本发明专利技术公开了一种空地激光通信中星上终端的超前瞄准方法，该方法利卫星平台GPS数据和姿态测量系统数据，结合当前通信端机的光路结构，计算通信光超前瞄准时信标光在精跟踪相机上的成像位置，以此作为精跟踪系统的动态跟踪中心，由精跟踪系统控制快速倾斜镜偏转，使通信光出射方向偏离信标光光轴，从而实现超前瞄准。本发明专利技术基于精跟踪系统实现，保证了超前瞄准的执行精度，降低了系统的复杂度，减轻了质量，并且不会影响通信光的出射功率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及空间激光通信跟踪瞄准技术，具体涉及ー种空地激光通信星上终端的超前瞄准(即Point Ahead)方法，可用于跟踪状态下星上终端通信光的超前预指向。
技术介绍
空间激光通信相比其他经典通信方式具备系统体积小，通信速率高及保密性好等优点，但为了提高通信距离并減少系统资源消耗，通信光的发散角一般接近于发射衍射极限(μ rad量级)。在相对运动的两个激光通信终端间，光束空间传输产生的时间延迟使得跟踪出现滞后偏差，该偏差随着终端间相对速度的増大、通信光发散角的减小而影响愈严重，甚至使得终端间通信链路不能正常建立。根据两个相对运动通信终端的位置和速度，我们可以计算出通信光束应当如何偏离跟踪方向进行发射，使得光束经过传输后刚好覆盖接收终端，这就是超前猫准(Point Ahead)。 在众多通信终端中，超前瞄准的实现是在通信光路中加入独立的超前瞄准系统，由GPS数据、姿态数据以及当前光路状态进行超前瞄准角计算，通过超前瞄准执行机构驱动反射镜偏转实现通信光的超前瞄准；为了获得较高的执行精度，往往在通信光路中加入光电探测器监视通信光的偏转角度(如LCE終端)，或监测通信光相对于信标光的偏转角度(如LUCE终端)。这类方法有以下不利影响I)使用了独立的超前瞄准系统，増加了星上终端的重量和系统复杂度，増加了星上资源的消耗，同时还使得整个系统的可靠性降低；2)考虑到当前星上激光器输出功率有限，于通信光路中加入监视器，分离了部分通信光功率，使得真正用于通信的通信光功率有限，降低了整个通信链路的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供ー种空地激光通信中星上终端的超前瞄准(Point Ahead)方法，解决使用独立超前瞄准系统带来的资源消耗大、系统复杂和损失通信光功率的问题。本专利技术的技术思路已知WGS-84坐标系中地面站位置、卫星的位置和速度，根据伽利略相対速度原理，可以得到惯性坐标系J2000. O下地面站相对于卫星的位置矢量和速度矢量；通过坐标转换，最終可将其转换到仪器坐标系中表示，并且从这两个向量可获知超前瞄准时信标光偏离通信光的角度和方向。精跟踪相机5-1探測器上各点对应于仪器坐标系中的跟踪方向，并且在光电ニ维转台6转角确定的情况下该对应关系是确定的；探測器上两点的位置矢量，其模对应向量间的夹角，其方向表征了向量间的偏离方向。通过地面同轴标定，跟踪模式下标定点(X(l，y0)对应通信光的出射方向；跟踪点——信标光成像光斑的质心点，对应信标光入射的逆方向。已知信标光相对通信光的偏离方向和角度，可以得到信标光的像斑质心位置，即精跟踪系统的跟踪中心。将该跟踪中心输入精跟踪系统5用于闭环控制，当精跟踪相机5-1的输出坐标值与给定的跟踪中心一致时，通信光则沿着超前瞄准的方向出射。精跟踪相机5-1探測器上点与仪器坐标系中方向向量的关系如图I所示。本专利技术基于包括GPS系统I、姿态测量系统2的卫星平台和包括转台转角測量系统з、超前瞄准计算模块4、精跟踪系统5、光电ニ维转台6的通信終端实现。卫星和通信終端具体组成如图2所示。GPS系统I每隔Λ t时间可提供星上终端在WGS-84坐标系中的位置坐标；姿态测量系统2可提供卫星平台固定坐标系XjbZb相对于轨道质心坐标系的角度偏差偏航角V、滚动角货以及俯仰角θ。转台转角測量系统3可提供光电ニ维转台6俯仰轴转动角度α和方位轴转动角度β，间接表征光电ニ维转台6中望远镜6-1、反射镜6-2,6-3, 6-4和6_5于坐标系XiYiZi中的姿态；超前瞄准计算模块4根据GPS系统I、姿态测量系统2和转台转角測量系统3的数据，计算实现超前瞄准时精跟踪系统5所需的动态跟踪中心。精跟踪系统5对给定的跟踪中心进行跟踪精跟踪控制模块5-5将超前瞄准计算模块4提供的动态跟踪中心与精跟踪相机5-1的当前输出坐标值进行比较、处理，得到快速倾斜镜驱动控制模块5-4的输入指令，由该模块驱动快速倾斜镜5-2到达指定位置，从而使信标光在精跟踪相机5-1上的光斑质心与给定的动态跟踪中心一致。本专利技术的完整工作流程如下I)通信终端组装完成后，进行如下标定I.使入射信标光与出射通信光同轴，此时信标光在精跟踪相机5-1探測面上成像，图像处理后输出探測器坐标系XdYdZd下的坐标值为(X(l，yQ)；II.通信終端工作在开环指向模式，调整信标光入射角使精跟踪相机5-1输出坐标值为(X。，Y0)，再次改变信标光入射角度Λ X，像斑质心坐标值变为(X’ O, f 0)，则质心变化距离与入射角度变化值之比为K本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种空地激光通信中星上终端的超前瞄准方法，它是基于包括GPS系统（1）、姿态测量系统（2）的卫星平台和包括转台转角测量系统（3）、超前瞄准计算模块（4）、精跟踪系统（5）以及光电二维转台（6）的通信终端来实现的，其特征在于包括以下步骤：1）通信终端组装完成后，进行如下标定：I.使入射信标光与出射通信光同轴，此时信标光在精跟踪相机（5？1）探测面上成像，图像处理后输出探测器坐标系XdYdZd下的坐标值为(x0,y0)；II.通信终端工作在开环指向模式，调整信标光入射角使精跟踪相机（5？1）输出坐标值为(x0,y0)，再次改变信标光入射角度Δχ，像斑质心坐标值变为(x“0,y“0)，则质心变化距离与入射角度变化值之比为K：K=(x0-x′0)2+(y0-y′0)2Δχ---(1)2）在轨运行时，超前瞄准计算模块（4）不断接收GPS系统（1）、姿态测量系统（2）和转台转角测量系统（3）的数据，计算超前瞄准时精跟踪相机（5？1）探测器坐标系中的动态跟踪中心(x,y)：I.计算超前瞄准时出射通信光与接收信标光间的夹角σ：σ=2|V→g|2-(V→g·P→g)2/|P→g|2c---(2)式中，为惯性坐标系J2000.0下地面站相对于卫星的速度矢量，为惯性坐标系J2000.0下地面站相对于卫星的位置矢量；V→g=(ω(yT2-yT1)+(x′T2-xT2)/Δt,ω(xT1-xT2)+(y′T2-yT2)/Δt,(z′T2-zT2)/Δt)---(2-1)P→g=(xT1-xT2,yT1-yT2,zT1-zT2)---(2-2)其中，(xT2，yT2，zT2)为GPS系统（1）提供的通信终端在WGS？84坐标系中 的当前坐标值；(x“T2,y“T2,z“T2)为Δt时间间隔前通信终端在WGS？84坐标系中的坐标值；(xT1,yT1，zT1)为地面站在WGS？84坐标系中的固定坐标值；ω为地球自转角速率；c为真空中光速；II.计算超前瞄准时精跟踪系统（5）的动态跟踪中心(x,y)：(x,y)=(x0-K·σ·V→i·P→x(V→i·P→x)2+(V→i·P→y)2,y0-K·σ·V→i·P→y(V→i·P→x)2+(V→i·P→y)2)---(3)式中，为通信终端仪器坐标系XiYiZi中地面站相对于卫星的速度矢量；和为精跟踪相机（5？1）探测器上(+∞,0)和(0,+∞)点在通信终端仪器坐标系XiYiZi中对应的方向向量；VxVyVz=MbiMobMgoω(yT2-yT1)+(x′T2-xT2)/Δtω(xT1-xT2)+(y′T2-yT2)/Δt(z′T2-zT2)/Δt---(3-1)Mbi=a11a12a13a21a22a23a31a32a33---(3-1-1)Mgo=(b23yT2-b22zT2)/λ1λ2(b22zT2-b23xT2)/λ1λ2(b22xT2-b21yT2)/λ1λ2b21/λ2b22/λ2b23/λ2-xT2/λ1-yT2/λ1-zT2/λ1---(3-1-3)b21＝(yT2z“T2？zT2y“T2)/Δt+ωxT2zT2？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？（3？1？3？1）b22＝(zT2x“T2？xT2z“T2)/Δt+ωyT2zT2？？？？？？？？？？？？？？？...
【技术特征摘要】
1. ー种空地激光通信中星上终端的超前瞄准方法，它是基于包括GPS系统(I)、姿态测量系统(2)的卫星平台和包括转台转角測量系统(3)、超前瞄准计算模块(4)、精跟踪系统(5)以及光电ニ维转台(6)的通信終端来实现的，其特征在于包括以下步骤1)通信终端组装完成后，进行如下标定I.使入射信标光与出射通信光同轴，此时信...
【专利技术属性】
技术研发人员：周辉，张亮，吴金才，贾建军，王建宇，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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