CN1825787A - 低轨道卫星与地面站间激光链路的建立方法 - Google Patents

低轨道卫星与地面站间激光链路的建立方法 Download PDF

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马晶
于思源
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低轨道卫星与地面站间激光链路的建立方法，它涉及星地激光链路技术领域，它解决了现有的地面终端与星上终端在进行激光链路时均需进行扫描而导致捕获的时间较长的问题。在星上和地面终端都进入链路范围后，先各自进行粗瞄，此时地面终端发射捕获信标光，该信标光的束散角至少为地面光通信终端的捕获不确定范围，星上终端在不确定角度范围内按螺旋方式自内向外进行捕获扫描；当星上终端捕获到信标光时，则向地面终端发出回应光信号，同时进入跟踪状态；当地面终端捕获到回应光信号后，进入跟踪状态，激光链路建立完毕。本发明采用单向扫描替代以往普遍采用的双向扫描技术，它可以在1分钟以内实现95％以上的捕获概率。

Description

低轨道卫星与地面站间激光链路的建立方法
技术领域
本发明涉及星地激光链路技术领域。
背景技术
星地激光链路技术是卫星组网及高速实时通信的核心技术，由于较远的通信距离、极窄的激光束散角、较为恶劣的空间环境和大气对激光传输的干扰等条件，使得链路的建立技术实现难度很大。考虑到大气对激光传输的影响，通常在光学地面站的仰角大于30°时开始进行激光链路(称此范围为可链路范围)。在此之前，星上终端和地面终端需要系统准备工作，如预热、自检等。卫星进入可链路范围后，两终端分别根据卫星轨道和姿态参数进行瞄准，该过程称为粗瞄。由于实际的卫星轨道和姿态参数与终端获得的数值有差别，使得粗瞄存在一定的角度误差，该误差角的范围定义为捕获不确定范围。在实际的卫星光通信过程中，尽管卫星平台的姿态控制精度在不断提高，但由于受到有效载荷和终端器件条件的限制，终端信标光束散角和探测器视场角通常小于捕获不确定范围。因此，需要捕获信标光的发射和接收天线都进行扫描，使得捕获时间较长。美国在2000年6月进行了一次试验，试验设计采用双向扫描捕获实现TSX-5卫星与地面站间激光链路的建立，计划过程如下：地面终端信标光平均功率为45mW，束宽400μrad。由于捕获不确定范围大于地面终端信标光束宽，需要地面终端控制信标光在一定范围内分区瞄准，同时，星上终端以预设的扫描方式捕获信标光。一旦星上终端检测到信标光，停止扫描，立刻发出回光信号。地面终端收到回光信号后，也停止扫描。这样，地面终端与星上终端就进入了相互锁定状态，开始进行跟踪和通信。由于低轨道卫星的过顶时间只有几分钟，上述方案很难实现较高概率的捕获。经过多次试验后，地面站对TSX-5的捕获和跟踪最终宣告失败，这使得后续的STRV-2与地面站之间激光通信实验无法进行。
发明内容
为了解决现有的地面终端与星上终端在进行激光链路时均需进行扫描而导致捕获的时间较长的问题，本发明提供了一种低轨道卫星与地面站间激光链路的建立方法，该方法按以下步骤进行：
一、地面光通信终端准备就绪01；然后，地面光通信终端根据系统时钟判断是否进入激光链路范围02，如果地面光通信终端没有进入激光链路范围，则地面光通信终端继续准备；如果地面光通信终端进入激光链路范围，则地面光通信终端利用已知的卫星轨道和姿态参数进行粗瞄或跳扫03，地面光通信终端在进行粗瞄或跳扫的过程中向星上光通信终端发射捕获信标光，该信标光的束散角至少为地面光通信终端的捕获不确定范围04；
星上光通信终端准备就绪001；然后星上光通信终端根据系统时钟判断是否进入激光链路范围002，如果星上光通信终端没有进入激光链路范围，则星上光通信终端继续准备；如果星上光通信终端进入激光链路范围，则星上光通信终端利用已知的卫星轨道和姿态参数进行粗瞄003，同时星上光通信终端在不确定角度范围内按螺旋方式自内向外进行捕获扫描，并利用捕获探测器实时监测地面光通信终端发射的信标光004；
二、星上光通信终端判断是否捕获地面光通信终端发射的信标光005，如果星上光通信终端捕获到地面光通信终端发射的信标光，则星上光通信终端向地面光通信终端发出回应光信号006；同时星上光通信终端瞄准系统进行相应的调整，停止捕获扫描进入跟踪状态007；
反之如果星上光通信终端没有捕获到地面光通信终端发射的信标光，则星上光通信终端返回至步骤004的开始端；
三、地面光通信终端利用捕获探测器实时监测星上光通信终端发射的回应光信号05；然后地面光通信终端判断是否接收到星上光通信终端发出的回应光信号06；如果地面光通信终端没有接收到星上光通信终端发出的回应光信号，则地面光通信终端返回至步骤04的开始端；
反之如果地面光通信终端接收到星上光通信终端发出的回应光信号，则地面光通信终端瞄准系统立即进行相应的调整，停止扫描进入跟踪状态07；
四、当地面光通信终端与星上光通信终端都进入跟踪状态后，上述两终端之间激光链路建立完毕。
工作原理：本发明针对当前低轨道卫星与地面站间激光链路中存在的问题，提出了采用单向扫描替代以往普遍采用的双向扫描技术，即星上光通信终端采用螺旋方式自内向外进行捕获接收天线扫描，地面光通信终端采用大束散角捕获信标光粗瞄或跳扫。如图1所示，本发明的建立方案包括对地面光通信终端的控制过程和对星上光通信终端的控制过程两个相关的部分，由于该方案只有星上光通信终端在进行扫描，捕获扫描时间大大降低。
发明效果：本发明提出一种新的低轨道卫星与地面站间激光链路建立方法，解决了现有方法捕获时间较长的问题。考虑到目前典型的光通信终端参数，采用本发明提出的方法可以在较短的时间内实现较高的捕获概率，可以确保星地激光链路的快速建立和后续通信。通过对文献分析可知[Isaac I.Kim，Harel Hakakha，Brian Riley，Nicholas M.Wong，Mary Mitchell.(Very)PreliminaryResults of the STRV-2 Satellite-to-Ground Lasercom Experiment.SPIE Proc.2000，3932：21～34]，美国的低轨道卫星终端STRV-2与地面站间的激光链路设计最大捕获时间至少为3分钟以上(捕获概率95％)。采用本发明可以在1分钟以内实现95％以上的捕获概率，捕获时间缩短60％以上。由于星地激光链路的可链路时间较短(通常在8分钟以内)，采用本发明缩短捕获时间可以给通信留出更多的时间以传输数据，对于星地激光链路的应用具有重要意义。
附图说明
图1为链路建立的过程中地面终端和星上终端的工作流程图。
具体实施方式
本具体实施方式的低轨道卫星与地面站间激光链路的建立方法针对星地激光通信链路提出的捕获概率≥95％，最大捕获时间≤60s(捕获不确定角：星上0.46°，地面0.08°)的性能指标要求，按以下步骤进行：
一、地面光通信终端准备就绪01；然后，地面光通信终端根据系统时钟判断是否进入激光链路范围02，如果地面光通信终端没有进入激光链路范围，则地面光通信终端继续准备；如果地面光通信终端进入激光链路范围，则地面光通信终端利用已知的卫星轨道和姿态参数进行粗瞄或跳扫03，地面光通信终端在进行粗瞄或跳扫的过程中向星上光通信终端发射捕获信标光，该信标光的束散角为地面光通信终端的捕获不确定范围04；
星上光通信终端准备就绪001；然后星上光通信终端根据系统时钟判断是否进入激光链路范围002，如果星上光通信终端没有进入激光链路范围，则星上光通信终端继续准备；如果星上光通信终端进入激光链路范围，则星上光通信终端利用已知的卫星轨道和姿态参数进行粗瞄003，同时星上光通信终端在不确定角度范围内按螺旋方式自内向外进行捕获扫描，并利用捕获探测器实时监测地面光通信终端发射的信标光004；
二、星上光通信终端判断是否捕获地面光通信终端发射的信标光005，如果星上光通信终端捕获到地面光通信终端发射的信标光，则星上光通信终端向地面光通信终端发出回应光信号006；同时星上光通信终端瞄准系统进行相应的调整，停止捕获扫描进入跟踪状态007；
反之如果星上光通信终端没有捕获到地面光通信终端发射的信标光，则星上光通信终端返回至步骤004的开始端；
三、地面光通信终端利用捕获探测器实时监测星上光通信终端发射的回应光信号05；然后地面光通信终端判断是否接收到星上光通信终端发出的回应光信号06；如果地面光通信终端没有接收到星上光通信终端发出的回应光信号，则地面光通信终端返回至步骤04的开始端；
反之如果地面光通信终端接收到星上光通信终端发出的回应光信号，则地面光通信终端瞄准系统立即进行相应的调整，停止扫描进入跟踪状态07；
四、当地面光通信终端与星上光通信终端都进入跟踪状态后，上述两终端之间激光链路建立完毕。
在上述链路建立的过程中，地面光通信终端和星上光通信终端的捕获参数设置和性能设计指标如下表1所示。
                     表1终端捕获参数设置和性能设计指标
  链路类型   星地
  光束传输延时   0.007s
  扫描控制时间、时间同步误差等   0.05s
  地面光通信终端信标光粗瞄   不确定角度范围   1.5mrad(0.08°)
  信标光束散角   1.5mrad
  星上光通信终端捕获天线扫描   不确定角度范围   8mrad(0.46°)
  捕获探测视阈   1.5mrad(0.08°)
  扫描重叠角度   0.5mrad
  扫描跳步时间间隔   0.1s
  单场扫描最大时间   0.1s
  捕获概率   地面终端信标光对星上终端实现有效功率覆盖概率   98.89％
  信标光进入到星上终端探测范围概率   97.79％
  星上终端对信标光探测概率   99.98％
  地面终端对回馈光接收概率   98.89％
  地面终端对回馈光探测概率   100.0％
  捕获概率合计   95.6％
  最大捕获时间   45s
综上所述，采用本发明提出的技术方案，在45s的捕获扫描时间内，星地激光链路建立的捕获概率为95.6％。

Claims (1)

1、低轨道卫星与地面站间激光链路的建立方法，其特征在于所述方法按以下步骤进行：
一、地面光通信终端准备就绪(01)；然后，地面光通信终端根据系统时钟判断是否进入激光链路范围(02)，如果地面光通信终端没有进入激光链路范围，则地面光通信终端继续准备；如果地面光通信终端进入激光链路范围，则地面光通信终端利用已知的卫星轨道和姿态参数进行粗瞄或跳扫(03)，地面光通信终端在进行粗瞄或跳扫的过程中向星上光通信终端发射捕获信标光，该信标光的束散角至少为地面光通信终端的捕获不确定范围(04)；
星上光通信终端准备就绪(001)；然后星上光通信终端根据系统时钟判断是否进入激光链路范围(002)，如果星上光通信终端没有进入激光链路范围，则星上光通信终端继续准备；如果星上光通信终端进入激光链路范围，则星上光通信终端利用已知的卫星轨道和姿态参数进行粗瞄(003)，同时星上光通信终端在不确定角度范围内按螺旋方式自内向外进行捕获扫描，并利用捕获探测器实时监测地面光通信终端发射的信标光(004)；
二、星上光通信终端判断是否捕获地面光通信终端发射的信标光(005)，如果星上光通信终端捕获到地面光通信终端发射的信标光，则星上光通信终端向地面光通信终端发出回应光信号(006)；同时星上光通信终端瞄准系统进行相应的调整，停止捕获扫描进入跟踪状态(007)；
反之如果星上光通信终端没有捕获到地面光通信终端发射的信标光，则星上光通信终端返回至步骤(004)的开始端；
三、地面光通信终端利用捕获探测器实时监测星上光通信终端发射的回应光信号(05)；然后地面光通信终端判断是否接收到星上光通信终端发出的回应光信号(06)；如果地面光通信终端没有接收到星上光通信终端发出的回应光信号，则地面光通信终端返回至步骤(04)的开始端；
反之如果地面光通信终端接收到星上光通信终端发出的回应光信号，则地面光通信终端瞄准系统立即进行相应的调整，停止扫描进入跟踪状态(07)；
四、当地面光通信终端与星上光通信终端都进入跟踪状态后，上述两终端之间激光链路建立完毕。
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