CN207603641U - 一种航空激光通信系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种航空激光通信系统，主要目的在于解决航空通信受频谱以及带宽限制的问题。该系统包括：星载系统，包括光端机和电控箱；机载系统，包括光端机、电控箱和用于安装的支架以及套设在整个机载系统外侧的整流罩；地面系统，包括光端机和电控箱；星载系统实现与机载系统以及地面系统的双向激光通信；星载系统、机载系统和地面系统的光端机均包括通信发射模块，通信接收模块，捕获瞄准跟踪模块以及光学天线；通信发射模块发出的光通过捕获瞄准跟踪模块后通过光学天线发出；光学天线接收到的光通过捕获瞄准跟踪模块后通过通信接收模块进行接收；捕获瞄准跟踪模块实现与相对的光端机之间的激光通信链路的建立和保持。

Description

一种航空激光通信系统

技术领域

本实用新型涉及一种激光通信技术领域，特别是涉及一种航空激光通信系统。

背景技术

目前，航空通信主要通过微波卫星实现。在通过该微波无线电进行通信时，由于无线电频率是空间系统得以正常运转的基础，是信息传输的通道，为了防止卫星间电磁干扰，需要保持通信频率的一定间隔进行频率隔离，因此无线电频谱的利用将受到极大限制。

现有的航空互联技术一般分为三大类，分别是以陆地电信基站为基础的对空通信技术(Air To Ground，ATG)、静止轨道(GEO)卫星、低轨道(LEO)星座。

ATG，是一种地对空的通信系统，它利用成熟的陆地移动通信技术，如3G、4G技术，针对航空高速移动、广覆盖等特性进行定制化开发，在地面建设部分天线指向天空的专用、复用基站，构建出一张地对空的专用网络，解决地对空数据双向传输的问题。ATG系统主要包括机载小翼天线和由基站组成的地面核心网，系统复杂度较低，对飞机的影响较小。但是，由于其为无线电通信，仍然存在频谱饱和以及带宽有限的问题。

GEO卫星，目前是卫星在航空领域内应用的主流。根据频谱主要分为SBB、Ku(包括2Ku和KuHTS)、Ka等三种。静止轨道卫星通过卫星、地面站和机顶天线实现通信。与ATG相比，静止轨道卫星频谱资源丰富，三颗卫星就能覆盖全球，能覆盖全球航路，支持跨洋飞行。但是，由于其为无线电通信，使用的波段频率有限，通信带宽无法满足大量数据互联需求。

LEO低轨道星座，由于轨位稀缺，最近几年异军突起，成为卫星互联网的新生力量。相比GEO，低轨道卫星轨位在1500公里以内，相比GE03.6万公里的轨道，其天线复杂度低、通信延迟小、整体容量大。由于其是无线电通信，低轨道星座首要解决的还是频谱受限以及带宽有限的问题。

因此，现有技术中的航空通信网络技术，都具有频谱、带宽受限的问题，无法做到大数据高速率的传输，也无法实现飞机本身数据的实时传输和监测。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种频段不受限、带宽较宽、实现大数据高速率传输的用于构造航空互联网的航空激光通信系统。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种航空激光通信系统，其特征在于：包括

至少一个星载系统，安装于卫星上，包括光端机和电控箱；

至少一个机载系统，安装于飞行器上，包括光端机、电控箱、用于安装所述光端机和电控箱的支架；

以及至少一个地面系统，设置于地面，包括光端机和电控箱；

所述星载系统用于实现与机载系统以及地面系统的双向激光通信；

所述星载系统、机载系统和地面系统均包括用于初始指向的定位系统，并且所述星载系统、机载系统和地面系统的光端机均包括通信发射模块，通信接收模块，捕获瞄准跟踪模块以及光学天线；

所述通信发射模块发出的光通过捕获瞄准跟踪模块后通过光学天线发出；

光学天线接收到的光通过捕获瞄准跟踪模块后通过通信接收模块进行接收；

所述捕获瞄准跟踪模块实现与通信对方的光端机之间的激光通信链路的建立和保持。

进一步的，所述通信发射模块包括信号光源、信标光源、发射光学系统和光调制器，所述信标光源发出的光经过发射光学系统后进入捕获瞄准跟踪模块，所述信号光源发出的光经过光调制器后通过发射光学系统进入捕获瞄准跟踪模块。

进一步的，所述通信接收模块包括接收光学系统和光解调器，通过光学天线接收的光信号经过捕获瞄准跟踪模块后进入接收光学系统后到达光解调器，进行光信号的解调。

进一步的，所述捕获瞄准跟踪模块包括第一信号处理器、第二信号处理器和瞄准控制系统，所述第一信号处理器用于将经过捕获瞄准跟踪后产生的光程差信号传递给发射光学系统，并且向光学天线传递捕获跟踪控制信号，所述第二信号处理器用于从接收光学系统提取误差信号并且反馈给瞄准控制系统，并且向光学天线传递跟踪瞄准控制信号。

进一步的，所述瞄准控制系统包括粗瞄模块、精瞄模块和提前瞄准模块，所述粗瞄模块用于捕获和粗跟踪，所述精瞄模块用于补偿粗瞄模块的瞄准误差以及跟踪过程中的干扰，所述提前瞄准模块用于补偿链路过程中在光束弛豫时间内双方光端机之间的相对位移。

进一步的，所述粗瞄模块包括万向转台、粗瞄控制器和粗瞄探测器，粗瞄控制器用于调整万向转台的瞄准方向，粗瞄探测器用于接收光学天线接收到的对方光束，并且根据该对方光束判断捕获是否成功以及测定对方光束的到达方向，并且通过控制粗瞄控制器进一步调整万向转台使光板进入精瞄探测器的视域范围。

进一步的，所述地面系统中的光学天线采用天线阵列。

进一步的，所述机载系统还包括套设在整个机载系统外侧的整流罩，所述支架具有减振作用，所述整流罩为透明密封整流罩。

为了减轻飞行器的振动，所述支架包括多个相互嵌套的框架，每个框架均具有能够绕着旋转的轴，并且该多个框架各自的轴的方向不平行，减振器设置于框架之间，以及支架与其安装的飞行器之间。

为了实现各个系统之间一对多的通信，所述光学天线包括旋转抛物面反射镜和中继光学系统，所述旋转抛物面反射镜由多个反射镜拼接而成。

进一步地，所述卫星为静止轨道(GEO)卫星、低轨道(LEO)卫星或者是上述多个同类或者不同类卫星组成的组合星座；所述飞行器为民航客机、军用飞机、高空气球或固定翼无人机。

上述通信系统的通信方法，其特征在于：包括以下步骤，

1)初始指向：借助定位系统进行通信双方的光端机的定位定姿；

2)快速捕获，在初始指向的基础上，通信双方的光端机向对方发射粗信标光，并且在一定范围内进行扫描，直至双方的光端机实现光闭环；

3)粗跟踪，捕获成功后，进入到粗跟踪阶段，将通信双方中对方的粗信标光引导至粗跟踪的视场中心；

4)精确对准，利用高精度振镜，使通信双方的光轴精确对准双方的视场中心，并且产生提前量修正发射与接收视场的偏差，实现精确对准；

5)动态通信，在通信双方的光端机光轴精确跟踪对准的前提下，开启信号光源，实现信息的传输。

与现有技术相比，本实用新型提供的航空激光通信系统，能够通过激光通信实现飞机对卫星、卫星对地面的双向通信，建立航空仓内与地面的实时网络互联，实现航空仓与地面的互联网络连接。

并且，本实用新型实施例中，卫星、飞机以及地面之间采用激光通信链路进行通信，代替了常规通过微波实现卫星与飞机之间的通信，规避了无线电频谱管制的难题。

另外，由于激光通信具有传输速率快(超过1Gbps)、带宽大，信息容量大，利于解决民航客机大量数据传输的要求；并且抗干扰能力强、适用范围较广。

附图说明

图1为本实用新型实施例的航空激光通信系统的系统框图。

图2为本实用新型实施例的航空激光通信系统的星载系统的光端机的模块示意图。

图3为本实用新型实施例的航空激光通信系统的光端机中的瞄准控制系统的示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1所示航空激光通信系统，包括至少一个星载系统10、至少一个机载系统20和至少一个地面系统30。星载系统10安装于卫星上，该卫星可以是静止轨道(GEO)卫星、低轨道(LEO)卫星或者是上述多个同类或者不同类卫星组成的组合星座。机载系统20安装于飞行器上，该飞行器可以是民航客机、军用飞机、高空气球、或者固定翼无人机等。地面系统30设于地面，三类系统能够相互通过激光通信，实现三者之间信息的传递。优选地，星载系统10用于实现与地面系统30和机载系统20的分别双向通信，机载系统20用于与星载系统10实现双向通信，地面系统30用于与星载系统10进行双向通信。因此，通过星载系统和地面系统，即可实现机载系统中数据的传送，实现航空网络通信数据的互传。

星载系统：

其中，星载系统10包括电控箱和光端机，电控箱用于给光端机供电。如图2所示，图中实线箭头表示电信号的传递，虚线箭头表示光信号的传递。其中，光端机包括通信发射模块11，通信接收模块12，捕获瞄准跟踪模块13以及光学天线。通信发射模块11和通信接收模块12分别通过捕获瞄准跟踪模块13与光学天线连接。光学天线实现系统信号的最终发出和接收，可以采用分离的光学天线，即发射光学天线和接收光学天线，也可以采用发射和接收共用的光学天线，具体的本实用新型实施例对此不进行限制。

该通信发射模块11用于实现与机载系统20、地面系统30之间的信号发射，通信接收模块12用于接收机载系统20和地面系统30发出的信号。上述发射的信号和接收的信号，包括通信的正常信号，还包括捕获瞄准信号。其中，由于飞机与卫星都是高速动态飞行状态，故对瞄准、捕获以及跟踪的要求极高，故在具体实时是，需要获取捕获瞄准信号，用于实现飞机与卫星光通信链路的建立、保持以及修复。

通信发射模块11包括信号光源、信标光源、发射光学系统和光调制器。

其中，该信标光源用于产生信标光，信标光用于在捕获和跟踪过程中提供角度偏差检测信息的激光光束，可以包括捕获信标光和跟踪信标光两种。信标光源发出的信标光发射至发射光学系统，并且通过发射光学系统发射至捕获瞄准跟踪模块13，然后通过光学天线发出，该信标光源用于产生信标光，信标光用于在捕获和跟踪过程中提供角度偏差检测信息的激光光束，可以包括捕获信标光和跟踪信标光两种，也可以采用同一种信标光。

该信号光源用于产生星载系统10和地面系统30或者机载系统20传输通信的信号光。信号光源发出的光经过光调制器调制后加载了通信信号，并且通过发射光学系统，发射至捕获瞄准跟踪模块13，然后通过光学天线发出。

通信接收模块12包括接收光学系统和光解调器，通过光学天线接收的光信号经过捕获瞄准跟踪模块13后进入接收光学系统到达光解调器，然后进行光信号的解调变成电信号。

该光端机还包括控制系统，该控制系统用于控制光调制器调制信号，控制光解调器解调信号并且记录以及控制其他发射、接收光学系统的运动，以及信号光源、信标光源的发射等。

该捕获瞄准跟踪模块13用于实现卫星和飞机、以及卫星和地面的激光通信链路的建立、保持。捕获分为初始指向和扫描捕获两个过程，初始指向是根据外部姿态与位置数据，驱动捕获机构实现轴向的初始对准。由于引导信息和机构指向精度均存在误差，系统存在捕获不确定区域，扫描捕获过程按照规划的轨迹控制光轴完成捕获不确定区域，直至在捕获现场内提取到信标光斑信息。

其中，瞄准，是指光端机发射光束向某一预订的方向，以便对面的光端机进行捕获或接收。捕获，是指两个光端机通过瞄准和扫描补偿捕获不确定角，实现探测(接收)对方光端机发来的光束。捕获用于激光链路的建立和中断后的恢复，该激光通信系统中采用双向捕获，即通过两个光端机粗瞄准后同时扫描完成。跟踪，是指两个相对的光端机在完成瞄准和捕获后，为补偿相对运动和其他干扰，根据测得的角度偏差和轨道姿态数据实时控制粗瞄准、精瞄准和提前瞄准，以保持链路中两个光终端的双向对准。跟踪用于激光链路的保持。

光端机中的捕获瞄准跟踪模块13包括第一信号处理器和第二信号处理器以及瞄准控制系统。第一信号处理器用于将经过捕获瞄准跟踪后产生的光程差信号传递给发射光学系统，并且向光学天线传递捕获跟踪控制信号。第二信号处理器用于从接收光学系统提取误差信号并且反馈给瞄准控制系统，并且向光学天线传递跟踪瞄准控制信号。

如图3所示，该图中虚线箭头为光信号，实线箭头为电信号。该捕获瞄准跟踪模块13中的瞄准控制系统可以包括粗瞄模块、精瞄模块和提前瞄准模块，粗瞄模块包括万向转台、粗瞄控制器和粗瞄探测器，精瞄模块包括精瞄控制器、精瞄探测器和精瞄镜，提前瞄准模块包括提前瞄准镜、提前瞄准控制器和提前瞄准探测器。图3中的光源即为图2中发射至该捕获瞄准跟踪模块13的光，可以是信号光也可以是信标光。万向转台上安装所述光学天线。光源中的信号光源通过提前瞄准镜发送至光学天线，信标光源直接发送至光学天线，经过光学天线发出。

粗瞄模块用于捕获和粗跟踪，在捕获阶段，粗瞄控制器根据卫星轨道和姿态参数调整万向转台的瞄准方向，然后以一定的方式进行扫描捕获。利用粗瞄探测器用于接收光学天线接收到的对方光束，并且根据该对方光束判断捕获是否成功及测定对方光束到达的方向，并通过粗瞄探测器控制粗瞄控制器进一步调整万向转台使光斑进入精瞄探测器视域范围。

精瞄模块用于补偿粗瞄模块的瞄准误差及跟踪过程中的干扰。提前瞄准模块用于补偿链路过程中在光束弛豫时间内发生的双方光端机之间的相对位移。

机载系统：

机载系统20包括光端机和电控箱。该机载系统20的其他部分与星载系统中的类似，不同的是还需要有具有减振功能的支架和罩于光端机外侧的透明的整流罩，由于飞机在飞行中振动比较剧烈，所以支架需要有减振的功能。而且飞机飞行过程中也会面对灰尘等的干扰，该整流罩起到保护和隔离的作用，并且是透明的整流罩，不干扰激光通信。该机载系统20中的光端机可以与星载系统10中的光端机结构相同，或者仅仅是具体部件的参数要求不同，以实现与星载系统10之间的相互通信。并且光端机中的电子元件都设于电子箱中，电子箱经过气密、电磁屏蔽，采用风扇进行强制对外散热。

并且该机载系统20还可以包括安装于飞机上的操控系统，用于在出现故障和自动系统失灵时进行人为手动控制和调整。

与星载系统不同，机载系统安装于运动的飞机上，使得即在平台的目标捕获不确定区域较大，严重影响目标信标补货效率，因此，如果实现机载系统快速捕获来建立通信连接，是机载激光通信系统所需要解决的必要技术问题。

本实用新型中采用全球定位和惯性导航组合系统(GPS/INS)作为初始指向用的定位系统，即通过GPS/INS系统实时测量通信系统端机的位置和姿态，再经过数据传送电台，将己方位置信息传递给对方，结合平台的姿态信息，引导通信光端机转台调整视轴初始指向。因此，该机载系统还包括控制系统，该控制系统包括总体控制板、图像处理板、电源板，用于将目标(卫星上的星载系统)与本机的GPS等信息进行解算，发送至粗跟踪模块。该GPS/INS系统可以是在光端机上安装该系统，也可以是利用飞行器上上已经安装的GPS/INS系统。星载系统和地面系统也需要安装定位系统作初始指向，例如GPS/INS系统，但是一般的卫星上已经安装了该系统，因此，可以直接利用即可。也可以是其他的定位系统，只要是能够向对方发送和自身位置信息的定位系统即可。

GPS定位分为绝对定位和相对定位两种，本系统采用精度更高的相对定位方式。首先对转台的视轴与的真北角进行标校，标校精度将直接影响初始指向精度，光端机获得信息后，结合载体姿态即可知道自身在大地坐标系下的位置和姿态。

在初始定位以后，会进行扫描来进行捕获，扫描可以采用螺旋光栅扫描，方位和俯仰两个方向分别定速扫描。进行对方光端机的捕获。

本实用新型中机载系统20的瞄准跟踪，主要也采用粗、精瞄准两级复合跟踪结构，粗瞄准具有较大的动态范围、窄的控制带宽和比较低的谐振频率，保证信标光稳定、可靠进入精跟踪视场，精瞄准在粗瞄准的基础上，进一步提高视轴对准精度。

机载系统中的支架在与其固定的机体之间设置有减振器，支架可以采用多轴多框架系统，既实现机载系统的多角度转动，又能方便设置减振器，并且选择参数相同的减振器。多轴多框架系统即包括至少两个相互嵌套的框架，并且每个框架都具有能够绕着旋转的轴，每个框架的轴相互不平行，可以是相互垂直，进而实现立体角度的转动。减振器也可以设置于多个框架支架之间，实现整体平衡减振。

机载系统20中的粗瞄探测器采用可变视场CCD相机，对目标激光进行成像处理，精瞄探测器采用CMOS相机。精瞄镜采用高精度压电陶瓷振镜，在粗瞄的视场内插入高精度压电陶瓷振镜实现光路的转换。

地面系统：

地面系统30也包括光端机和电控箱，与上述星载系统10和机载系统20中的光端机不同的是，地面系统30中的光学天线采用天线阵列。因为地面系统处于地面，从卫星传递下来的光信号容易受到大气湍流的影响，采用天线阵列能够增大天线口径，降低大气湍流的干扰。地面系统的其他结构与星载系统类似，因为其处于相对稳定和固定的地面，也不用考虑机载系统的减振和保护机构。该地面系统30也包括GPS/INS系统，用于初始对准。

上述星载系统、机载系统和地面系统中的光端机，只能是一个通信链路采用一套系统，如果当一个星载系统需要同时与几个机载系统，或者一个地面系统需要同时与几个星载系统通信是，就需要实现一对多通信，为了实现一对多通信，就需要有多个光端机，因为一个光端机仅能用于一个通信链路。多个光端机会大大增加成本以及增加系统的整体体积，所以，为了实现系统能够一对多多路通信，该光学天线包括旋转抛物面反射镜和中继光学系统，该旋转抛物面反射镜包括多反射镜拼接而成，入射的多路光经过该旋转抛物面反射镜反射后入射到中继光学系统，经过中继光学系统折、反射分光入射到各自对应的粗瞄、精瞄模块。而出射的光，也经过各自的粗瞄、精瞄模块后通过该中继光学系统后入射到旋转抛物面反射镜出射向各自对准的方向，与各自对应的对方通信系统进行通信。

上述的航空激光通信系统，构成的激光通信包括卫星与地面的激光通信以及卫星与飞机的激光通信；该两种激光通信的工作原理基本相同，都是由通信双方的光端机建立通信双方之间的激光通信链路，并以激光作为载波，实现语音、图像和数据的传输。

具体的通信方法为：

1)初始指向：借助GPS/INS系统进行通信双方的光端机的定位定姿；

2)快速捕获：在初始指向的基础上，通信双方的光端机向对方发射粗信标光，并且在一定范围内进行扫描，直至双方的光端机实现光闭环；

3)粗跟踪：捕获成功后，进入到粗跟踪阶段，利用粗瞄探测器和粗瞄控制器将通信双方中对方的粗信标光引导至粗跟踪的视场中心；

4)精确对准：利用高精度振镜，使通信双方的光轴精确对准双方的视场中心，并且利用精瞄探测器产生提前量修正发射与接收视场的偏差，实现精确对准；

5)动态通信：在通信双方的光端机光轴精确跟踪对准的前提下，开启信号光源，实现信息的传输。

本实用新型实施例中的航空激光通信系统，能够通过激光通信实现飞机对卫星、卫星对地面的双向通信，建立航空仓内与地面的实时网络互联，实现航空仓与地面的互联网络连接。

并且，本实用新型实施例中，卫星、飞机以及地面之间采用激光通信链路进行通信，代替了常规通过微波实现卫星与飞机之间的通信，规避了无线电频谱管制的难题。

另外，由于激光通信具有传输速率快、带宽大，信息容量大，利于解决民航客机大量数据传输的要求；并且抗干扰能力强、适用范围较广。

尽管以上详细地描述了本实用新型的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种航空激光通信系统，其特征在于：包括

至少一个星载系统，安装于卫星上，包括光端机和电控箱；

至少一个机载系统，安装于飞行器上，包括光端机、电控箱、用于安装所述光端机和电控箱的支架；

以及至少一个地面系统，设置于地面，包括光端机和电控箱；

所述星载系统用于实现与机载系统以及地面系统的双向激光通信；

所述星载系统、机载系统和地面系统均包括用于初始指向的定位系统，并且所述星载系统、机载系统和地面系统的光端机均包括通信发射模块，通信接收模块，捕获瞄准跟踪模块以及光学天线；

所述通信发射模块发出的光通过捕获瞄准跟踪模块后通过光学天线发出；

光学天线接收到的光通过捕获瞄准跟踪模块后通过通信接收模块进行接收；

所述捕获瞄准跟踪模块实现与通信对方的光端机之间的激光通信链路的建立和保持。

2.如权利要求1所述的航空激光通信系统，其特征在于：

所述通信发射模块包括信号光源、信标光源、发射光学系统和光调制器，所述信标光源发出的光经过发射光学系统后进入捕获瞄准跟踪模块，所述信号光源发出的光经过光调制器后通过发射光学系统进入捕获瞄准跟踪模块；

所述通信接收模块包括接收光学系统和光解调器，通过光学天线接收的光信号经过捕获瞄准跟踪模块后进入接收光学系统后到达光解调器，进行光信号的解调。

3.如权利要求1所述的航空激光通信系统，其特征在于：

所述捕获瞄准跟踪模块包括第一信号处理器、第二信号处理器和瞄准控制系统，所述第一信号处理器用于将经过捕获瞄准跟踪后产生的光程差信号传递给发射光学系统，并且向光学天线传递捕获跟踪控制信号，所述第二信号处理器用于从接收光学系统提取误差信号并且反馈给瞄准控制系统，并且向光学天线传递跟踪瞄准控制信号。

4.如权利要求3所述的航空激光通信系统，其特征在于：

所述瞄准控制系统包括粗瞄模块、精瞄模块和提前瞄准模块，所述粗瞄模块用于捕获和粗跟踪，所述精瞄模块用于补偿粗瞄模块的瞄准误差以及跟踪过程中的干扰，所述提前瞄准模块用于补偿链路过程中在光束弛豫时间内双方光端机之间的相对位移。

5.如权利要求4所述的航空激光通信系统，其特征在于：

所述粗瞄模块包括万向转台、粗瞄控制器和粗瞄探测器，粗瞄控制器用于调整万向转台的瞄准方向，粗瞄探测器用于接收光学天线接收到的对方光束，并且根据该对方光束判断捕获是否成功以及测定对方光束的到达方向，并且通过控制粗瞄控制器进一步调整万向转台使光板进入精瞄探测器的视域范围。

6.如权利要求1-5中任一项所述的航空激光通信系统，其特征在于：所述地面系统(30)中的光学天线采用天线阵列。

7.如权利要求1-5中任一项所述的航空激光通信系统，其特征在于：所述机载系统还包括套设在整个机载系统外侧的整流罩，所述支架具有减振作用，所述整流罩为透明密封整流罩。

8.如权利要求1-5中任一项所述的航空激光通信系统，其特征在于：所述支架包括至少两个相互嵌套的框架，每个框架均具有能够绕着旋转的轴，并且该每个框架各自的轴的方向不平行，减振器设置于框架之间，以及支架与其安装的飞行器之间。

9.如权利要求1-5中任一项所述的航空激光通信系统，其特征在于：所述光学天线包括旋转抛物面反射镜和中继光学系统，所述旋转抛物面反射镜由多个反射镜拼接而成。

10.如权利要求1-5中任一项所述的航空激光通信系统，其特征在于：所述卫星为静止轨道卫星、低轨道卫星或者是上述多个同类或者不同类卫星组成的组合星座；所述飞行器为民航客机、军用飞机、高空气球或固定翼无人机。