于志亮，周乃新，陳興林，曹開銳，耿光曉

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 可調(diào)諧激光(氣體)技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150000)

?

星間激光通信系統(tǒng)粗精復(fù)合掃瞄技術(shù)*

于志亮1，周乃新1，陳興林1，曹開銳2，耿光曉1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 可調(diào)諧激光(氣體)技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150000)

星間激光通信系統(tǒng)主要分為捕獲、瞄準(zhǔn)、跟蹤技術(shù)，其中捕獲技術(shù)是星間激光通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信的前提和保障。通過對(duì)星間通信捕獲階段信標(biāo)光的粗瞄捕獲原理、關(guān)鍵技術(shù)和工程應(yīng)用等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的研究，提出一種粗瞄與精瞄相互結(jié)合的螺旋-正弦復(fù)合掃瞄的方法。對(duì)該方法掃瞄過程中的數(shù)值分析表明，相比單一粗瞄掃瞄方式，粗精復(fù)合掃瞄方法的掃瞄漏掃區(qū)域比單一粗掃瞄漏掃區(qū)域小、捕獲概率更高、捕獲時(shí)間短。該方法為星間激光通信掃瞄捕獲過程提供了一種新的掃瞄方式，具有重要的意義。

星間通信；激光通信；掃瞄；捕獲

星間鏈路通信技術(shù)已成為當(dāng)下研究的前沿?zé)衢T問題[1-4]，已引起世界各國的重視。傳統(tǒng)通信是利用微波技術(shù)，但微波通信存在著數(shù)據(jù)傳輸量低，抗干擾能力弱，微波波束大[5]，在傳輸過程中向四周發(fā)散，容易被截獲等缺點(diǎn)，尤其在軍事上存在一定的弊端。激光通信相比微波通信突出的優(yōu)點(diǎn)就是激光光束具有高的方向性、單色性、相干性和高亮度[6]。因此激光通信在航天領(lǐng)域已經(jīng)成為熱門研究話題，其中美國、日本和歐洲技術(shù)研究較為成熟，并已經(jīng)進(jìn)入試驗(yàn)階段[7]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)這方面進(jìn)行了深入的研究[8-10]。星間激光通信大體分為捕獲、瞄準(zhǔn)、跟蹤三部分[11-12]，文獻(xiàn)[13]分析了捕獲、瞄準(zhǔn)、跟蹤(Acquisition Pointing Tracking, APT)系統(tǒng)各單元間使用電荷耦合元件(Charge Coupled Device, CCD)以簡單算法完成捕獲性能，工程中易實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[14]提出了一種信標(biāo)光和信號(hào)光集于一體的捕獲方法，該方法利用象限探測(cè)器進(jìn)行捕獲和接收，該方法雖然在硬件設(shè)計(jì)上大大簡化，但是在工程實(shí)現(xiàn)上增加了算法的復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)程度以及實(shí)際操作難度。文獻(xiàn)[15]通過對(duì)捕獲過程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，推導(dǎo)出全場(chǎng)和步進(jìn)式掃瞄模式下的單場(chǎng)掃瞄平均捕獲時(shí)間，得到解析表達(dá)式，并分析不同系統(tǒng)和參數(shù)對(duì)這兩種掃瞄模式的影響，并比較出兩種掃瞄方式的優(yōu)劣。傳統(tǒng)的掃瞄方式主要是以粗瞄方式進(jìn)行捕獲信標(biāo)光，粗掃到信標(biāo)光后，光通過分束鏡進(jìn)入到精瞄系統(tǒng)，由精瞄系統(tǒng)進(jìn)一步進(jìn)行瞄準(zhǔn)和跟蹤。激光通信終端搭載于衛(wèi)星平臺(tái)上，相互通信雙方衛(wèi)星根據(jù)星歷確定對(duì)方大致出現(xiàn)區(qū)域，對(duì)準(zhǔn)對(duì)方可能出現(xiàn)的區(qū)域進(jìn)行掃瞄捕獲。

1 不確定域

常用終端有潛望鏡式和經(jīng)緯儀式兩種，其中潛望鏡式終端結(jié)構(gòu)如圖1所示[16]，潛望鏡式終端口徑較小主要應(yīng)用于小型衛(wèi)星中，并且若信標(biāo)光在方位軸電機(jī)正上方，則終端捕獲信標(biāo)光概率較低。

圖1 潛望鏡式光通信終端Fig.1 Periscope-type optical communication terminal

經(jīng)緯儀式終端如圖2所示，該終端體積大，具有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，受外界影響小。因此在目前某型號(hào)項(xiàng)目中采用經(jīng)緯儀式激光通信終端。經(jīng)緯儀式終端由跟瞄機(jī)構(gòu)[1]、U形框[1-1]和方位軸[1-2]、俯仰軸[2]、調(diào)試工裝[3]、俯仰軸彈簧[4]組成。

圖2 經(jīng)緯儀式激光通信終端Fig.2 Theodolite-type laser communication terminal

終端其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如式(1)和式(2)所示，該方程為理想無干擾情況下的方程，然而終端在外太空中由于振動(dòng)等干擾光斑在目標(biāo)區(qū)域附近抖動(dòng)，因此將這部分區(qū)域稱為不確定區(qū)域，如圖3所示。

圖3 信標(biāo)光擾動(dòng)示意圖Fig.3 Scheme of beacon disturbance

終端運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為[17]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2 掃瞄理論分析

傳統(tǒng)激光通信終端一般采用粗瞄螺旋掃瞄方式，本文在粗瞄基礎(chǔ)上將精瞄以正弦方式掃瞄也加入掃瞄過程中形成粗精復(fù)合螺旋掃瞄。在分析掃瞄過程時(shí)，以激光通信終端鏡筒中心為原點(diǎn)O，以衛(wèi)星在軌運(yùn)行平面為基本面，y軸指向地心，x軸與y軸垂直，z軸與x軸、y軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星激光通信示意圖Fig.4 Scheme of inter-satellite laser communication

定義俯仰角θv為目標(biāo)通信終端和發(fā)射終端連線與z軸方向夾角，定義方位角θh為通信終端平面投影與x軸的夾角，接收終端鏡筒光斑法向方向矢量為rA(θv,θm)，發(fā)射終端鏡筒光斑法向矢量為rB(θv,θh)。在捕獲初期兩終端根據(jù)對(duì)方姿態(tài)和位置信息進(jìn)行粗瞄，當(dāng)發(fā)射終端r(θv,θh)與接收終端rB(θv,θh)重合時(shí)才能實(shí)現(xiàn)通信。但是實(shí)際通信過程中由于衛(wèi)星平臺(tái)震動(dòng)以及其他因素影響，二者之間存在一定的偏移量，其偏移量如式(6)所示。

rA-rB=σi(θv,θh)+δi(θv,θh)

(6)

其中，σi(θv,θh)為通信終端可預(yù)測(cè)但不可消除 誤差或者其他隨機(jī)誤差所產(chǎn)生的角度固定偏移量，δi(θv,θh)為變化值在一定范圍內(nèi)的隨機(jī)角度偏移量，該偏移量主要由于衛(wèi)星平臺(tái)振動(dòng)、軌道偏移以及指向誤差和姿態(tài)誤差等原因產(chǎn)生。在實(shí)際工程中方位軸和俯仰軸均為獨(dú)立執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此，二者誤差也為獨(dú)立并且具有相同分布，其概率密度分布如式(7)所示：

(7)

根據(jù)概率可以得出終端在不確定域內(nèi)的捕獲概率為：

(8)

其中

(9)

在粗瞄掃瞄過程中，精瞄單元以圖5所示正弦方式與粗瞄相結(jié)合的方式進(jìn)行螺旋正弦復(fù)合掃瞄。

圖5 精瞄單元掃瞄示意圖Fig.5 Scheme of coarse scanning

在分析螺旋正弦掃瞄過程時(shí)，采用極坐標(biāo)方式，其方程可表示為：

(10)

其中，β和ω分別為精瞄正弦掃瞄的掃瞄幅值和掃瞄角頻率，Iθ為掃瞄步長。

在分析終端捕獲過程中，假定方位軸和俯仰軸之間相對(duì)獨(dú)立，因此二者誤差相對(duì)獨(dú)立，由此可令三個(gè)誤差之間相等。根據(jù)式(7)可得：

(11)

則平均捕獲時(shí)間為：

(12)

3 仿真分析

常見的掃瞄方式有玫瑰掃瞄、矩形掃瞄、矩形螺旋掃瞄和螺旋掃瞄等，如圖6所示。

玫瑰掃瞄優(yōu)勢(shì)在于衛(wèi)星平臺(tái)的抖動(dòng)對(duì)于掃瞄的過程影響小，但是該掃瞄方式存在漏掃區(qū)域并且掃瞄效率低，并且軟件在其路徑實(shí)施上較為復(fù)雜。矩形掃瞄在軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上較為簡單，并且能較好地覆蓋掃瞄范圍，但是其掃瞄時(shí)間長，掃瞄效率低。螺旋矩形掃瞄雖然能克服矩形掃瞄時(shí)間長的弊端，衛(wèi)星平臺(tái)振動(dòng)和其他外界干擾對(duì)螺旋矩形掃瞄影響大，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處容易偏離軌道，造成捕獲失敗。因此，在目前星間激光通信掃瞄方式中，基本上都采用螺旋掃瞄。

本文對(duì)于螺旋形-正弦掃瞄方式，采用步進(jìn)式等速率掃瞄，即相鄰兩點(diǎn)之間掃瞄的速度相同。本文以阿基米德螺旋線為模型來描述螺旋正弦掃瞄，即：

ρ=αθ+βsin(ωθ)

(13)

(a) 玫瑰掃瞄(a) Rose scanning

(b) 矩形掃瞄(b) Rectangle scanning

(c) 矩形螺旋掃瞄(c) Rectangle spiral scanning

(d) 螺旋掃瞄(d) Spiral scanning圖6 常見掃瞄方式Fig.6 Common scanning method

在極坐標(biāo)下設(shè)弧長為s，極徑為ρ，根據(jù)弧長公式有：

(14)

則線速率可表示為：

(15)

根據(jù)式(13)～(15)可得：

雖然上式可以求出角速率變化的具體表達(dá)式，但是為了便于在工程中實(shí)現(xiàn)，對(duì)于上述微分通過龍格庫塔法進(jìn)行求解。

通過迭代得到方位角和俯仰角分別為：

(16)

其搜索過程如下：

步驟1：先根據(jù)不確定域和捕獲概率將掃瞄鏡筒指向光斑可能出現(xiàn)的區(qū)域；

步驟2：選取掃瞄螺旋間距和龍格庫塔迭代步長以及精瞄掃瞄參數(shù)α和β，確定掃瞄放置點(diǎn)位置；

步驟3：判斷掃瞄過程中掃瞄螺距和迭代步長是否能完全覆蓋不確定區(qū)域，若能完全覆蓋不確定域則保留參數(shù)，當(dāng)下一次掃瞄時(shí)直接調(diào)用該參數(shù)；

步驟4：若第三步掃瞄螺旋和迭代步長不滿足覆蓋條件，則重新選取相關(guān)參數(shù)進(jìn)行第二步掃瞄過程。通過仿真可得螺旋正弦掃瞄曲線如圖7所示。

從圖7可以看出，螺旋正弦掃瞄有效覆具有蓋面積大、漏掃區(qū)域小的優(yōu)點(diǎn)。但是這種方式在掃瞄最初一段時(shí)間內(nèi)，內(nèi)圈掃瞄重復(fù)率高，從而使得掃瞄效率降低，捕獲時(shí)間長。

圖7 螺旋正弦掃瞄示意圖Fig.7 Scheme of spiral-sine scanning

基于以上問題，在螺旋正弦基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，由于目標(biāo)信標(biāo)光在掃瞄前幾圈內(nèi)出現(xiàn)概率較低，因此為了避免內(nèi)圈較大的重復(fù)率，在最初的掃瞄內(nèi)圈中采用單一的螺旋掃瞄方式進(jìn)行快速掃瞄，然后精瞄系統(tǒng)和粗瞄系統(tǒng)進(jìn)行耦合進(jìn)行掃瞄，如圖8所示。

圖8 改進(jìn)螺旋正弦掃瞄示意圖Fig.8 Scheme of improvement spiral-sine scanning

通過圖8的螺旋正弦掃瞄可以看出，相比傳統(tǒng)的粗瞄螺旋掃瞄方法，該方法有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1)內(nèi)圈螺旋的螺旋正弦掃瞄相比螺旋正弦掃瞄內(nèi)圈掃瞄的重疊率大大降低，減少了掃瞄過程中步長的覆蓋，提高了掃瞄步長利用率；

2)粗精復(fù)合螺旋正弦掃瞄相比粗瞄螺旋掃瞄減少了螺距之間漏掃區(qū)域，提高了掃瞄捕獲概率，減少了掃瞄捕獲時(shí)間；

3)粗精復(fù)合螺旋正弦掃瞄技術(shù)在工程中軟硬件等技術(shù)方面易于實(shí)現(xiàn)，操作簡便，算法可靠，為星間通信提供一種新的捕獲方法。

4 結(jié)論

星間激光通信技術(shù)的研究已經(jīng)進(jìn)入空間試驗(yàn)階段，在整個(gè)通信系統(tǒng)中掃瞄捕獲是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星間相互通信的前提和保障，因此掃瞄捕獲問題是整個(gè)技術(shù)中研究的重點(diǎn)。通過總結(jié)和歸納出粗瞄螺旋與精瞄正弦掃瞄相結(jié)合的掃瞄捕獲方案，大大減少了掃瞄漏掃區(qū)域，提高了系統(tǒng)的捕獲概率，從而降低了捕獲時(shí)間。

該方法在工程中容易實(shí)現(xiàn)，控制過程以及方法簡單、效率較高，提升了系統(tǒng)捕獲性能，從而為星間激光通信掃瞄捕獲技術(shù)提供了一種新的掃瞄方案。

References)

[1] Gawronski W, Racho C S, Mellstrom J A. Application of the LQG and feedward controllers to the deep space network antennas[J]. IEEE Transaction on Control Systems Technology, 1955, 3(4): 416-421.

[2] Nielsen T T,Oppenhauser G. In-orbit test result of an operational optical intersatellite link between ARTEMIS and SPOT4, SILEX[J]. SPIE, 2002, 4635: 1-15.

[3] 李獻(xiàn)斌, 王躍科, 陳建云. 基于星歷輔助的導(dǎo)航星座星間鏈路捕獲初始信息求解算法[J]. 國防科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 36(2): 87-92.

LI Xianbin, WANG Yueke, CHEN Jianyun. A capture initial information solution method for ISLs of navigation constellation

based on ephemeris-aided method[J].Journal of National University of Defense Technology, 2014, 36(2): 87-92.(in Chinese)

[4] Laurent B, Planche G. Silex overview after flight terminals campaign[J]. SPIE, 1997, 2990: 10-22.

[5] Hamid Hemmati. 深空光通信[M]. 王平, 孫威, 譯. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2009： 283-296.

Hamid Hemmati. Deep space optical communications[M].Translated by WANG Ping, SUN Wei. Beijing: Tsinghua University Press, 2009: 283-296. (in Chinese)

[6] 陳鈺清, 王靜環(huán). 激光原理[M]. 杭州: 浙江大學(xué)出版社, 1992: 47-51.

CHEN Yuqing, WANG Jinghuan.Principles of laser [M].Hangzhou: Zhejiang University Press,1992:47-51. (in Chinese)

[7] Gregory M, Heine F F, Lange R. Commercial optical inter-satellite communication at high data rates[J]. Optical Engineering, 2012, 51(3): 031202.

[8] Guelman M, Kogan A, Kazarian A, et al. Acquisition and pointing control for inter-satellite laser communications[J]. IEEE Transactions on Aerospace & Electronic Systems, 2004, 40(4): 1239-1248.

[9] Toyoshima M, Yamakawa S, Yamawaki T, et al.Long term statistics of laser beam propagation in an optical ground to geostationary satellite communication link [J]. IEEE Trans. on Antennas and Propagation, 2005, 53(2): 842-848.

[10] Shimizu S, Kodeki K, et al. Development of acquisition and tracking system for next generation optical intersatellite communication [J]. IEEE Conference Publications, 2011: 132-135.

[11] Borrello M.Multistage pointing acquisition and tracking (PAT) control system approach for air to air laser communications[C]//Proceedings of American Control Conference Portland, USA: AACC, 2005.

[12] Gagliard R M, Karp S.光通信技術(shù)與應(yīng)用[M]. 陳根祥,譯. 北京：電子工業(yè)出版社, 1998: 117-120.

Gagliard R M, Karp S.Optical communication technique and application[M]. Translated by CHEN Genxiang. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 1998:117-120. (in Chinese)

[13] Shrestha A, Brechtelsbauer M. Transportable optical ground station for high-speed free-space laser communication[J]. SPIE, 2012, 8517: 851706.

[14] Liu H Z, Ji Y F, Liu L R. Effect of aberr-ation on performance of the bit error rate in an inter satellite coherent optical communication receiving system[J]. Acta Optical Sinica, 2012, 32(1): 0106002.

[15] 李鑫. 星間激光通信中鏈路性能及通信性能優(yōu)化研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2013.

LI Xin.Optimization research on link and communication performance for intersatellite laser communications [D].Harbin:Harbin Institute of Technology, 2013.(in Chinese)

[16] 譚立英, 吳世臣, 韓琦琦, 等. 潛望鏡式衛(wèi)星光通信終端的CCD粗跟蹤[J]. 光學(xué)精密工程, 2012, 20(2): 270-275.

TAN Liying, WU Shichen, HAN Qiqi, et al.Coarse tracking of periscope-type satellite optical communication terminals[J].Optics and Precision Engineering, 2012, 20(2): 270-275. (in Chinese)

[17] 張家余. 飛行器控制[M]. 北京:宇航出版社, 1993: 46-48.

ZHANG Jiayu. Aircraft control[M]. Beijing: Astronautic Publishing House, 1993: 46-48. (in Chinese)

Research on coarse-fine composite technology for scanning in inter-satellite laser communication

YU Zhiliang1, ZHOU Naixin1, CHEN Xinglin1, CAO Kairui2, GENG Guangxiao1

(1. School of Aerospace, Harbin Institute of Technology, Harbin 150000, China；2. National Key Laboratory of Tunable Laser Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150000, China)

The inter-satellite optical communication system consists of acquisition, pointing and tracking technology; the acquisition technology, which is the premise and guarantee for normal work. The principle of acquisition, key technology and engineering implementation under scanning stare mode were studied in detail. A method for combination of the coarse fine pointing of spiral sine was presented. Numerical simulation results for the scanning process prove that the proposed method has smaller missing scanning area, higher acquisition probability and shorter acquisition time when compared with the traditional single coarse scanning. The coarse fine scanning type is a new method for inter-satellite communication. The proposed method has an important significance in providing a new method for inter-satellite laser communication.

inter-satellite communication; optical communication; scanning; acquisition

10.11887/j.cn.201605025

http://journal.nudt.edu.cn

2015-05-14

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(11404082，61503096)；黑龍江省博士后基金資助項(xiàng)目(LBH-Z14101)

于志亮(1987—)，男，黑龍江同江人，博士研究生，E-mail：yuzl@hit.edu.cn；陳興林(通信作者)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，E-mail：chenxl@hit.edu.cn

TN929.12

A

1001-2486(2016)05-158-05