[发明专利]一种空地激光通信中的超前瞄准方法

摘要

本发明公开了一种空地激光通信中星上终端的超前瞄准方法，该方法利卫星平台GPS数据和姿态测量系统数据，结合当前通信端机的光路结构，计算通信光超前瞄准时信标光在精跟踪相机上的成像位置，以此作为精跟踪系统的动态跟踪中心，由精跟踪系统控制快速倾斜镜偏转，使通信光出射方向偏离信标光光轴，从而实现超前瞄准。本发明基于精跟踪系统实现，保证了超前瞄准的执行精度，降低了系统的复杂度，减轻了质量，并且不会影响通信光的出射功率。

主权项

1.一种空地激光通信中星上终端的超前瞄准方法，它是基于包括GPS系统（1）、姿态测量系统（2）的卫星平台和包括转台转角测量系统（3）、超前瞄准计算模块（4）、精跟踪系统（5）以及光电二维转台（6）的通信终端来实现的，其特征在于包括以下步骤：1）通信终端组装完成后，进行如下标定：I.使入射信标光与出射通信光同轴，此时信标光在精跟踪相机（5-1）探测面上成像，图像处理后输出探测器坐标系X_dY_dZ_d下的坐标值为(x₀,y₀)；II.通信终端工作在开环指向模式，调整信标光入射角使精跟踪相机（5-1）输出坐标值为(x₀,y₀)，再次改变信标光入射角度Δχ，像斑质心坐标值变为(x'₀,y'₀)，则质心变化距离与入射角度变化值之比为K：K=(x0-x′0)2+(y0-y′0)2Δχ---(1)]]>2）在轨运行时，超前瞄准计算模块（4）不断接收GPS系统（1）、姿态测量系统（2）和转台转角测量系统（3）的数据，计算超前瞄准时精跟踪相机（5-1）探测器坐标系中的动态跟踪中心(x,y)：I.计算超前瞄准时出射通信光与接收信标光间的夹角σ：σ=2|V→g|2-(V→g·P→g)2/|P→g|2c---(2)]]>式中，为惯性坐标系J2000.0下地面站相对于卫星的速度矢量，为惯性坐标系J2000.0下地面站相对于卫星的位置矢量；V→g=(ω(yT2-yT1)+(x′T2-xT2)/Δt,ω(xT1-xT2)+(y′T2-yT2)/Δt,(z′T2-zT2)/Δt)---(2-1)]]>P→g=(xT1-xT2,yT1-yT2,zT1-zT2)---(2-2)]]>其中，(x_T2，y_T2，z_T2)为GPS系统（1）提供的通信终端在WGS-84坐标系中的当前坐标值；(x'_T2,y'_T2,z'_T2)为Δt时间间隔前通信终端在WGS-84坐标系中的坐标值；(x_T1,y_T1，z_T1)为地面站在WGS-84坐标系中的固定坐标值；ω为地球自转角速率；c为真空中光速；II.计算超前瞄准时精跟踪系统（5）的动态跟踪中心(x,y)：(x,y)=(x0-K·σ·V→i·P→x(V→i·P→x)2+(V→i·P→y)2,]]>y0-K·σ·V→i·P→y(V→i·P→x)2+(V→i·P→y)2)---(3)]]>式中，为通信终端仪器坐标系X_iY_iZ_i中地面站相对于卫星的速度矢量；和为精跟踪相机（5-1）探测器上(+∞,0)和(0,+∞)点在通信终端仪器坐标系X_iY_iZ_i中对应的方向向量；VxVyVz=MbiMobMgoω(yT2-yT1)+(x′T2-xT2)/Δtω(xT1-xT2)+(y′T2-yT2)/Δt(z′T2-zT2)/Δt---(3-1)]]>Mbi=a11a12a13a21a22a23a31a32a33---(3-1-1)]]>Mgo=(b23yT2-b22zT2)/λ1λ2(b22zT2-b23xT2)/λ1λ2(b22xT2-b21yT2)/λ1λ2b21/λ2b22/λ2b23/λ2-xT2/λ1-yT2/λ1-zT2/λ1---(3-1-3)]]>b₂₁＝(y_T2z'_T2-z_T2y'_T2)/Δt+ωx_T2z_T2（3-1-3-1）b₂₂＝(z_T2x'_T2-x_T2z'_T2)/Δt+ωy_T2z_T2（3-1-3-2）b₂₃＝(x_T2y'_T2-y_T2x'_T2)/Δt-ω(xT₂₂+yT₂₂) （3-1-3-3）λ1=xT22+yT22+zT22---(3-1-3-4)]]>λ2=b212+b222+b232---(3-1-3-5)]]>P→x=P→1-(P→1·P→2)·P→2---(3-2)]]>P→y=P→3-(P→3·P→2)·P→2---(3-3)]]>P→1=(1-cos2β,-sinβcosβ,-cosβ)---(3-3-1)]]>P→2=(-cosβ+sinαsinβ,-sinβ-sinαcosβ,cosα)---(3-3-2)]]>P→3=(-sinβcosβ,1-sin2β,1)---(3-3-1)]]>其中,a₁₁，a₂₁，a₃₁为卫星平台坐标系X_bY_bZ_b中向量(1,0,0)在通信终端仪器坐标系X_iY_iZ_i中X轴、Y轴、Z轴上的分量，a₁₂，a₂₂，a₃₂为坐标系X_bY_bZ_b中向量(0,1,0)于坐标系X_iY_iZ_i中X轴、Y轴、Z轴上的分量，a₁₃，a₂₃，a₃₃为坐标系X_bY_bZ_b中向量(0,0,1)于坐标系X_iY_iZ_i中X轴、Y轴、Z轴上的分量；ψ、和θ分别为姿态测量系统（2）提供的卫星平台的偏航角、滚动角以及俯仰角；α和β为转台转角测量系统（3）提供的光电二维转台（6）绕俯仰轴、方位轴的转角；3）超前瞄准控制模块（4）将动态跟踪中心(x,y)输入到精跟踪系统（5），由精跟踪控制模块（5-5）将动态跟踪中心与精跟踪相机（5-1）的当前输出值进行比较，得到快速倾斜镜驱动控制模块（5-4）的输入指令，驱动快速倾斜镜（5-2）到达指定位置，最终使信标光在精跟踪相机（5-1）上的光斑质心输出值与动态跟踪中心一致；4）通信光透过分光镜（5-3），经过调整好的快速倾斜镜（5-2）反射，再经过光电二维转台（6）内反射镜（6-2，6-3，6-4，6-5）反射后从望远镜筒（6-1）出射，出射方向与所需超前瞄准方向重合。