本发明涉及自由空间激光通信技术，尤其是涉及了一种大范围多节点可同时接收的双向空间激光通信网络系统。
背景技术：
自由空间激光通信是当今一种新兴的通信技术，以激光作为载体，在大气或真空中传递数据信息，兼具光纤通信和微波通信的优势，是一种高速、便捷、安全、组网灵活的现代通信技术。随着科技发展，人类空间活动逐渐增多，卫星-卫星间及卫星-地面间的通信数据量逐年增大，所需覆盖范围也越来越广，大量科学数据都需要依靠大容量、高速率、长距离的空间信息传输技术来实现，在此背景下，自由空间激光通信逐渐在导航定位、航空运输、航天测控，甚至是对地观测和深空探测等方面，展露出巨大的应用潜力。
目前的多点间空间通信网络仍主要采用微波的方式，在载波频率的限制下，其传输速率从原理上最多只能达到百mb/s量级。相比之下，自由空间激光通信既采用空间的通信方式，自由灵活，又利用激光作为载波，保证大通信容量、高速传输，是进行空间高速率多点间通信组网的绝佳选择。
目前国内外尚未见到系统可行的空间激光通信网络方案报道，一些单点到多点的自由空间激光通信系统方案被相继提出，如2013年abisayoo.aladeloba等提出一种适用于接入网的波分复用一点对多点fso网络结构、2016年姜会林课题组提出以新型光学天线搭建一点对多点同时空间激光通信系统的方案，2017年stepheng.lambert的一项专利中提到了弯管式链路搭建的组网方案等等，这些组网方案节点的移动性灵活性不高，且设计复杂成本昂贵，搭建链路的可行性还存在疑问。因此，本发明基于波分解复用中心路由节点技术，提出一种大范围多节点可同时接收的双向空间激光通信网络系统，该方案解决了单点到多点通信中传输链路不可逆的问题，具有终端移动性高、可灵活切换传输信道、节点设计简单明了和通信覆盖范围大幅扩大等优点，可以满足空间激光多点间灵活通信的需要。
技术实现要素：
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种大范围多节点同时接收的双向自由空间激光通信网络系统，采用星形连接，实现一点向多点同时传输信息的目的，并支持双向收发。
本发明采用的技术方案如下：
本发明包括收发终端和中心路由节点，在每个节点处设置收发终端，多个节点之间设置中心路由节点，通过中心路由节点连接各个收发终端；所述的中心路由节点包括外转盘、中心处理器、内转盘和波分解复用器；外转盘上设有n个外端口，n个外端口沿外转盘周向等间隔均布布置在外转盘的外周面，各个外端口分别对准各个节点的收发终端，各个外端口经各自的信号传输处理组件连接到中心处理器；内转盘上布置有一个1×(n-1)的波分解复用器，波分解复用器的一个输入端和(n-1)个输出端沿内转盘周向等间隔均布布置在内转盘外周面上；内转盘底部与电机的输出轴连接，中心处理器和电机连接并控制电机运行带动内转盘旋转，实现将波分解复用器的输入端和输出端对准所需要对准的外转盘上的外端口。
所述外转盘和内转盘同轴心布置。
所述的外端口接收从收发终端发射出的光束或者发射出光束到收发终端。
所述的外端口作为接收端，接收从收发终端发射出的光束，经膜系波分解复用器分束后入射到波分解复用器，通过波分解复用器分路后再分别进入其余各个膜系波分解复用器，再传输到其余各个收发终端。
所述的信号传输处理组件包括捕获跟踪瞄准系统和膜系波分解复用器，外端口依次经膜系波分解复用器、捕获跟踪瞄准系统后连接到中心处理器，膜系波分解复用器沿外转盘周向等间隔均布布置在外转盘上，并且布置于外端口和外转盘圆心之间的连线上。
其中一个节点的所述收发终端朝向一外端口正向同时发射多波长信号光和信标光混合形成的光束，经对应的外端口接收后由膜系波分解复用器分束为多波长信号光和信标光的两路，分束后的多波长信号光射向内转盘圆心，经膜系波分解复用器分束后的信标光传输到捕获跟踪瞄准系统，捕获跟踪瞄准系统接收并解调信标光，将信标光中携带的数据信息传输至中心处理器，中心处理器根据数据信息驱动旋转内转盘，将内转盘上的输入端对准外转盘上接收光束的外端口，各个输出端分别对准外转盘上其余的外端口；
使得经膜系波分解复用器分束后的多波长信号光通过输入端输入到波分解复用器，然后经波分解复用器分路后输出经空间信道入射到膜系波分解复用器，经膜系波分解复用器无处理后传输到外端口，通过外端口出射到其余节点的收发终端。从而本发明通过内外转盘以及内转盘上的波分解复用器和端口设置、外转盘上的信号传输处理组件和端口设置实现了一个发射节点下的多同时接收的功能，由于收发终端和中心路由节点之间的空间信道传输方式，具有大范围多节点的传输优势。
所述收发终端包括收发机、信号源、电光调制器、空间-光纤耦合装置和光学天线，收发机的输出端经电光调制器连接到空间-光纤耦合装置，空间-光纤耦合装置输出端经空间信道耦合连接到光学天线，信号源与电光调制器通过电缆连接；由收发机同时发出多波长信号光和信标光两路混合的光束输入到电光调制器中，电光调制器将信号源的数字信号加载调制到两路光束上，电光调制器的输出光束传输到空间-光纤耦合装置，经空间-光纤耦合装置耦合成自由空间光束后由光学天线正向射出。
所述收发终端发射的光束中，信标光携带低速数据信息，多波长信号光为高阶码型调制的高速激光信号。低速是指mb/s量级的传输速率，高阶码型是指正交相移键控信号(qpsk)或正交振幅调制信号(qam)等先进调制格式，高速是指不低于10gb/s量级的传输速率。
本发明设置一个波分解复用中心节点连接周围的多个收发终端，采用待传输光信号和信标光同时发射的方式，使中心节点终端处理器接收命令数据随后进行信道的选择操作，将波分解复用器的输入端对准发射光信号的终端进行接收和分路转发，每一个终端都可灵活切换收发，实现单节点到多节点的同时空间激光信号传输，形成可双向工作的多节点间自由空间激光通信网络系统。
本发明的有益效果是：
本发明系统基于波分解复用中心路由节点构建空间激光通信多点间双向信息传输系统，能实现一点同时向多点传输自由空间激光信号的目的，同时使每一个移动终端兼备发射信号和接收信号的功能，实现信息的双向传输。
本发明在扩大通信传输范围的同时，实现了长距离、低功耗、多点多信号的同时自由空间激光传输，同时解决了以往方案中收发终端无法自由切换的技术难题，构建了可双向传输信息的星形网络。
本发明的中心路由节点兼具自主切换空间信道和自动跟踪瞄准的功能，灵活性选择性大大增强。
本发明中各个收发终端及中心路由节点均为可自由移动的空间节点，适用于自由空间激光通信的各种场合，对现代空间激光通信组网具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的系统空间结构示意图。
图2为本发明中的收发终端结构示意图。
图3为本发明的系统装置结构示意图。
图4为本发明中的内转盘结构示意图。
图中：1为收发终端，2为中心节点，11为收发机，12为信号源，13为电光调制器，14为空间-光纤耦合装置，15为光学天线，16为多波长信号光，17为信标光，21为外端口，22为外转盘，23为跟踪瞄准捕获系统，24为中心处理器，25为内转盘，26为波分解复用器，27为膜系波分解复用器，28为输入端，29为输出端。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明具体实施包括收发终端1和中心路由节点2，在每个节点处设置收发终端1，多个节点之间设置中心路由节点2，通过中心路由节点2连接各个收发终端1。
如图3和图4所示，中心路由节点2包括外转盘22、中心处理器24、内转盘25和波分解复用器26；外转盘22上设有n个外端口21，n个外端口21沿外转盘22周向等间隔均布布置在外转盘22的外周面，各个外端口21分别在自由空间中对准各个节点的收发终端1，各个外端口21经各自的信号传输处理组件连接到中心处理器24；外转盘22和内转盘25同轴心布置，内转盘25上布置有一个1×(n-1)的波分解复用器26，包含一个输入端28和(n-1)个输出端29，波分解复用器26的一个输入端28和(n-1)个输出端29沿内转盘25周向等间隔均布布置在内转盘25外周面上；内转盘25底部与电机的输出轴连接，中心处理器24和电机连接并控制电机运行带动内转盘25旋转，内转盘25受中心处理器24驱动自由转动，实现将波分解复用器26的输入端28和输出端29对准所需要对准的外转盘22上的外端口21。
如图3所示，外端口21接收从收发终端1发射出的光束或者发射出光束到收发终端1，每个外转盘上的外端口21均可进行发射或者接收，实现双向通信。外端口21作为接收端，接收从收发终端1发射出的光束，经膜系波分解复用器27分束后入射到波分解复用器26，通过波分解复用器26分路后再分别进入其余各个膜系波分解复用器27，再传输到其余各个收发终端1。
信号传输处理组件包括捕获跟踪瞄准系统23和膜系波分解复用器27，外端口21依次经膜系波分解复用器27、捕获跟踪瞄准系统23后连接到中心处理器24，膜系波分解复用器27沿外转盘22周向等间隔均布布置在外转盘22上，并且布置于外端口21和外转盘22圆心之间的连线上。
其中一个节点的所述收发终端1朝向一外端口21正向同时发射多波长信号光16和信标光17混合形成的光束，经对应的外端口21接收后由膜系波分解复用器27分束为多波长信号光16和信标光17的两路，分束后的多波长信号光16射向内转盘25圆心，
经膜系波分解复用器27分束后的信标光17传输到捕获跟踪瞄准系统23，捕获跟踪瞄准系统23接收并解调信标光17，将信标光17中携带的数据信息传输至中心处理器24，中心处理器24根据数据信息驱动旋转内转盘25，将内转盘25上的输入端28对准外转盘22上接收光束的外端口21，各个输出端分别对准外转盘22上其余的外端口21；
使得经膜系波分解复用器27分束后的多波长信号光16通过输入端28输入到波分解复用器26，然后经波分解复用器26分路后输出经空间信道入射到膜系波分解复用器27，经膜系波分解复用器27无处理后传输到外端口21，通过外端口21出射到其余节点的收发终端1。
如图2所示，收发终端1包括收发机11、信号源12、电光调制器13、空间-光纤耦合装置14和光学天线15，收发机11的输出端经电光调制器13连接到空间-光纤耦合装置14，空间-光纤耦合装置14输出端经空间信道耦合连接到光学天线15，信号源12与电光调制器13通过电缆连接；由收发机11同时发出多波长信号光16和信标光17两路混合的光束输入到电光调制器13中，电光调制器13将信号源12的数字信号加载调制到两路光束上，电光调制器13的输出光束传输到空间-光纤耦合装置14，经空间-光纤耦合装置14耦合成自由空间光束后由光学天线15正向射出，自由空间光束为调制后的多波长信号光16和信标光17混合形成光束，从而使得收发机11的输出依次经电光调制器13和空间-光纤耦合装置14耦合连接到光学天线15。
具体实施的捕获跟踪瞄准系统23可包括光电探测器、解调系统和位置传感器，根据信标光17信息定位收发终端1的准确位置并搭建空间链路。
在本发明的具体实施中，收发机可选择通信波段的多波长收发机，捕获跟踪瞄准系统可选用现有的光电探测器、位置传感器等跟瞄装置组装而成，波分解复用器可选用现有的各类波分复用或解复用器件，如光纤型波分光复用器或解复用器(cwdm/dwdm)、薄膜型波分解复用器等，光学天线可选用现有各种空间光准直器件及系统，如透镜、光学望远系统等，内外转盘结构可通过机械加工制成，信号源、电光调制器、空间-光纤耦合装置、均可选用各种商业元器件。
本发明的实施例如下：
将中心路由节点置于网络系统中心位置，连接周围6个收发终端，形成一个星形网络。中心节点的外转盘上周向等间隔均布布置6个端口，每个端口配备有一套捕获跟踪瞄准系统(atp)，该系统通过探测信标光的方向定位相应终端，迅速搭建通信链路，同时可对信标光信息进行解调处理并传送至中心处理器。内转盘中内置一个1×5信道的解复用器件，输出端口的波长分别为1548.5nm、1549.3nm、1550.1nm、1550.9nm、1551.7nm。将空间-光纤耦合装置以6等分的间距固定在内转盘上，其中一个与波分解复用器件的输入端相连接，其余5个与波分解复用器件的输出端相连。在收发终端，电光调制器与信号源连接，信号源产生40gb/s的伪随机二进制序列用以模拟实际应用中的调制信号，并加载到电光调制器上产生正交相移键控信号(qpsk)，正交相移键控信号经过空间-光纤耦合装置耦合到自由空间，由光学天线正向发射、空间传输。
当1号收发终端发射5路不同波长复用的信号光和波长为650nm的信标光时，相应外端口接收信号并通过膜系波分解复用器将信标光与待传输信号光分离，信标光所携带的低速数据信息被解调送往中心处理器，中心处理器根据接收到的命令数据发出指令驱动内转盘转动将输入端对准1号收发终端接收信号光。经过波分解复用器解复用后，中心路由节点将1548.5nm的信号光传输至2号收发终端，1549.3nm的信号光传输至3号收发终端……依此类推，5路不同波长的信号光分别传输到特定的收发终端，实现单节点到多节点的同时空间激光信号传输。
当其余收发终端(2、3、4、5或6号终端)发射传输信号光时，通过同样的步骤可以使中心处理器接收命令数据随后进行信道的选择操作，将波分解复用器的输入端对准发射信号光的终端进行接收和分路转发，因此每一个终端都可以灵活切换收发，形成可双向工作的多节点间自由空间激光通信网络系统。
由此上述实施可见，本发明能实现长距离、低功耗、多点多信号的同时自由空间激光传输，而且解决了以往方案中收发终端无法自由切换的技术难题，构建了可双向传输信息的星形网络，具有其突出显著的技术效果。
上述描述中的实施方案可以进一步改变波长、不同波长载波数和传输速率等，且实施方案仅仅是对本发明专利的优选实施例进行描述，并非对本发明专利的构思和范围进行限定，在不脱离本发明专利设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明专利的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。