CN218473160U - 一种快速建链地面终端 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种快速建链地面终端，地面终端由望远镜(100)、精跟踪与自适应光学系统(101)、激光发射系统(102)组成。下行激光依次经过望远镜(100)、精跟踪与自适应光学系统(101)后，最终进入通信端机用于通信，上行激光由激光发射系统(102)发出，经过精跟踪与自适应光学系统(101)后，由望远镜(100)发出。卫星下行激光包括信标激光和信号激光，两者中心波长不同，望远镜(100)、精跟踪与自适应光学系统(101)可用其信标激光或者部分信号激光或者两者并用来进行探测。采用“上行高精度凝视，下行单向快扫”的建链方式后，建链时间达秒级，比目前常规的分钟级建链提高一个数量级，可实现星地激光快速建链。
Description
技术领域
本实用新型属于激光通信应用领域，具体涉及一种快速建链地面终端。
背景技术
随着各类卫星的大规模应用，急需发展高速率、远距离、抗干扰、高保密的卫星通信技术。卫星激光通信因具有高速率、高保密、抗干扰以及频率资源丰富等优势，能很好满足卫星通信需求。然而，目前星地激光通信因大气湍流等影响，可用度不高。
特别是对于万公里级长距离的星地通信，由于星上终端和地面终端需要面临较大的不确定区域，通常采用双向盲扫的方式进行建链。建链时间长，通常需要分钟级建链时间，不能满足快速的星地建链的需求。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题为：缩短星地建链的时间，解决远距离星地激光通信快速建链的问题，提出了基于自适应光学(AO)校正的快速建链地面终端，可把建链时间从分钟级缩短至秒级，解决了建链时间长和建链概率低的问题。
本实用新型提供了一种快速建链地面终端，地面终端由望远镜100、精跟踪与自适应光学系统101、激光发射系统102组成。下行激光依次经过望远镜100、精跟踪与自适应光学系统101后，最终进入通信端机用于通信。上行激光由激光发射系统102发出，经过精跟踪与自适应光学系统101后，由望远镜100发出。
优选地，卫星下行激光包括信标激光和信号激光，两者中心波长不同。望远镜100、精跟踪与自适应光学系统101可用其信标激光或者部分信号激光或者两者并用来进行探测。
优选地，还包括信号激光发射系统103，上行信号激光由信号激光发射系统103发出，经过精跟踪与自适应光学系统101后，由望远镜100发出。于此同时，激光发射系统102发射上行信标激光。两者中心波长和发散角不同。上行信标激光的发散角大于上行信号激光的发散角。
优选地，激光发射系统102或者信号激光发射系统103可以为单路激光发射或者多路激光合成发射。
优选地，地面终端捕获卫星时，若卫星目标不在地面终端的望远镜100的捕获探测器视场当中，地面终端需要通过扫描来发现卫星目标。
优选地，地面终端与卫星建链时，卫星可以是地球同步轨道卫星、高轨卫星、中轨卫星或低轨卫星。
与现有技术相比，本实用新型具有显著优点。
1)本实用新型采用“上行高精度凝视，下行单向快扫”的建链地面终端，比常规的“双向盲扫”方式显著的缩短了建链扫描的时间。
2)为了实现上行高精度凝视，本实用新型采用“共光路收发双向校正”技术，可以对发射激光进行主动校正，显著提高发射激光的指向精度。
3)本实用新型分两步实现上行高精度凝视。第一步，对卫星反射的太阳光进行精跟踪校正，然后共光路发射上行信标激光，被预校正后的上行信标激光发射指向精度可优于10μrad(3σ)，对于100μrad的发散角，可确保上行信标激光覆盖卫星。第二步，星上终端扫描地面终端，由于上行激光覆盖了卫星，星上终端很容易就能够对准地面终端，对准后地面终端对接收到的下行激光进行精跟踪校正和自适应光学校正。于此同时，上行信号激光同光路逆向发射，被精跟踪和自适应光学系统预校正后的上行信号激光的光束质量和指向精度都显著提高，发射指向精度可优于1μrad(3σ)，比目前的常规发射指向精度高了一个数量级。
4)本实用新型采用“上行高精度凝视，下行单向快扫”的建链方式后，建链时间达秒级，比目前常规的分钟级建链提高一个数量级，可实现星地激光快速建链。在无线激光通信、空间激光通信、大气激光通信、星地激光通信、激光大气传输等领域有广泛的应用。
附图说明
图1为一种星地快速建链地面终端示意图；
图2为一种带信号发射的星地建链地面终端示意图；
图3为地面终端捕获卫星过程示意图；
图4为地面终端捕获住卫星示意图；
图5为地面终端对卫星目标来的光进行精跟踪校正；
图6为地面终端发射上行激光覆盖卫星，星上终端开始扫描地面终端；
图7为星上终端对准地面终端示意图；
图8为地面终端对下行激光进行精跟踪和自适应光学校正(AO校正)；
图9为地面终端共光路逆向发射的上行信号激光经预校正后获得更高精度的指向；
图10为星地建链并通信示意图；
图中，100为望远镜(Telescope)，101为精跟踪与自适应光学系统，M1和M2为一对反射式离轴抛物面对，用来缩小光束口径，DM为变形镜，TM1为高精快反镜，HWS 为波前探测器，102为激光发射系统，MCUB为多路激光发射合成模块，Beacon beam为地面终端发射的上行信标激光，103为信号激光发射系统，TM2为高精快反镜，Camera 为相机，Signal beam为卫星发射的下行激光。
具体实施方式
下面结构附图以及具体实施方案进一步说明本实用新型，但不应以此限制本实用新型的保护范围。
如图1和图2所示，根据本实用新型实施例的一种星地快速建链地面终端，由望远镜100、精跟踪与自适应光学系统101、激光发射系统102组成。下行激光依次经过望远镜100、精跟踪与自适应光学系统101后，最终进入通信端机用于通信。上行信标激光由激光发射系统102发出，经过精跟踪与自适应光学系统101后，由望远镜100发出。
望远镜100口径Φ1.76m，为卡塞格林反射式望远镜。精跟踪与自适应光学系统101位于库德房中，自适应光学单元数357单元，望远镜的捕获、精跟踪探测、自适应光学的波前探测可使用信标光或者信号光或者两者的组合做为探测波长，本实施例选用 808nm的下行信标激光作为望远镜100、精跟踪和自适应光学的探测激光。激光发射系统102可为单路或者多路的激光发射系统，本实施例选择4路发射830nm激光的发射系统。激光发射系统102中由4路830nm的多模光纤输出，经过准直后呈梅花状发出(在望远镜100出瞳位置，每路的激光口径为Φ606mm)。
激光发射系统102或者信号激光发射系统103中，高精度快反镜TM2用于对发射激光的提前角进行控制，相机(Camera)用于监视发射的光轴情况。如果光轴不共轴，可以控制每一路光纤的位置以调整发射方向，保证每一路的发射激光共轴发出。
望远镜100中的快反镜(如图5所示)和精跟踪与自适应光学系统101中的高精快反镜TM1用于校正接收激光和发射激光的倾斜抖动，变形镜DM用于校正接收激光和发射激光的除倾斜以外的高阶像差。波前探测器HWS用于探测下行激光的畸变波前，以控制变形镜DM和高精快反镜TM1工作。波前探测器HWS的最大探测帧率为2000Hz 以上。
图1和图2中，100为望远镜(Telescope)，M1和M2为一对反射式离轴抛物面对，用来缩小光束口径，MCUB为多路激光发射合成模块，Beacon beam为地面终端发射的上行信标激光，Signal beam为卫星发射的下行激光。
星地快速建链的过程为：
如3和图4所示，地面终端中的望远镜100捕获卫星；
如图5所示，望远镜100中的快反镜和精跟踪与自适应光学系统101中的高精度快反镜TM1，对捕获的卫星进行精跟踪校正；
如图6所示，地面终端共光路逆向发射上行信标激光覆盖卫星；
下行激光扫描地面站；
如图7所示，下行激光对准地面站，地面站接收到下行激光，星上终端接收到上行信标激光；
如图8所示，地面终端对下行激光进行精跟踪和自适应光学校正；
如图9所示，地面终端共光路逆向发射的上行信标激光经预校正后获得更高精度的指向；
如图10所示，地面终端共光路逆向发射上行信标激光，星地完成建链，进行星地激光通信。
优选地，卫星下行激光包括信标激光和信号激光，两者中心波长不同。望远镜100、精跟踪与自适应光学系统101可用其信标激光或者部分信号激光或者两者并用来进行探测。
卫星下行激光可以仅仅为一个波长，既可以做信标激光，也可以做信号激光。同样，卫星下行激光可以有两类波长，一类是信标激光，一类是信号激光。两者的中心波长不同。本实施例选择卫星下行激光为两个波长，包括808nm下行信标激光和1530nm下行信号激光。808nm的下行信标激光、1530nm下行信号激光均可作为望远镜100、精跟踪和自适应光学的探测激光。本实施例中，选用808nm(800nm波段均可)波长和1530nm (1550nm波段均可)作为精跟踪的探测激光，选用1530nm(1550nm波段均可)作为自适应光学系统的探测激光。
优选地，还包括信号激光发射系统103，上行信号激光由信号激光发射系统103发出，经过精跟踪与自适应光学系统101后，由望远镜100发出。于此同时，激光发射系统102发射上行信标激光。两者中心波长和发散角不同。上行信标激光的发散角大于上行信号激光的发散角。
本实施例包括信标发射系统和信号激光发射系统103，信标激光发射系统由激光发射系统102实现，如图1和图2所示，分别发射830nm的上行信标激光和1560nm的信号激光。两者经过精跟踪与自适应光学系统101后，由望远镜100发出。830nm的上行信标激光发散角120μrad，1560nm的信号激光发散角20μrad。
优选地，激光发射系统102或者信号激光发射系统103可以为单路激光发射或者多路激光合成发射。
地面终端可以仅含有激光发射系统102，或者同时含有激光发射系统102和信号激光发射系统103。当仅含有激光发射系统102时，其发射的激光既是信标激光也是信号激光，如图1所示。本实施例选择同时含有激光发射系统102和信号激光发射系统103。激光发射系统102含4路多模激光合成发射，信号激光发射系统103为单路激光发射。
优选地，地面终端捕获卫星时，若卫星目标不在地面终端的望远镜100的捕获探测器视场当中，地面终端需要通过扫描来发现卫星目标。
当卫星出现偏航或者未定轨的情况时，卫星的真实位置和根据给定轨道计算的位置差别很大，这时卫星目标往往不在地面终端的望远镜100的捕获探测器视场当中，地面终端需要具备通过扫描来发现卫星的功能。一旦发现卫星，能够修正轨道，以减少下次捕获时间。本实施例的地面终端具备扫描功能。
优选地，地面终端与卫星建链时，卫星可以是地球同步轨道卫星、高轨卫星、中轨卫星或低轨卫星。
本实施例选择高轨卫星，星地链路距离40000km。
本实施例地面终端口径Φ1760mm，位于云南丽江站，海拔3200m。可以实现对低轨、高轨以及地球同步轨道卫星的建链和通信试验。2018年12月19日，对中轨卫星 M17进行了星地建链试验，建链时间间于1s到5s，比国际上分钟级别的星地建链时间提高一个数量级，验证了本实用新型的先进性。
本实用新型说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。上面描述是用于实现本实用新型及其实施例，本实用新型的范围不应由该描述来限定，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本实用新型的范围的任何修改或局部替换，均属于本实用新型权利要求来限定的范围。
Claims (6)
1.一种快速建链地面终端，其特征在于，地面终端由望远镜(100)、精跟踪与自适应光学系统(101)、激光发射系统(102)组成，下行激光依次经过望远镜(100)、精跟踪与自适应光学系统(101)后，最终进入通信端机用于通信，上行激光由激光发射系统(102)发出，经过精跟踪与自适应光学系统(101)后，由望远镜(100)发出。
2.根据权利要求1所述的一种快速建链地面终端，其特征在于，卫星下行激光包括信标激光和信号激光，两者中心波长不同，望远镜(100)、精跟踪与自适应光学系统(101)可用其信标激光或者部分信号激光或者两者并用来进行探测。
3.根据权利要求1所述的一种快速建链地面终端，其特征在于，还包括信号激光发射系统(103)，上行信号激光由信号激光发射系统(103)发出，经过精跟踪与自适应光学系统(101)后，由望远镜(100)发出，与此同时，激光发射系统(102)发射上行信标激光，两者中心波长和发散角不同，上行信标激光的发散角大于上行信号激光的发散角。
4.根据权利要求1或3所述的一种快速建链地面终端，其特征在于，激光发射系统(102)或者信号激光发射系统(103)可以为单路激光发射或者多路激光合成发射。
5.根据权利要求1所述的一种快速建链地面终端，其特征在于，地面终端捕获卫星时，若卫星目标不在地面终端的望远镜(100)的捕获探测器视场当中，地面终端需要通过扫描来发现卫星目标。
6.根据权利要求1所述的一种快速建链地面终端，其特征在于，地面终端与卫星建链时，卫星可以是地球同步轨道卫星、高轨卫星、中轨卫星或低轨卫星。
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