[发明专利]基于卫星平台定频解耦的光束跟踪方法

说明书

本发明提供一种基于卫星平台定频解耦的光束跟踪方法。本发明的方法包括步骤1、星地激光链路捕获前，激光通信终端计算出星地激光可链路时段的平均瞄准角速率；步骤2、按10ms间隔计算出星地链路时段内每个时刻的解耦量并发送至卫星平台；步骤3、激光通信终端完成光束捕获后，控制精瞄装置和CMOS探测装置进行光电闭环精跟踪，卫星平台根据平台时钟计算n值，按解耦量开始定频解耦；步骤4、跟踪过程中，激光通信终端计算出CMOS探测器的平均残留角度误差作为解耦修正量，发送至卫星平台进行定频修正；步骤5、卫星平台按修正后的解耦量续进行定频解耦和定频修正，直至链路结束。本发明可有效提升星地激光链路跟踪性能。

技术领域

本发明涉及一种基于卫星平台定频解耦的光束跟踪方法，属于激光通信技术领域。

背景技术

与现有的微波通信技术相比，卫星激光通信技术具有数据率高、抗干扰和保密性好等显著优点，可是实现卫星平台遥感数据的高速下行传输。

目前的卫星激光通信终端一般重量在10kg至50kg量级，功耗100W左右，多数安装在低轨卫星或高轨卫星平台上。近些年来，随着天基互联网络的发展，微小卫星在太空中的应用越来越广泛。微小卫星平台的重量一般在100至500kg，除了平台本身重量，还要搭载遥感和测控设备，对于星载激光通信的重量要求一般在数kg量级。传统的卫星激光通信终端一般包括二维转台、光路和电控等部分，很难做到5kg以内，无法满足微小卫星搭载运行要求解决上述问题的技术手段是去掉卫星激光通信终端二维转台，利用微小卫星平台实现粗瞄准，激光通信终端仅进行光收发和精瞄准。

由于星地激光通信的光束宽度非常窄，一般在亚毫弧度量级，一般需要终端实时控制粗瞄装置、精瞄装置和CMOS探测装置进行复合轴瞄准，以实现大范围高精度光束跟踪。由于微小卫星平台主要通过地面进行测控，星载激光通信终端无法对其进行实时控制，进行激光的粗精瞄解耦时很难达到理想效果，造成跟踪链路不稳定，严重影响星地信号传输。

光束跟踪是指在卫星光通信链路捕获完成之后，光通信终端根据跟踪探测器给出的瞄准角度偏差信号，实时驱动瞄准装置向着入射光角方向进行补偿的过程。跟踪的目的是克服在星间相互运动、卫星平台振动等角度变化干扰，将接收光斑始终保持在跟踪探测器中心，为卫星光通信链路的可靠通信提供有效保障。

用于完成光束复合轴跟踪的激光通信终端部件一般包括粗瞄装置、精瞄装置和CMOS探测装置共3个，其中粗瞄装置用于大角度范围跟瞄，补偿角度偏差中的大角度低频量；精瞄装置用于小角度范围跟瞄和提前瞄准，补偿角度偏差中的小角度高频量；CMOS探测通信实时调整窗口大小配合瞄粗装置和精瞄装置的光束跟踪。

粗精瞄解耦控制是指通过光斑位置反馈控制精瞄实现精密跟踪，通过精瞄输出角度控制粗瞄实现对精瞄角度解耦，从而实现精瞄小角度精密跟踪和粗瞄大角度范围跟踪的相互配合，确保实现激光链路的稳定跟踪。粗精瞄解耦控制框图如图1所示。

系统传递函数为：

其中，为粗瞄控制函数，为精瞄控制函数，为精瞄自身完成闭环之后的传递函数，为粗瞄自身完成闭环之后的传递函数，为精瞄输出角度，为光斑位置残差，通过差精瞄输出角度和光斑位置残，计算粗瞄偏转控制量，通过上位机发送至粗瞄装置实现粗精瞄解耦。

微小卫星对地激光通信链路中，复合轴光束跟踪需要粗瞄装置（由卫星平台完成）、精瞄装置和CMOS探测装置相互配合完成。由于微小卫星的承载重量有限，需要利用卫星平台替代激光通信终端粗瞄装置实现大角度范围跟瞄，以减轻激光通信终端的重量。目前存在的主要问题是激光通信终端与卫星平台间无法实现ms量级的信号更新频率，无法保证光束跟踪精度和跟踪稳定性。

发明内容