空间光通信系统的初始捕获对准研究及实验

文章提出采用GPS(全球定位系统)坐标解算和蜂窝螺旋扫描来实现空间光通信ATP(捕获、跟踪和对准)系统初始捕获的方法。首先由通信两端的GPS坐标计算出光学天线的方位角和俯仰角,光学天线根据计算的角度值大致对准信标光的方向,从而缩小了信标光捕获的不确定区域。然后在不确定区域内执行蜂窝螺旋扫描,从而将信标光引入粗跟踪CCD(电荷耦合元件)的视场内,实现初始捕获。通过地面捕获实验验证了上述方法的有效性。     

空间光通信中GPS辅助快速捕获对准技术

基于GPS坐标解算空间光通信终端初始对准的方位角和俯仰角,实现了信标光的快速捕获对准.给出了GPS坐标解算算法,根据解算得到的角度和自身姿态信息计算二维转台的指向角,以此驱动转台快速指向目标.测试了不同调整角度的初始对准误差和时间.进行了外场捕获对准实验,并对实验数据进行了分析,结果表明该系统可以用于快速建立空间激光通信链路.     

定点激光通信系统天线捕获技术

对系统的硬件组成和算法原理进行了论证.在距离为12.5km两个点上使用双天线GPS系统提供的位置信息结合坐标转换矩阵,解算通信双方互指的方位角和俯仰角,控制伺服转台完成了视轴天线捕获实验.借助于电子经纬仪系统完成了对捕获不确定区域大小的论证,确定地面定点激光通信系统捕获不确定区域大小为25mard.     

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。     

无线光通信GPS辅助定点捕获实验研究

针对无线光通信对快速、精准的光束对准技术需求,为减小系统链路建立时间,增加捕获可靠性,提出将GPS技术应用于光通信实验系统中。以TMS320F2312为控制核心,可根据实时GPS坐标解算出需调整的方位及俯仰角,进而驱动二维转台完成初始捕获,据此进行了多次初始捕获实验。结果表明,采用GPS导航定位技术,可快速实现信标光的初始捕获,且具有较高的捕获成功概率。     

市内建筑间无线光通信GPS辅助单向捕获研究

为减小无线光通信链路建立时间及增加系统捕获可靠性,提出将GPS技术应用于光通信实验系统中。以TMS320F2812为控制核心,搭建了无线光通信定点单向捕获实验系统。系统采用用户界面统一控制,双方GPS坐标手工输入至用户界面,解算出需调整的方位及俯仰角后送于F2812,驱动二维转台完成初始捕获,据此选择多点进行了多次单向初始捕获实验。结果表明,采用GPS导航定位技术,可快速实现信标光的初始捕获,且具有较高的捕获成功概率。     

500mm口径星地激光通信地面接收端系统设计

为提高星地激光通信地面接收端探测灵敏度和分辨能力,减少信标光捕获时间和难度,基于星地激光通信链路和设计方案,结合自适应光学（AO）技术,设计了一套500 mm口径的星地激光通信地面接收端系统。该系统采用库德光路、共口径分光探测形式,包含卡塞格林天线、倾斜镜精跟踪、AO超精跟踪、AO波前探测等4个单元。天线物镜组采用同轴卡塞格林结构,结合折射镜组构成开普勒望远结构,兼顾体积和长出瞳距的需求。在精跟踪倾斜镜和AO倾斜镜之间设计了4f系统,解决校正光轴时的瞳面漂移问题。在波前探测器和变形镜之间设计了双远心系统,构建两者共轭关系,降低波前探测的轴向误差影响。采用光学被动式方法对4个单元进行消热差设计,提高系统温度适应性。最终实验结果表明：在10℃～30℃范围内,各单元波像差均优于1/10λ（λ=632.8 nm）,满足设计要求,具有一定借鉴价值和工程意义。     

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。     

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。     

小型变焦无线光通信终端ATP技术研究

通信目标光学捕获对准技术不依赖GPS和无线通讯手段、不易受强电磁环境的干扰,是发展轻小型化激光通信的重要方向。本文针对轻小型化无线光通信终端天线展开研究,设计了切换变焦形式的光学天线,构建了以变焦光学天线为基础的无线光通信终端模型,通过链路功率核算,验证了变焦前信标光和变焦后通信光链路的有效性。本设计为激光通信系统的便携式应用提供重要技术支撑。     

Research on the acquisition and tracking simulation system of light beacon in satellite-ground optical communications

The study on the acquisition and tracking simulation system in satellite-ground optical communications is presented here. By applying global positioning system (GPS) coordinate calculation, the time needed in initial acquisition of light beacon can be reduced largely. Smith predictor is applied to compensate the mechanical hysteresis of tracking system and to improve the dynamic performance of the system. Tracking experiments over a 16 km distance on the ground are conducted to verify the tracking of light beacon in satellite-ground optical communications. The standard deviation of horizontal coordinates is 35.3568 μrad and the maximum offset is 209.3675 μrad in stable tracking.     

地面动态跟踪精度试验中的坐标系变换研究

为了简便有效地对光电产品进行检测,在地面模拟飞机实际飞行环境下进行地面运动目标跟踪精度试验,提出了将目标的GPS位置信息转换为产品坐标系下的坐标的变换方法,经过Matlab仿真计算,这种变换方法得到的目标基于产品的方位、俯仰角符合实际情况,适合计算跟踪精度。     

一种用于卫导站间卫星通信的天线跟踪与自校准方法

本文提出了一种用于卫星导航系统站间卫星通信的天线跟踪与自校准方法,该方法利用卫星导航电文信息计算出卫星准确的方位角和俯仰角用于天线跟踪,相比传统的天线步进跟踪方法,不会出现跟踪失败的情况,提高了天线跟踪的可靠性,并在进行天线跟踪的同时,完成了天线指向的自校准工作,减少了人工维护工作量。     

基于船载卫星通信三轴天线的跟踪搜索技术

针对船载卫星通信三轴天线跟踪系统,介绍了船载三轴天线的系统组成,提出了一种基于捷联惯导的船载三轴天线跟踪搜索技术。天线以目标地理角为中心,通过坐标转换将目标地理角转换为天线的目标甲板角,调整AEC三轴使其及时准确地跟随目标甲板角。目前,该方法已经成功应用于多种船载三轴天线。实践表明,该方法能够快速准确地搜索到目标卫星,并实现对目标卫星的稳定跟踪。     

全空域球面相控阵测控系统的一种过顶跟踪方法

针对球面相控阵天线在跟踪高仰角过顶的动态目标时因方位角跳变引起的跟踪中断问题,提出了一种基于坐标系旋转的过顶跟踪方法。仿真表明,该方法很好地满足了相控阵天线角跟踪设计需要,能有效解决球面阵天线高仰角的跟踪过顶问题。目前,该方法已经成功应用于工程项目。     

一种应用于VICTS天线的组合跟踪算法

可变倾角连续断面节阵列(VICTS)天线在使用单一跟踪算法跟踪卫星时,存在跟踪速度和跟踪精度之间的矛盾,导致天线不能稳定地跟踪卫星.文章在分析VICTS天线的基础上对步进跟踪算法进行改进,提出一种基于程序跟踪、步进跟踪的组合跟踪算法.通过设定信标AGC阈值把跟踪状态分为程序跟踪、步进跟踪,并将跟踪态和信标AGC值作为跟...     

多板天线“动中通”跟踪测角算法研究

跟踪技术是低轮廓"动中通"系统的核心技术之一.研究了多板天线"动中通"系统的跟踪方案,并针对低轮廓"动中通"跟踪过程中如何获取天线指向相对于卫星方向的偏差角问题,提出了适用于一维机扫一维电扫的多板天线"动中通"系统的方位、俯仰跟踪测角算法,解决了系统的跟踪测角问题,为实现低轮廓低成本"动中通"系统提供了重要的理论参考.     

天基监视中的双星相对运动模型研究

以天基监视为背景,依据几何学原理和矢量计算工具,主要研究了双星相对运动模型。一方面,突破力学求解方式,采用一种区别于传统轨道根数的卫星轨道生成规则,可清晰直观地描述卫星轨道;另一方面,结合光电跟踪系统,研究了双星运动过程中的相对方向变化。通过对异面太阳同步圆轨和共面地球同步圆轨双星相对运动模型的仿真计算,获得了卫星轨道、相对距离、方位角、俯仰角、方位角速率、俯仰角速率的变化结果,分析结果证明了此方法的合理性,可为天基监视中的工作区域选择、卫星轨道设计、监视系统设计和捕获跟踪瞄准控制系统设计等物理问题和关键技术提供定性和半定量参考。     

一种探空仪自动跟踪系统的设计

为解决探空仪和地面接收系统的远距离无线通信问题,设计了一种定向接收天线自动跟踪系统。该系统根据目标探空仪和跟踪系统GPS定位数据,计算出探空仪相对跟踪系统所在地的俯仰角和方位角,利用伺服系统驱动定向接收天线,使定向接收天线的主波束自动对准探空仪所在位置,实现对探空仪的跟踪功能,较大程度地延长了通信距离。详细阐述了对球载探空仪的自动跟踪算法以及硬件实现结构。经过实际测试表明,系统具有跟踪效果良好、通信距离远、稳定性好、性价比高等特点,满足设计要求。