专利名称：卫星轨迹光学模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明与激光通信有关，特别是一种卫星轨迹光学模拟装置。该装置将用于在地面实验室内对卫星激光通信系统进行有关跟瞄参数的测试和性能验证与评估等，也可为卫星激光通信系统的研制提供一种新技术实施可能性的实验分析结果。
由于星间激光通信系统在飞行在轨测试之前，必须经过一个在地面上模拟轨道运行环境下的参数测试和验证阶段，因此在地面实验室内，必须具备的一个重要的环节是创建一个能够模拟卫星运行轨迹的装置。该装置同卫星微波通信系统中已有的装置在功能上有所不同，原因在于光束宽度较窄，在空间实现对准、跟踪及通信等过程相对较难。因此在目前无直接可利用产品的情况下，重点开展卫星光学轨迹模拟新型装置的研发工作，是非常重要的，也是必要的，将用于模拟两颗卫星之间光通信中的跟踪和瞄准过程。
在已有的实现卫星轨迹模拟装置的技术方案中，在先技术(G.Planche，et al.，SILEX final ground testing and in flightperformances assessment.Proc.SPIE Vol.3615，PP64-77)采用由电机直接拖动卫星光学通信系统运动的方案，即卫星光学通信系统将按已设计好的空间轨迹数据来模拟实际的空间运动，用于测试和验证两颗卫星之间有关的跟瞄特征参数。该方法可以模拟的卫星实际运行状态为处于不同轨道的两颗卫星同时绕地球运动，或者其中之一运动，另一颗卫星保持相对静止两种情况。因此当其中的一个运动着(或静止)卫星上的光学通信系统发出信标光束，能被另一颗运动着(或静止)卫星上的光学通信系统接收，此时可以完成两个卫星光学通信系统之间的扑获及跟瞄等参数测试。由于该方案是直接由电机驱动卫星光学通信系统运动，因此占地面积较大，机械运动多，同时模拟复杂的卫星运行轨迹较难。
本发明的基本思想是采用光学器件的方法，即控制双棱镜旋转的工作方式，来模拟卫星光通信系统信标光束的扫描运动，从而代替两颗卫星之间的相对运动。此方法的核心内容是维持两个待测试的卫星光学通信系统不运动，而使卫星光通信系统发出的激光束，通过旋转的双棱镜产生偏转，以光束偏转角度的变化来代表两个待测试的卫星光学通信系统在空间中的运动。借助于这个新思路，来模拟两颗卫星光通信系统之间的跟瞄过程。
本发明的基本原理是在模拟同步轨道卫星和低轨卫星光学通信系统之间的跟瞄和通信过程中，由于低轨卫星沿其自身运动轨道上运行，使得同步卫星与低轨卫星之间的连线和同步卫星与地心连线的夹角也在变化。在上述空间两颗卫星之间可视通信的范围内，设以同步卫星与地心的连线为对称轴，经过计算得出，该夹角的变化范围在±15°之间。
本发明装置采用两个棱镜的主截面平行同向放置，并假设两棱镜的顶角和尺寸相同。
图1(a)表示两棱镜的主截面重合，且两棱镜的顶角的方向相同，为同一方向的情况。此时将产生最大的偏向角δ，为两棱镜分别所产生的偏向角之和。图1(b)代表两棱镜的相对转角为180°，仍维持两主截面重合，顶角方向相反的情况。显然，这时的组合双棱镜相当于平行玻璃板，偏向角δ＝0。图1(c)表示两棱镜同图1(a)比较，同时转动的角度为180°，此时将产生和图1(a)中方向相反的最大偏向角度(+δ)。
双棱镜产生的偏向角可表示为δ=2(n-1)αcos(Φ2).........(1)]]>其中α，Φ分别表示两棱镜的顶角和两棱镜相对转过的角度，n为两棱镜的折射率。由此可见，组合后的双棱镜的总偏向角δ决定于棱镜的折射率、棱镜顶角及两个棱镜的主截面之间的相对角度。
如果要求双棱镜系统能够产生的空间偏转角度范围在±15°之间，根据上面公式(1)，可以求出双棱镜的顶角值为14°左右(BK玻璃材料)。由于高低轨卫星之间连线的角度变化范围在±15°之间，因此采用上述双棱镜的旋转方法，能够模拟出该角度的变化情况。
本发明的具体技术解决方案如下一种用于同步卫星与低轨卫星之间跟瞄过程的参数测试的卫星轨迹光学模拟装置，其特点是该装置由光学组件、机电系统，计算机控制系统三部分组成光学组件，在其光路行进方向上设有棱镜和棱镜，所述棱镜由BK玻璃制成，其顶角为14°，两棱镜的主截面平行同向放置在固定部件上；机电系统，由电机组、机械传动结构、角位移传感器和伺服电机控制系统组成；所说的电机组包含两个电机，所说的机械传动结构包含两个齿轮组，该固定部件与齿轮组形成被驱动关系。
计算机控制系统包括轨道数据库、轨道数据处理程序和光学模拟装置控制程序；上述元部件的位置关系是计算机控制系统根据选定的卫星轨迹数据，由光学模拟装置控制程序产生控制命令，通过伺服电机控制系统驱动电机转动，通过传动机构带动双棱镜旋转，当一专用光学通信系统发射光束，经过旋转的双棱镜后，偏转光束由被测试光学通信系统接收。
所述的伺服电机控制系统分别由差分电路和电机控制电路构成。
所述的电机组的一电机可驱动双棱镜同方向旋转。
所述的电机组的一电机驱动双棱镜统一旋转，另一电机可驱动双棱镜作相对旋转。
所述的卫星轨迹光学模拟装置，还设有第三电机、第三齿轮组、第三固定部件、角位移传感器和第三伺服电机控制系统，可驱动双棱镜整体地公转，其方向垂直于双棱镜自身旋转的方向。
本发明装置的优点本发明可以用于同步卫星与低轨卫星之间跟瞄过程的参数测试。对于在地面实验室内，如何判断卫星激光通信系统在实际搭载卫星平台，即在轨测试之前，有关性能指标能否达到设计要求这一关键问题，本发明装置将提供一种新的跟瞄参数的验证方法。该方案控制结构简单，实用性强，具有控制精度高、可以产生二维运动轨迹、机械运动较少、占地面积小等特点。而且其设计技术可以通过转化、改进，比较适合于作为卫星激光通信系统设计中采用的一种新的粗跟瞄结构，因此对未来的卫星激光通信系统的总体设计也将产生十分重要的影响，并具有十分重要的应用价值。
与此同时，本发明所产生激光光束偏转扫描的工作方式，同传统的转镜(转动的平面镜)结构的技术方案相比，也具有结构上的优势。转镜结构是利用光学反射原理，即将激光束投射在全反镜上面，通过控制反射镜与激光束的夹角，来模拟光束从一个卫星终端发射到另一个光学终端接收的整个过程。其技术特点是激光器的轴线方向与反射光方向垂直。由于需要将激光器和转镜结构等整个模拟系统安装在同一个伺服系统上，将占用较大空间，同时较难模拟相对复杂卫星运行轨迹情况，因此本发明可以替代传统的转镜结构。
实施例2使用电机组5控制双棱镜1，2旋转的方案，即电机51控制双棱镜1，2的统一同向旋转，电机52控制双棱镜1，2作相反方向旋转，选用新的机械传动机构(新的齿轮组61，62)，启动新的光学模拟装置控制程序83部分，并选用闭环控制系统。见附图5、6。
实施例3采用电机组5分别驱动双棱镜1，2的方案，即电机51驱动双棱镜1旋转，而电机52驱动双棱镜2旋转，装置中没有角位移传感器7其它同最佳实施例，由此构成开环的控制系统，结构简单，可以用于演示，见图7。
实施例4使用电机组5控制双棱镜1，2旋转的方案，即电机51控制双棱镜1，2的统一旋转，电机52控制双棱镜1，2之间的相对旋转，选用新的机械传动机构(新的齿轮组61，62，及固定部件63，64)，启动新的光学模拟装置控制程序83部分，装置中没有角位移传感器7(71，72)，其它同实施例2，选用开环控制系统，结构简单，可以用于演示，见附图8。
实施例5为了扩大角度扫描范围，使用第三个电机53驱动双棱镜1，2的整体旋转，方向为双棱镜1，2自身旋转方向的垂直方向，增加新的齿轮组65，及齿轮组65与棱镜1，2之间的固定部件66，增加一个角位移传感器73，伺服电机控制系统11，启动新的光学模拟装置控制程序83部分，其余部分同最佳实施例，采用闭环控制系统，见图9。
综上所述，本发明装置具有结构简单，实用性强，具有控制精度高、可以产生二维运动轨迹、机械运动较少、占地面积小等特点。
权利要求
1.一种用于同步卫星与低轨卫星之间跟瞄过程的参数测试的卫星轨迹光学模拟装置，其特征在于该装置由光学组件、机电系统，计算机控制系统三部分组成光学组件，在其光路行进方向上设有棱镜(1)和棱镜(2)，所述棱镜由BK玻璃制成，其顶角为14°，两棱镜的主截面平行同向放置在固定部件(63、64)上；机电系统，由电机组(5)、机械传动结构(6)、角位移传感器(7)和伺服电机控制系统(3，4)组成；所说的电机组(5)包含电机(51)和电机(52)，所说的机械传动结构(6)包含两个齿轮组(61，62)，该固定部件(63)与齿轮组(61)形成被驱动关系，齿轮组(62)与棱镜(2)安装在另一固定部件(64)上，该固定部件(64)与齿轮组(62)形成被驱动关系。计算机控制系统(8)包括轨道数据库(81)，轨道数据处理程序(82)和光学模拟装置控制程序(83)；上述元部件的位置关系是计算机控制系统(8)根据选定的卫星轨迹数据，由光学模拟装置控制程序(83)产生控制命令，通过伺服电机控制系统(3，4)驱动电机(51)转动，通过传动机构(6)带动棱镜(1)和棱镜(2)旋转，当一专用光学通信系统(9)发射光束，经过旋转的双棱镜(1、2)后，偏转光束由被测试光学通信系统10接收。
2.根据权利要求1所述的卫星轨迹光学模拟装置，其特征在于所述的伺服电机控制系统(3，4)分别由差分电路(31、41)和电机控制电路(32、42)构成。
3.根据权利要求1所述的卫星轨迹光学模拟装置，其特征在于所述的电机组(5)的电机(51)可驱动双棱镜(1，2)同方向旋转。
4.根据权利要求1所述的卫星轨迹光学模拟装置，其特征在于所述的电机(51)驱动棱镜(1)旋转，而电机(52)驱动棱镜(2)旋转，装置中没有角位移传感器(7)。
5.根据权利要求1所述的卫星轨迹光学模拟装置，其特征在于所述的电机组(5)的电机(51)驱动双棱镜(1，2)统一旋转，电机(52)驱动双棱镜(1，2)之间作相对旋转。
6.根据权利要求1所述的卫星轨迹光学模拟装置，其特征在于还设有第三电机(53)、第三齿轮组(65)、第三固定部件(66)、角位移传感器(73)和第三伺服电机控制系统(11)，可驱动双棱镜(1，2)整体地公转，其方向垂直于双棱镜(1，2)自身旋转的方向。
全文摘要
一种用于同步卫星与低轨卫星之间跟瞄过程的参数测试的卫星轨迹光学模拟装置，其特点是该装置由光学组件、机电系统，计算机控制系统三部分组成，可用于在地面实验室内对卫星激光通信系统进行有关跟瞄参数的测试和性能验证与评估等方面，同时为卫星激光通信系统的研制提供一种新技术实施方案可能性的实验分析，本发明装置具有结构简单，实用性强，具有控制精度高、可以产生二维运动轨迹、机械运动较少、占地面积小等特点。
文档编号H04B10/10GK1463087SQ0312923
公开日2003年12月24日 申请日期2003年6月13日 优先权日2003年6月13日
发明者祖继锋, 刘立人, 云茂金, 滕树云, 栾竹, 孙建锋 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所