基于ec-ekf算法的光学智能天线波束控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信技术领域，更进一步设及一种光学智能天线波束控制方法，可用 于对多节点、高速移动性、可靠性和实时性有较高要求的自由空间光通信系统中。
【背景技术】
[0002] 无线激光通信，又称自由空间光通信FS0,是指利用激光束作为载波在空间，即大 气、太空或海水中直接进行数据、语音和视频等多种业务双向传送的一种通信方式。它具有 容量大、抗干扰能力强、组网灵活和安全保密性高的等诸多优点，无线激光通信WLC网络结 合了光纤通信大容量和无线通信自组网的双重优势，使得其在几年来受到了广泛的关注， 是公认的未来"宽带+无线"的优良通信方式，具有广阔的应用前景。
[0003] 由于WLC是一种视距传输系统，因而不太容易在移动通信中建立稳定的链路。如何 精准、快速地实现对较窄信号光的捕获、对准及跟踪，进而建立有效、可靠的通信链路，是 WLC的关键技术之一。现有的针对定点WLC的捕获、对准及跟踪APT技术已较为成熟，只需要 通过人工操作将端机的光学天线安置到固定的位置和角度即可实现对准，从而建立稳定的 通信链路。而移动WLC目前还处在起步阶段，运是因为对于移动特别是室外用途的高速移动 WLC系统，大气效应、目标间相对高速运动、通信终端载荷重量及功率限制等问题对APT技术 的影响将更加显著。
[0004] 在捕获、对准及跟踪APT系统的研究上，国内外部分学者提出了 W下的研究思路：
[0005] Cap Gabriel A .，Refai Hakki H.等人在 "Optical tracking and auto-alig皿ent化ansceiver system"提出了一种对准方案，即根据移动过程中接收光斑落在 位置光电探测器PSD、电荷禪合元件CCD或四象限探测器孤上的误差信息对万向节或振镜进 行调节，从而实现移动中的对准。但是该方法中存在的不足之处是，其天线采用机械伺服系 统，当目标间相对移动速度较大时，机械转动速率会影响通信进程，且上述方法仅适用于短 距离的慢速通信，而且在持续对准过程中的频繁转动会出现时延，从而导致跟瞄精度出现 误差，影响通信的实时性。
[0006] Tao Shang ,Yintang Yang等人在('Beam control method based on omni-direction曰I regul曰r icos曰hedron-sh曰ped optic曰I 曰ntenn曰 for mobile free-sp曰ce optical communication"中提出了一种基于正二十面体全向光学智能天线的波束控制方 法，该方法中天线根据本端收到的反馈信息判断目标是否处于发射单元重叠区，从而确定 切换方式，并将该信息反馈给光通路控制器W控制光开关阵列的通断，实现全向的、快速移 动的点对点无线激光通信。但是，该方法存在的不足之处是，需要同时打开多个发射单元， 加大了功率消耗，并且一旦目标移出该覆盖区，链路中断，天线必须被动地等待目标移动到 已打开的发射单元覆盖范围内，重新建立链路，从而导致链路切换时延较长，降低了通信的 实时性和稳定性。
[0007] 胡贞等人在"空间激光通信终端APT技术与系统研究"（兵工学报，VOl. 32，no.6， PP. 752-757，2011)中对机载空间激光通信APT系统提出了复合轴跟踪系统控制模型。该模 型是在已研制的激光通信终端基础上，利用成熟的光纤通信技术，用部分通信光作精信标 光，对APT精跟踪系统进行了改进。通过半实物模拟实验系统，验证了所设计APT系统的跟踪 性能，结果显示APT系统性能大幅提高，其跟踪误差控制在了化radW内。但是，该模型存在 的不足之处是，该系统的光学天线与两轴四框架连在一起，由计算机控制外框架随动于内 框架的两轴四框架基台，只能实现水平和俯仰两个方向的转动，不利于任意方向信号的接 收与发射，从而导致系统捕获跟踪范围降低，对准精度减小，无法满足高速移动的无线激光 通信链路建立的需求。
[0008] 从W上分析可W看出，传统的APT系统在低速移动情形下能够基本满足通信要求， 但在高速移动情形下，由于天线受机械性能和控制算法的影响，影响APT系统在高速移动情 形下的跟瞄精度，链路的通信性能得不到较好地保证。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于EC-EKF算法的光学智 能天线波束控制方法，W满足=维空间下多节点无线激光通信链路的建立对高速移动性、 可靠性和实时性的要求，提高APT系统在高速移动情形下的跟瞄精度，降低系统功耗。
[0010] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0011] (1)设计光学智能天线：
[0012] 天线采用正二十面体结构，每个面上按照自上而下、自左向右的规则均匀排列有 数个发射单元，接收单元均匀地镶嵌在发射单元之间的空隙内；该正二十面体按照逆时针、 自上而下对每个面设有编号，每个面上的发射单元按照自左向右、自上而下设有编号；
[0013] (2)天线波束控制：
[0014] (2a)将上述光学智能天线分别装配在通信双方的通信机上，通信双方初始化链路 并建立链路链接；
[0015] (2b)在双方通信进程中，本端通信机判断是否收到对端通信机天线发射的光信 号：
[0016] 如果收到光信号，则更新对端通信机当前的运动状态信息；
[0017] 若未收到光信号，则关闭本端天线当前的发射单元，执行步骤(2c);
[0018] (2c)利用误差修正的扩展卡尔曼滤波算法EC-EKF预测对端通信机的下一时刻运 动状态信息，即利用前一时刻的误差值修正当前时刻预测值，得到对端通信机的下一时刻 运动状态信息预测值；
[0019] (2d)根据(2c)得到的预测值确定对端通信机对应本端天线的发射单元编号，重新 建立与对端通信机的链接，继续进行双方通信进程。
[0020] 本发明与现有技术相比具有W下优点：
[0021] 第一、本发明采用了正二十面体结构的光学智能天线，实现了光学天线在全向空 间内的发射和接收，克服了现有技术中天线机械转动速率对通信进程影响大和天线瞄准精 度误差大的缺点，提高了系统的通信实时性和跟瞄精度。
[0022] 第二、本发明由于采用了EC-EKF算法来实现天线的波束控制，实现了光学天线在 =维空间内高速移动下无线激光通信系统的全向捕获、跟踪和对准，并且在通信过程的每 个时段只需打开一个发射单元，克服了现有技术中全向天线需要打开较多发射单元保持通 信，造成功率损耗较大的缺点;本发明根据预测的对端下一时刻位置信息，直接控制对应发 射单元的打开与关闭，克服了现有技术中需要区分发射面与发射单元切换类型的繁琐过 程，有效降低了切换时延，改善了系统的通信效率。
[0023] 第S、本发明由于提出了误差修正的扩展卡尔曼算法EC-EKF，提高了对目标位置 预测的精度，保障了通信链路的建立，克服了现有技术中高速移动情形下目标位置预测精 度低，APT系统跟瞄精度低的缺点，能够预测出通信端机在S维空间内的位置信息，从而建 立起可靠光链路，提高了系统的预测性能，保证了高速移动自由空间光通信系统的可靠性。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明的总流程图；
[0025] 图2是本发明的波束控制总流程图；
[0026] 图3是本发明中对发射单元初始化的子流程图；
[0027] 图4是本发明使用的通信端机结构示意图；
[0028] 图5是本发明中设计的通信端机中光学智能天线模型示意图；
[0029] 图6是本发明中光学智能天线整体覆盖范围示意图；
[0030] 图7是本发明中发射单元发射出的圆形光斑填充方式；
[0031 ]图8是本发明中光学智能天线接收单元分布示意图；
[0032] 图9是本发明中光学智能天线发射面和发射单元编号示意图；
[0033] W下结合附图对本发明