趙志鵬 許新勇 俸玉祥 徐維開

關鍵詞 無線光通信 聚焦對準 北斗定位 路由交換

1無線光通信的發(fā)展現(xiàn)狀

無線光通信設備以激光作為信息載體、大氣作為傳輸媒介，具有通信容量大、抗干擾能力強、保密性好、機動性靈活等優(yōu)點，特別適用于機動作戰(zhàn)通信、臨時通信、復雜電磁環(huán)境通信、保密通信和不便鋪設光纜等多種場景[1] 。因此，將該設備以車載形式進行應用，可以實現(xiàn)光纜網(wǎng)到陣地通信節(jié)點、陣地通信節(jié)點之間及通信車之間的信息傳輸。在無線電靜默、復雜電磁環(huán)境等場景下應用無線光通信設備，可以提高通信節(jié)點間的抗毀性、機動性、隱身性、自保性等。

無線光通信設備負責車輛平臺之間的無線光通信，包括無線光通信設備兩端以及配套附件。無線光通信設備主要由五個部分組成，如圖1 所示。

光學天線單元通過無線光發(fā)射、無線光接收、光路掃描定位跟蹤實現(xiàn)無線光信號的收發(fā)。其分為接收部分與發(fā)送部分： 發(fā)送部分可以實現(xiàn)電信號轉(zhuǎn)換為無線光信號及信號的增益放大功能;接收部分可以實現(xiàn)弱小無線激光信號的接收、增益大、信道編碼糾錯、激光的驅(qū)動功能。

伺服單元通過接收端伺服發(fā)送過來的經(jīng)緯度位置信息，按照接收位置信息進行初始對準和實現(xiàn)端目標運行軌跡慣性的穩(wěn)定[2] 。

掃描捕獲跟蹤單元可以實現(xiàn)兩側(cè)無線光傳輸設備的定位掃描、軌跡跟蹤、聚焦對準、方向的穩(wěn)定，并確保收發(fā)光路穩(wěn)定可靠、精確對準，從而實現(xiàn)無線激光通信鏈路的互通。

在使用無線光通信設備的過程中存在兩大問題：受地形影響，無線光通信設備極易被樹木、山丘阻擋，使用范圍受限;受天氣、太陽光反射、溫濕度等影響，導致聚焦對準困難、通信傳輸距離受限、通信傳輸信道不穩(wěn)定。而無線光傳輸中繼技術(shù)則可以有效解決上述問題[3] 。

2無線光傳輸中繼系統(tǒng)

無線光傳輸中繼設備由無人機進行搭載，系統(tǒng)配備2 臺無線光傳輸設備、1 臺路由器、1 臺北斗設備。北斗設備具備定位、短消息發(fā)送功能，其將無線光傳輸中繼設備的位置信息發(fā)送給接收方，接收方收到位置信息后進行掃描對準;路由器可以實現(xiàn)2 臺無線光傳輸中繼設備的交數(shù)據(jù)換功能;無線光傳輸中繼設備用于收發(fā)兩端的無線光數(shù)據(jù)傳輸。無線光傳輸中繼系統(tǒng)如圖2 所示。

3無線光傳輸中繼系統(tǒng)的工作原理

3.1通信單元的基本原理

通信單元可以將業(yè)務電信號轉(zhuǎn)換為適合大氣信道傳輸?shù)募す庑盘枺üぷ髟砣鐖D3 所示）：首先，光纜傳輸業(yè)務光信號給光學天線，再通過光模塊、光纖滑環(huán)、雙芯雙向光模塊、雙芯單向光模塊將信號傳送至FPGA 模塊。其次，F(xiàn)PGA 模塊的作用是進行信號的編碼處理，以提高通信能力。再次，激光器調(diào)制驅(qū)動的作用是將光數(shù)字信號加載到傳輸激光的載波上。而光功率放大器的作用則是將激光信號的功率進行放大，使接收一側(cè)能收到足夠強的激光信號。此外，探測信號放大處理器的作用是將激光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并對弱小電信號進行放大處理，以便后續(xù)處理電路解調(diào)信號[4] 。

3.2伺服穩(wěn)定單元的基本原理

從設計上來看，伺服穩(wěn)定單元是采用慣性導航（高精度）器件作為閉環(huán)控制電路的誤差傳感器，其控制系統(tǒng)的工作原理如圖4 所示。

系統(tǒng)采用穩(wěn)定回路陀螺儀作為高精度慣性跟蹤元器件，它利用俯仰角誤差通過內(nèi)部電路產(chǎn)生相應正負極和線性成比例的電壓差，該誤差電壓通過對應的控制器在直流電機軸上產(chǎn)生作用，即穩(wěn)定力矩，確保系統(tǒng)在慣性空間上的穩(wěn)定性。

伺服反饋控制電路由慣導組件及配件形成控制環(huán)，并通過輸入電信號與角度位置信號比較產(chǎn)生偏差值，該偏壓電壓量作為位置環(huán)路輸入控制電機的運動信號，從而實現(xiàn)平臺穩(wěn)定、精確運動的目標。

3.3北斗定位掃描捕獲跟蹤單元的基本原理

PAT 系統(tǒng)由初始定位系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、粗跟蹤系統(tǒng)、精跟蹤系統(tǒng)三部分組成。

3.3.1初始定位及掃描、捕獲

由于車載激光通信系統(tǒng)的通信距離遠，因此不宜采用望遠鏡對光學天線進行對準，而應獲取自動定位、互通定位信息，并采用自動掃描、捕獲的方式使兩端天線相互聚焦對準。如果掃描的不確定區(qū)域太大會影響系統(tǒng)的捕獲時間，造成通信保障不及時。因此，系統(tǒng)在進行掃描之前應提供相對準確的對準位置信息，以減小不確定掃描區(qū)域，從而縮短兩端天線的聚焦對準時間。

根據(jù)戰(zhàn)時電磁環(huán)境的復雜程度，初步考慮采用“北斗定位+小區(qū)域掃描、捕獲”方案。該方案利用北斗設備的鎖星定位技術(shù)，為對端提供極其準確的位置信息，從而計算出無線激光天線的夾角，進而通過伺服進行掃描對準。該方案大大降低了系統(tǒng)的掃描、聚焦對準時間。

3.3.2自動跟蹤技術(shù)

自動跟蹤系統(tǒng)可以對粗略對準后的無線激光天線接收到的激光信號進行探測，實現(xiàn)在大視角區(qū)域內(nèi)捕獲對方方位的目標，并對對方位置進行粗跟蹤，然后通過自身調(diào)整使得目標控制在高精度跟蹤范圍內(nèi)。該方式可以實現(xiàn)通信過程中始終保持精確對準。精跟蹤工作原理如圖5所示。

目前，國內(nèi)的光電探測器主要有四象限探測器件（QD）及電荷耦合器件（CCD）。而QD 的位置探測精度較高，且可以使系統(tǒng)獲得極高的跟蹤精度，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和通信的可靠性。CCD 的探測靈敏度很高，系統(tǒng)可以獲得相對較高的捕獲概率和軌跡跟蹤概率[5] 。本方案采用的是CCD 探測粗跟蹤與四象限探測精跟蹤相結(jié)合的方式。

3.4路由器的工作原理

路由器工作在網(wǎng)絡層，其主要任務是接收來源于同一個網(wǎng)絡接口的數(shù)據(jù)包，然后根據(jù)該數(shù)據(jù)包給出的地址建立網(wǎng)絡;路由器存儲單元生成一張路由表，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)包給出的地址和路由表決定轉(zhuǎn)發(fā)的下一個目的地、路由路徑和最終的目的地。

路由器物理層的一個端口接收數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)給鏈路層，鏈路層去掉封裝后轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡層，網(wǎng)絡層根據(jù)IP 地址判斷是否需要送給本機———若需要送給本機則完成數(shù)據(jù)接收;若不需要送給本機則根據(jù)目的地與路由表將數(shù)據(jù)送給相應的端口;若都不是則丟棄報文。路由器的工作原理如圖6 所示。

4仿真無線光傳輸中繼系統(tǒng)的應用方式

仿真單組無線光傳輸中繼系統(tǒng)的應用模式如圖7所示。

仿真單組無線光傳輸中繼系統(tǒng)的應用模式如圖8所示。

通過華為中繼仿真軟件ensp 對以上兩種應用場景進行仿真測試表明：中繼方案切實可行。

5結(jié)論

無線光傳輸中繼系統(tǒng)通過無人機平臺進行搭載，可以有效解決普通無線光傳輸設備受地勢低洼、山川樹林阻擋等問題;采用北斗定位掃描對焦技術(shù)，可以有效解決無線光傳輸設備手動對焦難的問題;采用路由中繼技術(shù)并串聯(lián)使用多組無線光傳輸中繼系統(tǒng)，可以有效提升無線光傳輸?shù)耐ㄐ啪嚯x。