一种螺旋扫描的平均捕获概率获取方法与流程

1.本发明涉及激光通信的捕获技术，属于通信领域。


背景技术：

2.卫星通信作为一种重要的通信手段，在现代社会的军事和民用领域具有重要的作用。相对于微波通信，卫星光通信具有更高的传输速率和调制带宽，系统结构紧凑，体积小、重量轻；最为重要的是由于激光散角很小，光能集中，利用较小的发射功率即可达到极远距离通信需求。然而正是由于激光信号的光束窄、发散角小，在长距离传输情况下系统链路的建立非常困难。为了建立稳定的通信链路，需要瞄准、捕获和跟踪技术。对于空间捕获技术来说，捕获概率是一项重要的衡量系统捕获性能的指标。
3.现有技术对于捕获概率的描述主要分为两类。第一类是以xin,li,siyuan,et al.analytical expression and optimization of spatial acquisition for intersatellite optical communications[j].optics express,2011为代表的区域捕获概率，这种定义方式描述了在空间捕获过程中由于卫星的相对运动以及轨道误差等因素影响下目标卫星在不确定区域中的位置变化对捕获概率造成的影响。值得指出的是这种定义方式通常会默认在空间捕获过程中，扫描束宽足够大，不存在漏扫的情况，只要卫星出现在不确定区域范围内就一定会被捕获到。因此这种定义方式从本质上来说其实仅仅描述了卫星出现在不确定区域的概率，忽略了由于卫星平台振动等因素所带来的指向误差对于空间捕获的影响。事实上在实际的空间捕获过程中，即使扫描束宽比较大也一定会存在漏扫，因此由于卫星平台振动等因素所造成指向误差对于捕获概率的影响至关重要，正因如此区域捕获概率对于实际捕获概率的刻画并不精确，无法描述卫星平台振动对于捕获概率的影响。此外，国外学者在2016年在kaushal h,kaddoum g.optical communication in space:challenges and mitigation techniques[j].ieee communications surveys&tutorials,2016,19(1):57-96中提出了一种对于不确定区域中任意固定位置的捕获概率方法。这种定义方式分析了卫星平台振动等因素所产生的振动对于捕获概率的影响，然而该种定义方式最大的弊端在于必须给出目标卫星在不确定区域的准确位置才可以进行计算。但是在实际的空间捕获过程中，由于卫星的相对运动以及轨道误差等因素不可能准确地得到目标卫星的准确位置。目标卫星相对于不确定区域的中心始终存在随机运动，而基于固定位置的捕获概率是不能描述这种随机运动对于捕获概率的影响的，这也就限制了该种定义方式的实际应用。


技术实现要素：

[0004]
针对现有获取捕获概率方法不能准确地衡量卫星的空间捕获能力的问题，本发明提供一种螺旋扫描的平均捕获概率获取方法。
[0005]
本发明的一种螺旋扫描的平均捕获概率获取方法，包括：
[0006]
s1、获取螺旋扫描参数；
[0007]
s2、计算螺旋扫描的驻留点坐标；
[0008]
s3、在螺旋扫描不确定区域中均匀生成n个目标点(xi，yi)，i＝1，
…
，n，根据螺旋扫描参数及驻留点坐标计算螺旋扫描对每一个目标点(xi，yi)的捕获概率p(xi，yi，σv)，对捕获概率p(xi，yi，σv)进行拟合，获得包络函数，对包络函数绕着y轴旋转得到概率分布函数p(x，y，σv)；(x，y)表示螺旋扫描的不确定区域中任意一点，σv表示发射端卫星的振动噪声；
[0009]
s4、获取接收端卫星出现在(x，y)的概率密度函数p(x，y，σ
p
)，σ
p
表示接收端卫星位置变化的标准差；
[0010]
s5、平均捕获概率其中fou表示螺旋扫描的不确定区域。
[0011]
作为优选，s3中，对捕获概率p(xi，yi，σv)进行拟合，获得包络函数，方法包括：
[0012]
按照从小到大排列p(xi，yi，σv)，重新排列后的序列为q＝1，
…
，n，进行最小二乘拟合，获得包络函数的系数矩阵c＝[a
0 a1ꢀ…ꢀ
a7]
t
＝a(a
t a)-1at
b；
[0013]
其中，
[0014]
包络函数y＝a0+a1x+
…
+a7x7。
[0015]
作为优选，s4中，概率密度函数
[0016]
作为优选，s2中，驻留点sn的坐标(r
n cosθn，r
n sinθn)，表示驻留点sn在极坐标系下的极轴，表示驻留点sn在极坐标系下的极角，n＝1，2，
…
，k，k表示驻留点的总数，dc表示粗瞄系统的螺距，i
θ
表示粗瞄系统的扫描步长。
[0017]
作为优选，θu表示不确定区域半宽。
[0018]
作为优选，捕获概率p(xi，yi，σv)：
[0019][0020]
其中，代表驻留点sn对(xi，yi)的捕获概率，代表随机变量w所对应的概率密度函数，随机变量w由
(xi，yi)指向光斑中心，i0(
·
)代表零阶修正的第一类贝塞尔函数，a代表驻留点sn和(xi，yi)之间的距离。
[0021]
本发明的有益效果，本发明能够综合考虑卫星平台振动等因素所带来的指向误差以及目标卫星在不确定区域的随机分布对于捕获概率的影响。相对于现有技术来说平均捕获概率更贴近实际的空间捕获过程，可以准确地衡量卫星的空间捕获能力。
附图说明
[0022]
图1为螺旋扫描的原理示意图；
[0023]
图2为在不同的噪声σv条件下平均捕获概率和扫描束宽θs之间的关系；
[0024]
图3为在不同的扫描束宽θs条件下平均捕获概率和噪声σv之间的关系。
具体实施方式
[0025]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0027]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0028]
本实施方式的一种螺旋扫描的平均捕获概率获取方法，包括：
[0029]
步骤1、获取螺旋扫描参数，包括：
[0030]
扫描束宽θs，扫描步长i
θ
，螺距dc，不确定区域半宽θu，接收端卫星位置变化的标准差σ
p
，发射端卫星的振动噪声σv；
[0031]
步骤2、计算螺旋扫描的驻留点坐标：
[0032]
驻留点sn的坐标(r
n cosθn，r
n sinθn)，表示驻留点sn在极坐标系下的极轴，表示驻留点sn在极坐标系下的极角，n＝1，2，...，k，k表示驻留点的总数，dc表示粗瞄系统的螺距，i
θ
表示粗瞄系统的扫描步长。θu表示不确定区域半宽。
[0033]
步骤3、在螺旋扫描不确定区域中均匀生成n个目标点(xi，yi)，i＝1，
…
，n，根据螺旋扫描参数及驻留点坐标计算螺旋扫描对每一个目标点(xi，yi)的捕获概率p(xi，yi，σv)，对捕获概率p(xi，yi，σv)进行拟合，获得包络函数，对包络函数绕着y轴旋转得到概率分布函数p(x，y，σv)；(x，y)表示螺旋扫描的不确定区域中任意一点，σv表示发射端卫星的振动噪声；
[0034]
步骤4、获取接收端卫星出现在(x，y)的概率密度函数σ
p
表示接收端卫星位置变化的标准差；
[0035]
步骤5、平均捕获概率其中fou表示螺旋扫描的不确定区域。
[0036]
本实施方式分别获得了在螺旋扫描不确定区域中任意一点被捕获的捕获概率和接收端卫星出现在(x，y)的概率密度函数，然后利用步骤5获得平均捕获概率，综合考虑卫星平台振动等因素所带来的指向误差以及目标卫星在不确定区域的随机分布对于捕获概率的影响。相对于现有技术来说平均捕获概率更贴近实际的空间捕获过程，可以准确地衡量卫星的空间捕获能力。
[0037]
本实施方式步骤3中，捕获概率p(xi，yi，σv)：
[0038][0039]
其中，代表驻留点sn对(xi，yi)的捕获概率，代表随机变量w所对应的概率密度函数，随机变量w由(xi，yi)指向光斑中心，i0(
·
)代表零阶修正的第一类贝塞尔函数，a代表驻留点sn和(xi，yi)之间的距离。
[0040]
本实施方式步骤3中的拟合方法有多种，例如最小二乘法，本实施方式的步骤3中，对捕获概率p(xi，yi，σv)进行最小二乘法拟合，获得包络函数，方法包括：
[0041]
按照从小到大排列p(xi，yi，σv)，重新排列后的序列为q＝1，
…
，n，进行最小二乘拟合，获得包络函数的系数矩阵c＝[a
0 a1ꢀ…ꢀ
a7]
t
＝a(a
t
a)-1at
b；
[0042]
其中，
[0043]
包络函数y＝a0+a1x+
…
+a7x7。
[0044]
对包络函数绕着y轴旋转得到概率分布函数p(x，y，σ
p
)：
[0045]
其中(x，y)代表不确定区域内任意一点的坐标，σv为发射端卫星的振动噪声，p(x，y，σv)描述了螺旋扫描对不确定区域内任意一点(x，y)的捕获概率；
[0046]
给定扫描参数扫描步长i
θ
＝18μrad，螺距dc＝20μrad，目标卫星在不确定区域位置变化的标准差σ
p
＝100μrad，不确定区域的半宽θu＝300μrad。如图2所示，以扫描束宽θs为自变量，得到在不同的噪声σv条件下平均捕获概率和扫描束宽θs之间的关系。如图2所示，对于给定的振动噪声标准偏差σv，平均捕获概率随着扫描束宽θs的增加而增加。当θs增加到一定值时，平均捕获概率接近98.89\％。此时，概率分布函数p(x，y，σv)趋近于1。平均捕获概率
趋近于目标卫星出现在不确定区域中的概率。在图3中，给定扫描束宽θs，平均捕获概率随着振动噪声σv的增大而减小。这种下降趋势可分为三个阶段：1)当σv较小时，平均捕获概率随σv的增加而基本保持不变；2)当σv超过某个值时，平均捕获概率将随着σv的增加而急剧下降；3)当σv继续增加时，平均捕获概率的下降趋势将平缓，此时影响它的主要因素是扫描束宽θs。从以上分析可以看出，当扫描束宽θs较小时，对影响平均捕获概率的主要因素是振动噪声σv。此外，随着扫描束宽的增加，这种影响将变得越来越小。
[0047]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。