CN117741562A - 基于飞秒光梳跟踪测量的高精度星间相对定位***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于飞秒光梳跟踪测量的新型高精度星间相对定位***及方法，由飞秒光梳调制***提供高稳调制光源；光学***用于激光远距离传输和主动跟踪运动的合作靶标，使得激光原路返回，进而被光电探测器探测，保证测距范围、测距精度和跟踪精度；电路***用于高精度测距、位置灵敏探测器指向测角、输出快反镜反馈控制信号，将获取的位置偏移信息转换成角度偏转信息发送给反馈电路，得到高精度测角信息，从而快速调整激光光束的指向，实现对目标靶球的动态实时精密跟踪测角。最后，融合高精度测距、测角结果，解算出三维位置，完成星间相对定位。本发明的精度高、范围远、实时性好，可满足高精度星间相对定位***远距离测量需要。

Description

基于飞秒光梳跟踪测量的高精度星间相对定位***及方法

技术领域

本发明涉及精密光学测量与检测技术领域，具体涉及一种基于飞秒光梳跟踪测量的高精度星间相对定位***及方法。

背景技术

高精度星间相对定位***及方法能够广泛用于分布式干涉合成孔径雷达(InSAR)、虚拟太空望远镜等卫星精密编队飞行任务。

通常，分布式卫星精密编队飞行任务星间相对定位主要基于GNSS载波相位差分，其精度可达mm级。然而，该方法需要交换星间链路数据事后处理，测量实时性较差，且受限于星间时间同步、多路径效应影响，星间相对定位精度难以进一步提升，极大限制了卫星编队任务效能。激光跟踪定位技术结合激光精密测距和测角，具有测量距离远、精度高、主动跟踪测量的优点，有望克服现有GNSS相对定位精度难以进一步提升、实时性较差的缺点。然而，现有激光跟踪方法直接应用于星间定位存在断光续接延迟、测量范围不足、跟踪指向精度较差等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于飞秒光梳跟踪测量的高精度星间相对定位***及方法，以克服现有星间相对定位技术中测量范围不足、跟踪指向精度较差、实时性不足的缺点，为突破大范围、高精度、无断光续接延迟的实时星间相对定位技术瓶颈提供一种新途径。

为达到上述目的，本发明提供一种星间相对定位***，包括：飞秒光梳调制***、光学***、电路***和合作标靶；

所述飞秒光梳调制***，用于为星间测距和PSD位置偏移探测提供飞秒光梳调制光源；

所述光学***，用于对飞秒光梳调制***发射的激光束进行准直扩束和收发隔离，通过PSD进行位置偏移探测，通过快反镜进行激光束空间指向调整，并接收经所述合作靶标反射后的激光束；

所述电路***与所述飞秒光梳调制***和光学***相连，用于对发射、接收的激光束进行信号处理、采样以获取测距信号和位置偏移信号，并对所述测距信号和位置偏移信号进行融合处理得到跟踪指向角度，根据解算角度结果反馈控制快反镜，来调整激光光束的指向，实现对目标靶球的动态实时跟踪；通过对测距信号和指向跟踪测角进行融合，解算出三维位置，完成星间相对定位。

可选地，所述飞秒光梳调制***采用电光调制器对重频稳定的飞秒光梳进行强度调制，通过模间拍频获取多个频率测尺信号，基于快速傅里叶变换算法对光电探测信号进行多测尺同步鉴相，结合合成波长法相位测距原理完成测距解模糊，以获取星间距离信息。

可选地，所述光学***采用收发同轴准直扩束光路进行激光传输，采用PSD进行目标位置偏移探测和角度反馈量解算，采用二维快反镜进行激光束发射方向指向调整，完成对合作靶标的跟踪。

可选地，所述电路***采用降频、采样、跟踪、信息融合电路，用于测距、测角、输出快反镜反馈控制信号及相对位置解算信息，实现跟踪测量。

如权利要求1所述的星间相对定位***，其特征在于，所述合作靶标包含三个相互垂直的反射面，使激光束原路返回。

可选地，激光原路返回至光学***时，经过分束镜，一部分激光被光电探测器接收进行测距，另一部分激光被PSD接收进行位置偏移探测及快反镜角度反馈控制。

可选地，所述飞秒光梳调制***、光路***和电路***置于主星，所述合作靶标安装于远距离的待测目标星。

本发明还提供一种星间相对定位方法，采用上述任意一项星间相对定位***实现，所述方法包括：

通过飞秒光梳调制***为星间测距和PSD位置偏移探测提供飞秒光梳调制光源；

通过光学***对飞秒光梳调制***发射的激光束进行准直扩束和收发隔离，由PSD进行位置偏移探测，由快反镜进行激光束空间指向调整，并接收经所述合作靶标反射后的激光束；

电路***对发射、接收的激光束进行信号处理、采样以获取测距信号和位置偏移信号，并对所述测距信号和位置偏移信号进行融合处理得到跟踪指向角度，根据解算角度结果反馈控制快反镜，来调整激光光束的指向，实现对目标靶球的动态实时跟踪；通过对测距信号和指向跟踪测角进行融合，解算出三维位置，完成星间相对定位。

本发明提供的又一种星间相对定位方法，采用上述任意一项星间相对定位***实现，所述方法包括以下步骤：

步骤1，通过飞秒光梳调制***和光学***发射激光束至合作靶标，所述合作靶标对所述激光束进行反射后原路返回，再经电路***处理，基于多测尺FFT的合成波长法相位测距原理，完成星间测距；

步骤2，依据PSD脱靶量对合作靶标目标偏移进行测量，并结合测距结果，完成快反镜角度偏转解算，根据解算角度控制激光束偏转方向；

步骤3，确定返回光斑是否位于PSD中心，若否，继续依据PSD脱靶量进行角度反馈控制，直至光斑回到PSD中心，此时脱靶量为零，完成指向跟踪测角；

步骤4，电路***对测距信息和指向跟踪测角信息进行融合，输出相对位置，实现星间相对定位。

与现有技术相比，本发明提供的高精度星间相对定位***及方法，具有以下有益效果：

本发明提供一种基于飞秒光梳跟踪测量的新型高精度星间相对定位***及方法，飞秒光梳调制***用于提供高稳调制光源，保证测距范围和测距精度；光学***用于激光远距离传输和主动跟踪运动的合作靶标，使得激光原路返回，进而被光电探测器探测，保证测距范围、测距精度和跟踪精度；电路***用于高精度测距、位置灵敏探测器(PSD)指向测角和输出快反镜反馈控制信号，将获取的位置偏移信息转换成角度偏转信息发送给反馈电路，得到最终高精度测角信息，从而快速调整激光光束的指向，实现对目标靶球的动态实时精密跟踪测角。最后，融合高精度测距、测角结果，即可解算出三维位置，完成星间相对定位。

本发明采用飞秒光梳强度调制合成波长法，基于快速傅里叶变换(FFT)多测尺组合的高精度同步鉴相获取不同测尺相位信息进行合成波长测距，可克服激光干涉测距存在断光续接延迟缺点，同时解决目前制约飞秒光梳测距技术测量精度、测量范围和测量速度的问题，完成对远距离角合作靶标的微米级精度测距。采用激光自准直的快反镜进行高精度角度测量，结合高灵敏度PSD对动目标进行大范围高精度位置偏移探测，实现精密跟踪，获取亚角秒级指向角度精度。通过对微米级精度距离和亚角秒级精度角度信息进行融合，可完成高精度星间相对定位。本发明基于飞秒光梳合成波长法测距精度高、快反镜和PSD指向跟踪测角精度高、数据更新速度快的特点，可在百米级星间范围实现亚毫米级高精度实时星间相对定位。

采用本发明提供的高精度星间相对定位***及方法精度高、范围远、实时性好，可满足高精度星间相对定位***远距离测量需要。本发明将在分布式干涉合成孔径雷达(InSAR)、虚拟太空望远镜等卫星精密编队飞行任务中获得更广泛的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1是本发明一实施例提供的一种高精度星间相对定位***的组成图；

图2为本发明一实施例提供的一种高精度星间相对定位方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图1～2和具体实施方式对本发明提供的一种高精度星间相对定位***及方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

如背景技术所述，传统星间相对定位主要基于GNSS载波相位差分，其精度可达mm级。然而，该方法需要交换星间链路数据事后处理，测量实时性较差，且受限于星间时间同步、多路径效应影响，星间相对定位精度难以进一步提升，极大限制了卫星编队任务效能。激光跟踪定位技术结合精密测距和测角，具有测量距离远、精度高、主动跟踪测量的优点，有望克服现有GNSS相对定位精度难以进一步提升、实时性较差的缺点。然而，现有激光跟踪方法直接应用于星间定位存在断光续接延迟、测量范围不足、跟踪指向精度较差等问题。

基于此，本发明提供一种基于飞秒光梳跟踪测量的高精度星间相对定位***及方法，以克服现有星间相对定位技术存在断光续接延迟、测量范围不足、跟踪指向精度较差等问题。

请参考图1，本发明一实施例提供的一种高精度星间相对定位***，包括飞秒光梳调制***S10、光学***S20、电路***S30和合作靶标S40。

所述飞秒光梳调制***S10与光学***S20一起工作，用于发射和空间传输高稳调制激光信号，所述电路***S30与所述飞秒光梳调制***S10、光学***S20连接，对所述合作靶标S40反射回的激光信号进行探测和处理。

所述飞秒光梳调制***S10包含稳频飞秒激光器、原子钟、调制驱动以及电光调制器(EOM)，用于为星间大范围精密测距和PSD精密位置探测提供高稳飞秒光梳调制光源。

所述光学***S20包含准直器、半波片、偏振分束镜、1/4波片、扩束器、分束镜、透镜、PSD(位置灵敏探测器)、快反镜以及参考/测量光电探测器，用于对飞秒光梳调制***发射的激光束进行准直扩束和收发隔离，以PSD进行位置偏移探测，以快反镜进行激光束空间指向调整，保证远距离传输光束质量，并接收经所述合作靶标S40反射后的激光束。

所述电路***S30包含AD采样、多路同步FFT鉴相、快反镜控制信号输出以及相对位置解算，用于高精度测距、PSD指向测角和输出快反镜反馈控制信号，从而快速调整激光光束的指向，实现对目标靶球的动态实时精密跟踪测角。同时，融合高精度测距、测角结果，解算出三维位置，完成星间相对定位。

所述合作靶标S40包含三个相互垂直的反射面，可以保证发射的激光束原路返回，同时采用合适的金属镀膜，可保证在激光束波段的高反射率。

优选的，所述飞秒光梳调制光源S10与电路***S30采用强度调制飞秒光梳模间拍频产生多测尺信号，基于快速傅里叶变换算法对所述光电信号进行多测尺同步鉴相，结合合成波长法相位测距原理完成大范围精密测距解模糊，无需额外辅助粗测和调节激光器重频，且不存在断光续接问题，提高了测量实时性。可实现百米范围内微米级精度实时测距。

优选的，所述光路***S20采用快反镜与PSD对所述激光束进行精密指向跟踪，PSD可实现微米级位置偏移探测，进而实现亚角秒级精度指向。结合亚角秒级精度、数百赫兹控制带宽快反镜，实现高精度快速指向跟踪，可突破传统激光转台跟踪测量角度精度较低和跟踪速度慢的问题，提高了测角精度和跟踪实时性。可实现百米范围内亚角秒级精度实时测角。

一个示例中，采用飞秒光梳调制光源S10与光路***S20实现对激光束高效收发，由合作靶标S40将发射的激光束原路返回，通过电路***S30进行精密测距、指向跟踪和最终的相对定位。具体的，将飞秒光梳调制***S10、光路***S20和电路***S30置于主星一端，所述合作靶标S40安装于远距离待测目标星的另一端，这样可以方便地在远距离范围内的任一位置进行星间精密跟踪相对定位。

所述飞秒光梳调制***S10通过原子钟对飞秒激光器进行重复频率进行稳频，通过所述调制驱动控制电光调制器(EOM)调制频率，通电后产生低频调制信号(不超过1MHz)，通过光路***S20对S10发射的激光束进行准直扩束，经合作靶标S40及光电探测后，基于飞秒光频梳重频(200MHz)及其调制边带，通过电路***S30完成百米级大范围粗测距。同时，通过电路***S30选择高频高次谐波信号(例如≥800MHz)作为精测尺进行精密测距，可实现微米级精度测距。

所述光路***S20中，PSD位置偏移探测精度可达微米量级，结合距离信息可解算出跟踪偏转角度，通过电路***S30发送给快反镜，实现对合作靶标S40的亚角秒级快速实时跟踪。考虑到本发明中远距离传输光斑尺寸较大，进而快反镜口径也较大，导致快反镜跟踪带宽在百赫兹量级。

所述电路***S30对所述的精密测距和测角信息进行融合，以获取高精度星间相对定位信息。

在应用时，首先为所述飞秒光梳调制光源S10中的EOM设定合适的调制振幅和调制频率，所述电路***S30将获取飞秒光梳调制***S10的光电探测信号进行基于快速傅里叶变换(FFT)的多测尺同步鉴相，完成飞秒光梳合成波长法大范围精密实时测距。然后，光学***S20中的PSD进行精密位置偏移探测，结合上述精密距离信息完成快反镜反馈角度控制。若在PSD上仍存在脱靶量，则继续基于PSD脱靶量对快反镜指向角进行控制，直至返回光斑位于PSD中心，此时所述快反镜测得的角度即为所述高精度星间相对定位***的测角信息。在此基础上，电路***S30对测距和测角信息进行融合，即可间获取高精度星间相对定位***的相对定位信息。

基于同一发明构思，本发明还提供一种高精度星间相对定位方法，采用如上文所述的基于飞秒光梳跟踪测量的高精度星间相对定位***实现流程，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1，通过飞秒光梳调制***和光学***发射激光束至合作靶标，所述合作靶标对所述激光束进行反射后，经过光学***原路返回，再经电路***处理，基于多测尺FFT的合成波长法相位测距完成远距离星间精密测距；

步骤2，PSD脱靶量对合作靶标目标偏移进行测量，并结合飞秒光梳精密测距结果，完成快反镜角度偏转解算，根据解算角度精确控制激光束偏转方向；

步骤3，确定光斑是否回到PSD中心，若否，继续依据PSD脱靶量进行角度反馈控制，直至光斑回到PSD中心，此时脱靶量为零，完成精密指向跟踪测角；

步骤4，电路***对飞秒光梳精密测距信息和快反镜与PSD精密指向跟踪测角信息进行融合，输出相对位置，实现高精度星间相对定位。

综上所述，本发明提供一种高精度星间相对定位***及方法，采用飞秒光梳强度调制合成波长法，基于快速傅里叶变换(FFT)多测尺组合的高精度同步鉴相获取不同测尺相位信息进行合成波长测距，可克服激光干涉测距存在断光续接延迟缺点，同时解决目前制约飞秒光梳测距技术测量精度、测量范围和测量速度的问题，完成对远距离角合作靶标的微米级精度测距。采用激光自准直的快反镜进行高精度角度测量，结合高灵敏度PSD对动目标进行大范围高精度位置偏移探测，实现精密跟踪，获取亚角秒级指向角度精度。通过对微米级精度距离和亚角秒级精度角度信息进行融合，可完成高精度星间相对定位。本发明基于飞秒光梳合成波长法测距精度高、快反镜和PSD指向跟踪测角精度高、数据更新速度快的特点，可在百米级星间范围实现亚毫米级高精度实时星间相对定位。

采用本发明提供的高精度星间相对定位***及方法精度高、范围远、实时性好，可满足高精度星间相对定位***远距离测量需要。本发明将在分布式干涉合成孔径雷达(InSAR)、虚拟太空望远镜等卫星精密编队飞行任务中获得更广泛的应用。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种星间相对定位***，其特征在于，包括：飞秒光梳调制***、光学***、电路***和合作标靶；

所述飞秒光梳调制***，用于为星间测距和PSD位置偏移探测提供飞秒光梳调制光源；

所述光学***，用于对飞秒光梳调制***发射的激光束进行准直扩束和收发隔离，通过PSD进行位置偏移探测，通过快反镜进行激光束空间指向调整，并接收经所述合作靶标反射后的激光束；

所述电路***与所述飞秒光梳调制***和光学***相连，用于对发射、接收的激光束进行信号处理、采样以获取测距信号和位置偏移信号，并对所述测距信号和位置偏移信号进行融合处理得到跟踪指向角度，根据解算角度结果反馈控制快反镜，来调整激光光束的指向，实现对目标靶球的动态实时跟踪；通过对测距信号和指向跟踪测角进行融合，解算出三维位置，完成星间相对定位。

2.如权利要求1所述的星间相对定位***，其特征在于，所述飞秒光梳调制***采用电光调制器对重频稳定的飞秒光梳进行强度调制，通过模间拍频获取多个频率测尺信号，基于快速傅里叶变换算法对光电探测信号进行多测尺同步鉴相，结合合成波长法相位测距原理完成测距解模糊，以获取星间距离信息。

3.如权利要求1所述的星间相对定位***，其特征在于，所述光学***采用收发同轴准直扩束光路进行激光传输，采用PSD进行目标位置偏移探测和角度反馈量解算，采用二维快反镜进行激光束发射方向指向调整，完成对合作靶标的跟踪。

4.如权利要求1所述的星间相对定位***，其特征在于，所述电路***采用降频、采样、跟踪、信息融合电路，用于测距、测角、输出快反镜反馈控制信号及相对位置解算信息，实现跟踪测量。

5.如权利要求1所述的星间相对定位***，其特征在于，所述合作靶标包含三个相互垂直的反射面，使激光束原路返回。

6.权利要求1所述的星间相对定位***，其特征在于，激光原路返回至光学***时，经过分束镜，一部分激光被光电探测器接收进行测距，另一部分激光被PSD接收进行位置偏移探测及快反镜角度反馈控制。

7.如权利要求1所述的星间相对定位***，其特征在于，所述飞秒光梳调制***、光路***和电路***置于主星，所述合作靶标安装于远距离的待测目标星。

8.一种星间相对定位方法，其特征在于，采用如权利要求1-7中任一项所述的星间相对定位***实现，所述方法包括：

通过飞秒光梳调制***为星间测距和PSD位置偏移探测提供飞秒光梳调制光源；

通过光学***对飞秒光梳调制***发射的激光束进行准直扩束和收发隔离，由PSD进行位置偏移探测，由快反镜进行激光束空间指向调整，并接收经所述合作靶标反射后的激光束；

电路***对发射、接收的激光束进行信号处理、采样以获取测距信号和位置偏移信号，并对所述测距信号和位置偏移信号进行融合处理得到跟踪指向角度，根据解算角度结果反馈控制快反镜，来调整激光光束的指向，实现对目标靶球的动态实时跟踪；通过对测距信号和指向跟踪测角进行融合，解算出三维位置，完成星间相对定位。

9.一种星间相对定位方法，其特征在于，采用如权利要求1-7中任一项所述的星间相对定位***实现，所述方法包括以下步骤：

步骤1，通过飞秒光梳调制***和光学***发射激光束至合作靶标，所述合作靶标对所述激光束进行反射后原路返回，再经电路***处理，基于多测尺FFT的合成波长法相位测距原理，完成星间测距；

步骤2，依据PSD脱靶量对合作靶标目标偏移进行测量，并结合测距结果，完成快反镜角度偏转解算，根据解算角度控制激光束偏转方向；

步骤3，确定返回光斑是否位于PSD中心，若否，继续依据PSD脱靶量进行角度反馈控制，直至光斑回到PSD中心，此时脱靶量为零，完成指向跟踪测角；

步骤4，电路***对测距信息和指向跟踪测角信息进行融合，输出相对位置，实现星间相对定位。