基于合作信标的卫星激光通信瞄准捕获仿真系统

针对星间激光通信基于合作激光信标的瞄准与捕获过程,在LabVIEW(虚拟仪器)平台上研制了一套瞄准与捕获仿真系统。该系统模拟卫星轨道姿态动力学,建立双星指向关系,仿真双自由度转台初始对准。根据不确定区域大小,驱动信标激光进行螺旋扫描,根据信标光束散角及探测器视场,确定仿真捕获点以完成捕获。加入含有高斯噪声的最大速度为1°/s,最大加速度为1°/s2的等效正弦扰动进行了动态捕获实验。最终实现了同步轨道卫星和近地轨道卫星间动态双星激光通信瞄准与捕获仿真,形成了基于虚拟仪器的激光通信全过程仿真模式,为跟踪系统仿真及无信标捕获的仿真奠定了基础。     

星地激光通信链路瞄准角度偏差修正及在轨验证

在我国首次星地激光通信链路地面捕获实验初期,由于激光通信终端地面光机装调和整星安装过程中存在的系统误差,在瞄准过程中存在8mrad的瞄准角度偏差,且平均捕获时间大于40s,严重影响星地光通信链路捕获性能。基于此,利用立方棱镜坐标系为桥梁,建立了基于坐标变换的卫星本体坐标系与终端基准坐标系的修正变换矩阵,通过地面坐标系测量,最终对光束瞄准角度偏差进行了有效补偿。海洋二号卫星在轨实测结果表明,星地激光通信链路的瞄准偏差由最初的8mrad减小为0.8mrad,捕获扫描范围显著缩小,链路平均捕获时间由最初的40s减小到小于5s,明显优于国外同类型终端在轨实验性能,对卫星激光通信链路捕获性能的提高具有重大意义。     

无信标星间激光通信系统粗精复合扫描方法

无信标星间激光通信系统无需额外设置信标光组件,直接采用小束散角的信号光进行瞄准捕获跟踪,有利于降低终端的质量、体积、功耗和制造成本等重要指标,满足商业航天和低轨卫星空间激光网络的发展要求。为了克服现有无信标激光通信系统扫描时间长、捕获难度大的问题,综合考虑星上姿态变化、测量精度和终端安装定位误差等因素,对扫描不确定域进行了数值计算,设计了无信标扫描捕获流程,定量分析了粗精扫描机构控制带宽、扫描步长、规划路径与光束覆盖面积的耦合关系,提出了一种简单可靠的无信标粗精复合螺旋扫描方法。典型环境仿真结果表明,采用所提方法平均扫描捕获时长小于20 s,捕获概率大于95%,有效提升了无信标系统的扫描效率,可满足未来低轨卫星空间激光网络的快速建链要求。     

空间激光通信捕获、对准、跟踪系统动态演示实验

捕获、对准、跟踪(APT)系统是空间激光通信重要组成部分,是通信正常进行的前提与保障。对APT系统组成原理、工作原理、关键技术、系统设计、工程实现等内容进行了详细的研究,在此基础上开展室内模拟实验及野外演示验证实验。室内模拟实验跟踪精度达到2~3μrad,表明本系统可应用在星间激光通信中。野外双端动态演示实验在飞艇-船舶间进行,结果表明系统捕获概率优于95%,捕获时间小于60s,系统跟踪精度由于受到大气湍流影响而降低,多次实验测试表明在湍流中跟踪精度达到5~25μrad。APT系统的成功研制为空间激光通信顺利进行奠定了基础。     

一种应用于海上浮标的卫星中继通信终端

为了实现四级海况下海上小型浮标与岸基站数据中心之间的实时通信,设计和研制了一种高速率、低延时和高可靠的S频段卫星中继通信终端。该卫星中继通信终端由S频段中继通信机、抛物面天线、伺服跟踪机构、电源变换模块、温度控制器以及耐10 m水压的天线罩体等组成。终端为直径1 m的半球体,质量小于30 kg,最大峰值功耗小于等于130 W。卫星中继通信终端利用快速捕获跟踪卫星信号技术,能在7 s内迅速捕获和跟踪卫星前向链路信号;采用自适应海况可变码率技术提高了数据传输的可靠性。四级海况下,卫星中继通信终端实现了浮标与岸站之间最大2Mb/s高速率实时数据传输,大回路数据通信误码率小于等于10-5。     

基于伺服控制的水下光动态通信捕获跟踪系统设计

基于空间光通信捕获、对准、跟踪技术的基本理念,笔者设计了一套基于伺服控制的水下无线光动态通信捕获跟踪系统,提出了基于跟踪微分器的电机加减速控制技术,设计了转台粗、精跟踪策略。在此基础上,笔者开展仿真验证、室内模拟测试及水下激光光斑捕获跟踪实验。仿真验证结果表明了该系统与算法策略在原理上的可行性;室内模拟测试方位、俯仰跟踪精度分别为0.08 mrad和0.27 mrad,这表明可将本系统应用于水下无线光动态通信;水下激光光斑捕获跟踪实验结果表明系统的捕获概率优于99%,捕获时间少于9 s,水箱施加扰动前后的跟踪精度分别为0.6 mrad和2 mrad。本文为后续开展水下无线光动态通信技术研究提供了一种技术方法和研究思路。     

卫星激光通信复合轴光跟瞄技术及发展

卫星激光通信具有巨大的潜在应用价值,国际上已实现高码率、小型化、轻量化和低功耗激光通信终端,其中光学跟瞄系统的设计和控制是关键技术之一。由粗跟踪系统和精跟踪系统组成的复合轴系统能实现光跟瞄系统的大范围、高精度跟踪任务。对卫星激光通信光学跟瞄系统的特点和关键技术进行了讨论,介绍了光跟瞄技术中的扫描、捕获、指向、跟踪过程,综述了复合轴光跟瞄控制系统的国外研究进展。最后对卫星激光通信复合轴光跟瞄系统的应用前景进行了展望。     

动态激光通信系统开环捕获技术

主要解决载舰与地面间及载舰与舰间激光通信系统开环捕获的问题.对捕获系统的组成及工作原理进行了详细论证,着重分析了捕获概率和捕获时间的决定因素.通过实例在某海域完成动态激光通信系统试验,捕获概率优于98%,捕获时间小于20s,验证了本系统能够满足动态激光通信系统的开环捕获要求.     

动态空间激光通信系统视轴初始指向建模及验证

捕获、对准、跟踪系统是空间激光通信重要组成部分,是通信正常进行的前提与保障。针对捕获系统中的初始指向内容进行了详细研究,给出初始系统指向系统模型,应用坐标转换矩阵补偿由于位置不同、姿态变化、安装基准轴差异、初始零位不一致等对初始指向方位角和俯仰角的影响。提出初始指向系统视轴标校方法,根据误差分析方法确定了指向精度及捕获不确定区域大小。在飞机-飞机动态演示实验中,应用双天线全球定位系统/捷联导航系统(GPS/INS)组合器件实时得到位置、姿态等参数,实现初始指向系统性能测试。借助观靶相机实际测量本系统捕获不确定区域大小为10mrad,与理论分析结果基本一致。     

基于空间激光通信组网四反射镜动态对准研究

空间激光通信全光链路组网具有较高的通信速率,决定了其在未来全球空间通信领域中的重要地位及发展方向。全光链路组网需解决一点对多点的光学链路问题,不同方法所涉及的结构和跟踪控制方式会有较大差异。基于全光链路组网光学原理,提出了一种轨面四反射镜光学天线结构。基于链路组网方案的光学动态跟踪原理进行数学建模,给出链路通信节点间动态对准时光学参量间的关系,并对数据进行分析,可用于空间激光通信终端捕获、跟踪、瞄准(ATP)控制系统。提出了一种低轨双链路列队卫星组网方案,将激光通信终端光学天线四跟踪平面反射镜的工作面置于卫星轨道平面链路节点处,可实现低轨全光链路空间激光通信组网。     

卫星导航系统地面站测试技术研究

卫星导航系统地面站主要负责卫星定位跟踪、采集、记录和将数据传输到数据中心。 本文介绍卫星导航系统地面站的自动化测试技术，包括测试设备仪器与软件等，并以卫通发射链路 EIRP 测试为例说明测试的效果。     

双机之间激光通信ATP技术研究

机载激光通信系统中,激光光束的对准是通信能否进行的关键,采用ATP(捕获、跟踪和瞄准)技术来解决两机光端机的对准问题。主要进行了两机之间信标光捕获方法研究以及对跟踪和瞄准光学系统进行设计。给出了具体计算的原理方法和数学模型,同时对ATP系统的跟踪和瞄准精度指标进行确定。     

星间光通信无信标捕跟瞄技术

无信标捕跟瞄技术以通信光为信标光,无需额外的信标光激光器,在重量和功耗受限的卫星光通信应用中更具优势。针对低轨小卫星平台星间光通信,对直接探测方式下的捕跟瞄链路进行功率预算分析,研究光通信终端的无信标捕跟瞄技术,设计捕跟瞄流程,并深入分析视轴抖动对捕获时间和捕获概率的影响,提出剩余不确定区域计算方法。结果表明:所设计的无信标捕跟瞄方法所需最大激光发射功率为0.135 W,捕获时间为30 s,捕获概率为95%,能够满足低轨星间光通信链路要求。     

自由空间光通信ATP系统关键技术研究

自由空间光通信将成为未来通信的最佳解决方案之一。首先需要解决实现空间光通信的关键问题是光束的捕获、跟踪和瞄准。该文介绍了自由空间光通信终端机中ATP系统的组成和工作原理，设计了用于ATP系统的精瞄偏转镜、闭环控制器、星上终端二次电源系统，并给出了该系统性能的测试结果。     

移动大气激光通信中接收视场角的研究与分析

在移动大气激光通信中，通常采用信号光和信标光来完成信号的捕获、跟踪、定位以及通信。畅通的通信链路以及稳定的接收信号对通信的建立是至关重要的。如何计算信号、信标光的接收视场角的大小，是决定链路能否畅通，接收信号能否稳定的重要因素。对移动大气激光通信中接收视场角的设计进行了研究和分析，并根据大气激光通信传输方程和黑体辐射理论提出了一种计算移动大气激光通信中信号信标光发射接收视场大小的方法，为实现激光通信系统提供了参数的定量计算方法。     

自由空间激光通信中的APT技术分析

自由空间激光通信是一种新兴的通信方式,是光纤通信和无线通信结合的产物。其中,高精度、宽带宽的激光捕获,以及对准和跟踪（APT）是非常关键的技术。简述APT系统结构与其工作过程,并介绍了其中的关键技术,对捕获方法以及跟踪瞄准的精度做进一步分析,通过分析误差得出一个最优值。     

星间光通信中跟踪控制技术及发展

星间光通信具有巨大的潜在应用价值,国际上已实现高码率、小型化、轻量化和低功耗激光通信终端,其中光学ATP系统的设计是关键技术之一。对ATP系统的特点进行了讨论,介绍了ATP系统中的跟瞄过程,综述了国内外在星间光通信ATP跟踪系统中所采用的控制算法,指出研究新的控制算法或新的PID参数整定方法,是提高ATP跟踪系统精度的发展方向。     

An inexpensive pointing and tracking system using TV cameras and an optical fibre beacon

An optical pointing and tracking system incorporating opto-electronic components is described. The technique uses fast hardware based methods for tracking a beacon of laser light, where the focused spot is maintained in the centre of the TV camera image. The equipment was originally designed for use with a laser line-of-sight communication system for the control of a mobile vehicle, but can be easily used in many other tracking applications such as navigation, target acquisition and optical measurement systems. The system is designed to operate at short ranges from 1–20 m and has a positional accuracy of 0.1 mm or better at 10 m operating distance.     

激光星间通信终端精瞄微定位系统研究现状

激光星间通信是未来通信的最佳解决方案之一,激光束的捕获、瞄准和跟踪技术(APT)是激光星间通信的关键技术。精瞄微定位系统是APT系统的重要组成部分,与粗瞄系统配合执行激光束的捕获、瞄准和跟踪任务。该文介绍了精瞄微定位系统的关键技术,详细阐述了精瞄偏转镜机构、驱动检测技术及控制方法等关键技术的国内外研究现状,指明了系统的发展趋势,对进一步研究微定位系统具有指导意义。