CN1777064B - 卫星激光通信端机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种卫星激光通信端机，该端机包括物镜、万向节、电机驱动及角位移传感器、通道切换部件、星体捕获通道及其原件、卫星激光通信通道及模块、各个模块部件与中央处理器的接口、中央处理器、以及中央处理器与卫星平台的接口，中央处理器控制调整通道切换部件，使***接收到的光信号传输到星体捕获通道里，捕获星体；或使接收到的光信号进入到卫星激光通信通道里，与相关各个模块配合进行卫星激光通信。本发明在通信端机的设计中，把星敏感器的功能融合到其中，可实现不用扫描即可完成通信端机之间的捕获过程。

Description

卫星激光通信端机

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种卫星激光通信端机。

背景技术

卫星激光通信与传统的RF通信技术相比，具有数据率高、保密性好、体积小、重量轻、功耗低等优点，世界各国都上开展了大量的研究工作。目前，由欧洲宇航局研制的SILEX***，已经在空间实验成功，该***包括两个飞行级的空间光通信终端，其中高轨道(GEO)空间光通信终端载于欧洲航天局的ARTEMIS同步卫星上，低轨道(LEO)空间光通信终端载于法国的地球观测卫星Spot 4上。该***于2001年11月21日顺利建立了光通信链路

卫星光通信的通信光的发散角一般为几十μrad，通信端机之间进行通信时必须互相精确对准。由于端机自身对准、校准误差，以及卫星姿态误差、轨道误差等因素的影响，通信端机在对准时存在一个瞄准不确定角，这个角一般为正负零点几度。例如，欧洲的SILEX计划的瞄准不确定角为0.46°。由于存在如此之大的瞄准不确定角，就不可能直接用通信光对准对方卫星进行通信，解决的方法一般是采用信标光对不确定角所对应的区域进行扫描，待对方端机接收到信号后，进行指向调整，然后反馈回一束光，双方经过不断的指向调整，最终双向锁定，链路建立，进行通信。上述过程可称为捕获过程。

目前，卫星激光通信通常采用“信标光+扫描”模式。这种方案是采用较宽的信标光束(相对于通信光)，按照一定的扫描方式对不确定区域进行扫描，完成捕获过程。这种方案是目前国际上采用最广泛的方法，缺点是捕获时间较长(如3分钟)，另外，由于受卫星平台的振动、卫星之间的相对运动以及通信端机本身的机械噪声等因素的影响，在子区扫描时，存在漏扫的概率。

一般的卫星激光通信***结构组成如图1所示。其工作过程是：在卫星激光通信捕获阶段，主动端机信标光模块发出信标光，并在机械万向节或扫描元件的驱动下扫描对方卫星的不确定范围，待对方卫星通信端机接收到光信号以后，调整自身的指向，并回馈一光束，主动端机在接收到对方的回馈信号以后，调整自身的姿态，把接收到的光斑调整到捕获传感器视场中心以及精跟传感器视场范围内，并且再次反馈回一束激光，对方卫星接收到回馈信号后，精确地调整端机的姿态，最终两个通信端机双向锁定，互相跟踪，完成捕获过程，接着端机即可进行通信过程。图中的快门主要是周期性地标定发射通道和接收通道的一致性。光学背板主要用来安装定位各个模块元件。

卫星激光通信***工作时通常在两个通信端机之间进行，一般把出射信标光并扫描不确定区域的通信端机称为主动端机，而与之相配合的端机一般称为对方通信端机。

发明内容

本发明克服现有卫星激光通信设备的不足，提供一种卫星激光通信端机。其具有星敏感器的功能，可以通过精确确定通信端机的姿态，实现不用扫描即可完成通信端机之间的捕获过程。

本发明的技术内容：一种卫星激光通信端机，在卫星激光通信端机进行星体捕获时，端机的中央处理器根据星历表数据，调整其自身所带的万向节进行转动，对星体进行捕获、瞄准和定位，重复该过程若干次以后，对所得到的星体数据、万向节的角度位置数据以及从卫星平台的陀螺仪所读取的姿态数据进行综合处理，通过星敏感器姿态数据确定算法得到通信端机的姿态数据，卫星激光通信端机根据姿态信息和星历表数据，对准对方目标卫星，该卫星激光通信端机包括物镜、目镜、万向节、电机驱动、角位移传感器及通道切换部件、星体捕获通道和卫星激光通信通道，端机的各个模块部件与中央处理器连接、中央处理器与卫星平台连接，中央处理器控制调整通道切换部件，使经过通道切换部件的入射光信号可传输到星体捕获通道里，捕获星体；或进入到卫星激光通信通道里，与其各个处理模块配合进行卫星激光通信。

星体捕获通道包括：星体捕获成像光路、星体捕获光电传感器及其高速数据处理电路。卫星激光通信通道包括：滤光部件、卫星激光通信捕获聚焦透镜组、卫星激光通信捕获传感器及其处理电路、精瞄传感器和通信接收传感器，通信光出射模块及超前瞄准模块、信标光模块。

通道切换部件位于端机物镜与目镜之间，当端机捕获星体时，入射的光束经物镜、通道切换部件和星体捕获成像光路投射到星体捕获光电传感；当端机进行卫星通信时，入射光束经过物镜、通道切换部件、目镜、精瞄转镜后进行一系列的分光，分别投射到卫星激光通信捕获传感器、精瞄传感器或通信接收传感器上。

通道切换部件位于卫星激光通信通道内的滤光部件之前，当端机捕获星体时，入射的光束经物镜、目镜、精瞄转镜和通道切换部件传输到星体捕获通道里；当端机进行卫星通信时，入射光束经过物镜、目镜、精瞄转镜和通道切换部件进入到卫星激光通信通道里。

捕获传感器和星体捕获传感器均位于相应的聚焦光路或成像光路的焦面上。

万向节、电机驱动及角位移传感器用来调整通信端机的指向，其中角位移传感器测量万向节旋转的角度，为电机驱动万向节提供测量数据。

通道切换部件包括反光镜、驱动电机及定位块，驱动电机的转轴与反光镜固定连接，定位块与光学背板之间固定连接，调节定位块的螺丝，调整反光镜的定位位置。

通道切换部件、星体捕获原件及卫星激光通信的各个模块均安装在一块叫作光学背板的平板上，以进行位置定位和支撑。

端机中每一个模块、部件均与中央处理器通过接口相连接，以完成模块控制、信号读取、数据交换等过程。中央处理器与卫星平台也通过接口相连接，以进行数据的交换。这种数据交换包括中央处理器从卫星平台的陀螺仪读取卫星姿态的数据，利用这些数据，可对通信端机的最终姿态数据进行补偿，提高姿态确定精度。

端机的信标光模块和通信光出射模块可以合并为一发散角可调整的模块。

上述***有两种工作模式，一种是星体捕获模式，另一种是卫星激光通信模式。当***处于星体捕获模式时，中央处理器控制调整通道切换部件，使***接收到的光信号传输到星体捕获通道里，星体捕获通道的各原件工作，捕获星体；当***处于卫星激光通信模式时，中央处理器控制调整通道切换部件，使接收到的光信号进入到卫星激光通信通道里，与之相配的各个模块开始工作，进行卫星激光通信过程。

本发明的技术效果：在通信端机的设计中，把星敏感器的功能融合到其中，即，使通信端机具有星敏感器的功能，但并不是在通信端机上额外安装一个独立的星敏感器，这样，在通信的捕获阶段，利用端机本身所带的万向节进行转动，对一些恒星进行瞄准、捕获和处理，然后转动通信端机万向节，对准另外的恒星进行瞄准、捕获，重复该过程，捕获了若干次以后(根据姿态定位要求，决定瞄准恒星的次数)，即可根据相关的公式，确定通信端机的姿态。这个姿态的确定精度与传统卫星激光通信端机的姿态精度相比，得到了很大的提高。利用所得到的激光通信端机的姿态信息及星历表，通信端机对准对方目标卫星，只要合理地设计出射光束的宽度以及对方通信端机捕获视场角，就可以在捕获阶段无需扫描不确定区域，目标卫星通信端机就可以直接接收收到光信号，完成捕获过程。例如，如果瞄准不确定角减小到500μrad以内，当出射信标光的发散角略大于等于500μrad时，对方目标卫星接收视场角取为也略大于500μrad，就可以实现不用扫描而完成捕获过程。

本发明的优点在于大大简化了捕获过程、缩短了捕获的时间，并明显增加捕获成功概率。

附图说明

下面结合附图，对本发明做出详细描述。

图1是一般卫星激光通信端机结构框图；

图2是本发明通信端机结构框图；

图3是本发明卫星激光通信端机的实施例一的结构示意图；

图4是本发明卫星激光通信端机的实施例二的结构示意图；

图5是通道切换部件结构示意图；

图6是本发明卫星激光通信端机的实施例的另一结构示意图；

图7是本发明卫星激光通信端机的实施例的另一结构示意图。

1-星体捕获光电传感器；2-星体捕获成像光路；3-定位块；4-驱动电机；5-反光镜

具体实施方式

整个端机由物镜、目镜、万向节、电机驱动及角位移传感器、通道切换部件、星体捕获通道及其原件、卫星激光通信通道及模块、各个模块部件与中央处理器的接口、中央处理器、以及中央处理器与卫星平台的接口等组成。图中万向节、电机驱动及角位移传感器用来调整通信端机的指向，其中角位移传感器测量万向节旋转的角度，为电机驱动万向节提供测量数据。图2中的通道切换部件、星体捕获原件及卫星激光通信的各个模块均安装在一块叫作光学背板的平板上，以进行位置定位和支撑。上述结构中每一个模块、部件均与中央处理器通过接口相连接，以完成模块控制、信号读取、数据交换等过程。中央处理器与卫星平台也通过接口相连接，以进行数据的交换，这种数据交换包括中央处理器从卫星平台的陀螺仪读取卫星姿态的数据，利用这些数据，可对通信端机的最终姿态数据进行补偿，提高姿态确定精度。

上述端机有两种工作模式，一种是星体捕获模式，另一种是卫星激光通信模式。当***处于星体捕获模式时，中央处理器控制调整通道切换部件，使***接收到的光信号传输到星体捕获通道里，星体捕获通道的各原件工作，捕获星体；当***处于卫星激光通信模式时，中央处理器控制调整通道切换部件，使接收到的光信号进入到卫星激光通信通道里，与之相配的各个模块开始工作，进行卫星激光通信过程。

参考图3，卫星激光通信捕获传感器位于卫星激光通信捕获聚焦透镜组的焦面上，星体捕获光电传感器位于星体捕获成像光路焦面上。星体捕获传感器需要进行制冷，以降低噪声。目镜与物镜相匹配，构成一个无焦望远***。通道切换部件位于物镜和目镜之间，星体捕获通道的光路与卫星激光通信的光路共用物镜，而物镜可采用反射式的结构形式，因此，卫星激光通信的波长可以与星体捕获的工作可见光波段相差较远，如采用光纤通信的1.55μm的波长。上述端机结构中每一个模块、部件及处理电路均与中央处理器通过接口相连接，以完成模块控制、信号读取、数据交换等过程。中央处理器与卫星平台也通过接口相连接，以进行数据的交换，这种数据交换包括中央处理器从卫星平台的陀螺仪读取卫星姿态的数据，利用这些数据，可对通信端机的最终姿态数据进行补偿，提高姿态确定精度。

图3中的信标光模块用来出射波束较宽的光束，引导对方通信端机。精瞄转镜是二维反射镜，它与精瞄传感模块配合，对发射和接收到的光束进行精确定位、调整。通信光发射模块及超前瞄准模块用来发射出射通信光束。精瞄传感模块用来对接收到的光束精确定位以及收发通道的一致性校准。通信接收模块用来接收对方通信端机发射的通信激光。快门和角锥棱镜用来周期性标定出射通道和接收通道的一致性。

当整个卫星激光通信端机工作在星体捕获模式下时，入射的光束经过物镜、通道切换部件、成像光路以后，投射到星体捕获传感器上，完成星体的捕获；而当整个卫星激光通信端机工作在卫星激光通信模式下时，入射光束经过物镜、目镜、精瞄转镜后进入到与卫星激光通信相关的模块和光路，进行一系列的分光，分别投射到卫星激光通信捕获传感器、精瞄传感器或通信接收传感器上，实现信号的接收。

图4中，精瞄转镜是二维反射镜，它与精瞄传感模块配合，对发射和接收到的光束进行精确定位、调整。通信接收模块用来接收对方通信端机发射的通信激光。快门和角锥棱镜用来周期性标定出射通道和接收通道的一致性。

图4中，通道切换部件位于卫星激光通信通道内的滤光部件之前，捕获传感器和星体捕获传感器均位于相应的聚焦光路或成像光路的焦面上。当整个卫星激光通信端机工作在星体捕获模式下时，入射的光束经过物镜、目镜、精瞄转镜、若干分光原件、通道切换部件、成像光路以后，投射到星体捕获传感器上，完成星体的捕获；而当整个卫星激光通信端机工作在卫星激光通信模式下时，入射光束经过物镜、目镜、精瞄转镜后进入到与卫星激光通信相关的光路，进行一系列的分光，分别投射到卫星激光通信捕获传感器、精瞄传感器或通信接收传感器上，实现信号的接收。

本发明的工作过程为：主动卫星激光通信端机在工作时，首先处于星体捕获模式下，即先根据星历表数据，对一颗或多颗星进行瞄准、捕获、和定位，然后转动通信端机的机械万向节，使得光学天线对准另外的一颗或多颗星体，捕获、定位星体。这个过程重复若干次以后，对所得到的星体数据、机械万向节的角度位置数据以及从陀螺仪所读取的卫星平台的姿态数据进行综合处理，运用星敏感器姿态确定算法，最终得到通信端机的姿态数据。随后，通信端机中的通道切换部件切换到卫星激光通信状态，整个端机进入到卫星激光通信模式。主动通信端机根据姿态数据和星历表数据，对准对方通信卫星，发射信标光束，由于对方通信端机的设计也按照本发明的思想进行设计和工作，并且其捕获视场角大于瞄准不确定角，这样对方通信端机就可以直接接收到信标光信号，对方通信端机调整自身的指向，并发射回馈光束，主动通信端机接收回馈光束，经分光后分别投射到卫星激光通信捕获传感器上及精瞄传感器上，通过调整主动端机粗瞄的万向节和精瞄转镜，使得端机精确对准对方卫星，通信光发射模块及超前瞄准模块发射回馈光，对方通信端机接收回馈光束，调整自身的指向，双方通信端机不断调整各自的指向，精确对准对方，最终达到双向锁定，即可进行激光通信。

图5中通道切换部件主要由反光镜5、驱动电机4以及定位块3组成，驱动电机4的转轴与反光镜5固定连接，可随着电机转动。定位块3与光学背板之间固定连接，调节定位块3的螺丝，可调整反光镜5的定位位置。当通信端机工作在星体捕获模式时，反光镜5处在图中的虚线位置，入射光束进入到星体捕获传感器中。而当通信端机工作在卫星激光通信模式下时，驱动电机4旋转，带动反光镜5旋转，使得反光镜5移出光路，入射的光束投射到卫星激光通信相关光路和模块上。

参考图6、图7，端机在具体设计时，信标光模块和通信光出射模块可以合二为一，即把通信光出射模块设计成发散角可调整的模块，在捕获阶段，出射激光束的发散角较大，如500μrad，而在跟踪和通信阶段发散角为30μrad，这种改变可通过一望远镜成像光路来实现。

Claims (8)

1.一种卫星激光通信端机，其特征在于，卫星激光通信端机进行星体捕获时，端机的中央处理器根据星历表数据，调整其自身所带的万向节进行转动，对星体进行捕获、瞄准和定位，重复该过程若干次以后，对所得到的星体数据、万向节的角度位置数据以及从卫星平台的陀螺仪所读取的姿态数据进行综合处理，通过星敏感器姿态数据确定算法得到通信端机的姿态数据，卫星激光通信端机根据姿态信息和星历表数据，对准对方目标卫星，该卫星激光通信端机包括：物镜、目镜、万向节、电机驱动及角位移传感器、通道切换部件、星体捕获通道和卫星激光通信通道，端机的各个模块部件与中央处理器连接、中央处理器与卫星平台连接，中央处理器控制调整通道切换部件，使经过通道切换部件的入射光信号可传输到星体捕获通道里，捕获星体；或进入到卫星激光通信通道里，与其各个模块配合进行卫星激光通信。

2.如权利要求1所述的卫星激光通信端机，其特征在于：星体捕获通道包括：星体捕获成像光路、星体捕获光电传感器及其高速数据处理电路；卫星激光通信通道包括滤光部件、卫星激光通信捕获聚焦透镜组、卫星激光通信捕获传感器及其处理电路、精瞄转镜、精瞄传感器、通信接收传感器、通信光出射模块、超前瞄准模块、信标光模块、角锥棱镜及快门和若干分光元件。

3.如权利要求2所述的卫星激光通信端机，其特征在于：通道切换部件位于端机物镜与目镜之间，当端机捕获星体时，入射的光束经物镜、通道切换部件和星体捕获成像光路投射到星体捕获光电传感器；当端机进行卫星通信时，入射光束经过物镜、目镜、精瞄转镜后进行一系列的分光，分别投射到卫星激光通信捕获传感器、精瞄传感器和通信接收传感器上。

4.如权利要求2所述的卫星激光通信端机，其特征在于：通道切换部件位于卫星激光通信通道内的滤光部件之前，当端机捕获星体时，入射的光束经物镜、目镜、精瞄转镜和通道切换部件传输到星体捕获通道里；当端机进行卫星通信时，入射光束经过物镜、目镜，进入到卫星激光通信通道里。

5.如权利要求1所述的卫星激光通信端机，其特征在于：通道切换部件主要由反光镜、驱动电机以及定位块组成，驱动电机的转轴与反光镜固定连接，定位块与光学背板之间固定连接，调节定位块的螺丝，调整反光镜的定位位置。

6.如权利要求1所述的卫星激光通信端机，其特征在于：万向节、电机驱动及角位移传感器用来调整通信端机的指向，其中角位移传感器测量万向节旋转的角度，为电机驱动万向节提供测量数据。

7.如权利要求1所述的卫星激光通信端机，其特征在于：端机中每一个模块、部件均与 中央处理器通过接口相连接，以完成模块控制、信号读取、数据交换过程，中央处理器与卫星平台也通过接口相连接，以进行数据的交换。

8.如权利要求1所述的卫星激光通信端机，其特征在于：端机的信标光模块和通信光出射模块合并为一发散角可调整的模块。 

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