[发明专利]深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置及深空光通信装置

说明书

本发明提供一种深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置其包括中心分光装置，在中心分光装置上分别连接有第一光路组件和第二光路组件，第一光路组件包括通信接收探测器和图像跟踪传感器，通信接收探测器分别与图像跟踪传感器和中心分光装置连接；第二光路组件包括向第二光路的远端方向依次布置的平台振动检测单元和执行机构。该装置通过图像跟踪传感器能够计算出地面站和地球图像中心位置关系，从而确定航天器上光通信天线的指向。该装置通过姿态传感器能够实现抑制平台的振动的功能。该装置通过使用提前量探测器和补偿振镜能够实现光轴的提前指向功能。本发明还提供一种具有深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置的深空光通信装置。

技术领域

本发明涉及空间光通信技术领域，具体涉及一种基于天体成像的深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置及一种具有该于天体成像的深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置的深空光通信装置。

背景技术

目前将对地球以外天体开展的空间探测活动称为深空探测。随着人类航天科技水平和能力的提高，深空探测的概念也会逐渐发展，换言之，深空探测领域的技术发展与深空探测概念的内含是相互促进的。

深空探测指脱离地球引力场，进入太阳系空间和宇宙空间的探测，那么，自然地，执行深空探测的装置会处在复杂多变的空间环境中。复杂多变的环境对执行深空探测的装置的各个组成部分都提出了较高的功能层面和技术层面的要求。尤其是复杂多变的环境对深空通信会产生很大影响，因为深空通信距离异常遥远，空间损耗非常巨大，例如，火星对地面链路的空间损耗比GEO对地面链路的空间损耗大70dB至80dB。

在载荷体积、重量允许的条件下，深空光通信应尽量增加光学口径，减小衍射极限角的大小，进而减小空间损耗。由于发射光束采用近衍射极限角，因此接收信号的功率对发射机的瞄准误差非常敏感，发射信号的瞄准误差将导致接收机上信号的严重衰减，大大降低系统的通信性能，为了减少瞄准损耗(<2dB)，瞄准精度通常要小于衍射极限光束宽度的40％,通常在微弧度量级，这对激光通信系统的捕获、瞄准和跟踪系统(APT)提出了很到的精度要求。

另外，现有的激光通信装置多属于近地空间激光通信装置，近地空间激光通信装置通常采用主动信标方案实现通信两视轴的精确对准。但是对于深空激光通信，由于通信距离非常遥远，而且信标光通常需要较大的束散角，所以接收功率信噪比要求和信标激光器功率存在矛盾，在现有高功率激光器工作状态下，基于激光信标的瞄准系统的距离极限小于0.4AU，这显然无法满足深空激光通信的距离要求。需要解释的是AU为天文单位，即指太阳中心与地球中心的距离，1AU的长度约为1.496×10E11米。

因此，设计一种适用于远距离深光通信的以及具有高精度的瞄准和跟踪系统的深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置是十分必要的，也是十分迫切的。同时也亟待研究发明出一种具有上述深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置的深空光通信装置。

发明内容

为解决现有技术中光轴指向和动态跟踪不精确的问题，本发明采用的技术方案在于，本发明提供一种深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置，其包括中心分光装置，在中心分光装置上分别连接有第一光路组件和第二光路组件，第一光路组件包括通信接收探测器和图像跟踪传感器，通信接收探测器用于接收通信光信号并且分别与图像跟踪传感器和中心分光装置连接；图像跟踪传感器用于计算出地面站和地球图像中心位置关系以确定光通信天线的指向；第二光路组件包括向第二光路的远端方向依次布置的平台振动检测单元和执行机构，平台振动检测单元用于三维姿态的测量，执行机构完成光束的偏转。

较佳地，深空光通信视轴高精度指向与跟踪装置还包括控制器，控制器为APT控制器；平台振动检测单元为INS惯性传感器；执行机构为PZT快速倾斜振镜，PZT快速倾斜振镜为高谐振频率光束偏转设备；APT控制器用于控制PZT快速倾斜振镜完成光束的偏转。

较佳地，图像跟踪传感器为可见或红外焦平面阵列；通信接收探测器为Geiger模式光子计数器，通信接收探测器用于完成通信光信号的接收。