处理，实现对星体的识别，利用相关算法及惯性陀螺仪的数据，最终得到通信端机的姿态数据。

对于捕获传感器积分时间的切换功能，只要是选用积分时间可变的光电传感器，进行适当的电路控制就可以实现。

本发明中除帧频可变的捕获传感器、焦距可变的聚焦光路和通带带宽可切换的滤光部件采用两种工作模式外，其他模块均与传统卫星激光通信系统的功能和结构相同。

Claims (6)

1.一种卫星激光通信端机的捕获系统，用于卫星激光通信端机进行光通信及星体捕获，其特征在于，卫星激光通信端机进行星体捕获时，端机的中央处理器根据星历表数据，调整其自身所带的万向节进行转动，对星体进行捕获、瞄准和定位，重复若干次以后，对所得到的星体数据、万向节的角度位置数据以及从卫星平台的陀螺仪所读取的姿态数据进行综合处理，通过星敏感器姿态数据确定算法得到通信端机的姿态数据，卫星激光通信端机根据姿态信息和星历表数据，对准对方目标卫星，卫星激光通信端机的捕获系统包括滤光部件、聚焦光路和捕获传感器及其高速数据处理电路，经端机精瞄转镜的入射光信号通过滤光部件和聚焦光路投射到捕获传感器上，其中，滤光部件为通带带宽可切换的滤光部件；聚焦光路为焦距可变的聚焦光路；捕获传感器为帧频可变的捕获传感器，在端机进行星体捕获时，捕获传感器及其处理电路处于低帧频状态，并调整聚焦光路处于短焦距状态，滤光部件处于宽带宽的星体捕获状态；得到通信端机的姿态数据后，端机进入卫星激光通信状态，将捕获传感器及其处理电路切换为高帧频状态，并调整聚焦光路处于长焦距状态，滤光部件处于窄带宽的状态。

2.如权利要求1所述的卫星激光通信端机的捕获系统，其特征在于：焦距可变的聚焦光路包括一组激光通信捕获聚焦透镜和一组星体捕获聚焦透镜，两组聚焦透镜分别固定在一可旋转的支架两端，窄带滤光元件与激光通信捕获聚焦透镜固定连接，在卫星激光通信模式下，旋转支架使激光通信捕获聚焦透镜及窄带滤光元件进入到成像光路中，对入射光聚焦成像；在星体捕获模式下，旋转支架使激光通信捕获聚焦透镜及窄带滤光元件移出成像光路，星体捕获聚焦透镜组进入到成像光路中，对入射光束聚焦成像。

3.如权利要求1所述的卫星激光通信端机的捕获系统，其特征在于：焦距可变的聚焦光路包括一组辅助聚焦透镜及一组聚焦透镜，辅助聚焦透镜和窄带滤光元件分别固定在一可旋转的支架两端，在卫星激光通信模式下，旋转支架使窄带滤光元件和聚焦透镜处于成像光路中，对入射光聚焦成像；在星体捕获模式下，旋转支架使窄带滤光元件移出成像光路，辅助聚焦透镜组进入到成像光路中，与聚焦透镜组合，对入射光束聚焦成像。

4.如权利要求1所述的卫星激光通信端机的捕获系统，其特征在于：端机的中央处理器控制帧频可变的捕获传感器及其处理电路处于高帧频状态或低帧频状态，捕获传感器的高、低帧频的切换是通过电路设置来实现。

5.如权利要求2或3所述的卫星激光通信端机的捕获系统，其特征在于：上述支架在电机的驱动下旋转，该电机受端机的中央处理器控制。 

6.如权利要求2或3所述的卫星激光通信端机的捕获系统，其特征在于：在上述支架上设有定位块，通过与光学背板上固定的定位螺钉配合，准确定位支架位置。 

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