专利名称：空间光通信系统跟踪性能测试方法
技术领域：
本发明涉及一种对空间光通信跟踪性能的测试和优化方法的改进。
背景技术：
光束跟踪性能是空间光通信终端的关键技术指标之一，现有的测试方法 为设置激光光源和成像光学系统模拟跟踪信标光和跟踪接收探测器，在实
验室内进行跟踪的单元性能测试，公开号为CN101072071的发明专利公开了 一种空间光通信蜂端扫描跟踪性能测试方法，但该方法存在以下缺点
(1) 、受模拟装置特性的限制，只能针对发射和接收参数情况对终端的跟
踪性能进行测试，并且跟踪精度和跟踪稳定性较差；
(2) 、不具备完整的终端功能，无法与被测终端配合进行复合轴跟踪等系 统指标测试；
(3) 、无法进行测试跟踪信标光束散角、跟踪视域和跟踪帧频等参数变化 对跟踪的影响和策略的对比优化分析。
发明内容
本发明为解决现有的空间光通信系统跟踪方法存在的只能针对发射和接 收参数情况对终端的跟踪性能进行测试，并且跟踪精度和跟踪稳定性较差， 无法与被测终端配合进行复合轴跟踪等系统指标测试，无法进行测试跟踪信 标光束散角、跟踪视域和跟踪帧频等参数变化对跟踪的影响和策略的对比优 化分析的问题，提出了一种空间光通信系统跟踪性能测试优化分析方法。本 发明的方法由以下步骤实现
步骤一、设定需要链路的两个卫星的相对位置和姿态，以及一段时间的 实时相对位置和姿态的变化数据；
步骤二、将步骤一中设定的需要链路的两个卫星的相对位置和姿态以及 一段时间的实时相对位置和姿态的变化数据预设在主控装置4中；
步骤三、将信号接收装置2和精瞄装置3都固定在粗瞄装置1上以随其 改变光轴线的方向，所述粗瞄装置1能做水平面内转动和俯仰方向转动，并
使信号接收装置2和精瞄装置3的光轴线相互平行，主控装置4的三个输入 输出端分别与粗瞄装置1、信号接收装置2和精瞄装置3的输入输出端连接， 粗瞄装置1、信号接收装置2、精瞄装置3和主控装置4共同组成跟踪设备A;
步骤四、通过主控装置4控制粗瞄装置1转动，使信号接收装置2对被 测终端B发射的信标光进行扫描，当信号接收装置2扫描到被测终端B发射 的信标光时停止扫描，并由精瞄装置3向被测终端B发射信标光，建立初始 链路，然后根据主控装置4中预设的两个卫星的相对位置和姿态以及一段时 间的实时相对位置和姿态的变化数据进行跟瞄，并记录跟瞄的结果，然后根 据预设的实时相对位置和姿态的变化数据补偿两星间相对运动、卫星姿态运 动和卫星平台振动对链路的影响；
步骤五、根据单向跟踪、双向跟踪、开环跟踪和闭环跟踪的扫描原则分 别在主控装置4上设定多种跟踪方式、信标光的束散角、探测视域、探测帧 频和接收信杂比的组合；
步骤六、根据步骤五设定的扫描原则通过主控装置4控制信号接收装置2 和精瞄装置3进行多次信标光跟踪测试并记录测试结果；
步骤七、根据对卫星平台的适应性和稳定保持链路的时间原则，对步骤 六得到的测试结果进行跟踪策略、终端参数的组合和选择、最终实现终端和 链路系统的跟踪性能的分析比较，根据保持跟踪时间的稳定性的测试结果， 选出最优跟踪策略和跟踪参数的设置。
本发明的有益效果是可以测试不同卫星平台控制精度下的跟踪精度和 跟踪稳定性，测试跟踪信标光束散角、跟踪视域和跟踪帧频变化对跟踪的影 响；可以同时对发射和接收参数情况对终端的跟踪性能进行测试；可以与被 测终端配合进行复合轴跟踪等系统指标测试；并可以进行多种参数和策略的 对比优化分析。
图1是完成本发明方法所需装置的整体结构示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一结合图1说明本实施方式。 本实施方式的方法由以下步骤实现步骤一、设定需要链路的两个卫星的相对位置和姿态，以及一段时间的
实时相对位置和姿态的变化数据；
步骤二、将步骤一中设定的需要链路的两个卫星的相对位置和姿态以及 一段时间的实时相对位置和姿态的变化数据预设在主控装置4中；
步骤三、将信号接收装置2和精瞄装置3的转动轴都固定在粗瞄装置1 上以随其改变光轴线的角度，并使信号接收装置2和精瞄装置3的光轴线相 互平行，主控装置4的三个输入输出端分别与粗瞄装置1、信号接收装置2和 精瞄装置3的输入输出端连接，粗瞄装置l、信号接收装置2、精瞄装置3和 主控装置4共同组成跟踪设备A;
步骤四、通过主控装置4控制粗瞄装置1转动，使信号接收装置2对被 测终端B发射的信标光进行扫描，当信号接收装置2扫描到被测终端B发射 的信标光时停止扫描，并由精瞄装置3向被测终端B发射信标光，建立初始 链路，然后根据主控装置4中预设的两个卫星的相对位置和姿态以及一段时 间的实时相对位置和姿态的变化数据进行跟瞄，并记录跟瞄的结果，然后根 据预设的实时相对位置和姿态的变化数据补偿两星间相对运动、卫星姿态运 动和卫星平台振动对链路的影响；
步骤五、根据单向跟踪、双向跟踪、开环跟踪和闭环跟踪的扫描原则分 别在主控装置4上设定多种跟踪方式、信标光的束散角、探测视域、探测帧 频和接收信杂比的组合；
步骤六、根据步骤五设定的扫描原则通过主控装置4控制信号接收装置2 和精瞄装置3进行多次信标光跟踪测试并记录测试结果；
步骤七、根据对卫星平台的适应性和稳定保持链路的时间原则，对步骤 六得到的测试结果进行跟踪策略、终端参数的组合和选择、最终实现终端和 链路系统的跟踪性能的分析比较，根据保持跟踪时间的稳定性的测试结果， 选出最优跟踪策略和跟踪参数的设置。
所述粗瞄装置1可采用MS650绝对型码盘和力矩电机实现；所述信号接 收装置2由光学天线、成像光路和成像探测器组成，光学天线和成像光路为 通用的成像系统，天线口径100 300mm，成像探测器要求大面阵CMOS探测 器，像元数大于100x100,探测视域为0.2 2mrad可调，单元像素探测角分辨
率为lOwad，探测帧频20 lkHz可调，可采用德国Basler公司生产的622f型 CCD;所述精瞄装置3由光学天线、整形光路、偏转镜和激光器组成，激光 器为可实现最大20W连续输出的大功率半导体激光器，可采用法国Thales公 司生产的NE-C3720-F4型激光器，光学天线和整形光路为按激光器输出参数 设计的通用的光学系统，通过调整激光器发光面在光轴方向的位置，可以实 现束散角为0.03 lmrad可调，偏转镜可实现X和Y 二维角度偏转，范围为 士2.5mmd，全范围重复精度士2Mrad,可采用德国PI公司生产的压电振镜偏摆 平台S-330.2SL型偏转镜；所述主控制器4可采用通用的电路设计方法实现， 能够通过两路驱动电路控制粗瞄装置1，转台位置反馈信号通过编码处理电路 实现大范围瞄准，通过数字信号处理电路处理面阵探测器输出的数字信号， 通过两路驱动电路控制偏转镜角度反馈信号通过A\D处理电路实现高精度瞄 准，调整精瞄装置3中激光器的输入电流或安装衰减片，在一定范围内调整 精瞄装置3的发射功率。
跟踪原理链路建立后，需要两个链路的终端进行相互跟瞄以补偿两星 间相对运动、卫星姿态运动和卫星平台振动对链路的影响。根据卫星轨道预 测精度、平台姿态控制精度、平台振动情况和终端跟瞄束散角的大小等因素， 激光星间链路的跟踪理论上可以分为以下三种方式
(1) 双向开环光束跟踪；双向开环光束跟踪时，两个链路终端均根据卫星的 轨道和姿态参数进行相互对准。这种方式对于终端跟瞄性能要求较低， 但对卫星平台的测轨和测姿精度、频率均有极高的要求。
(2) 单向闭环光束跟踪；单向闭环光束跟踪时， 一个链路终端根据卫星的轨 道和姿态参数进行开环对准，另一个链路终端根据接收到的光信号角度 偏差进行闭环瞄准控制。这种方式对于开环瞄准终端跟瞄性能要求较 低，但对其所在卫星平台的测轨和测姿精度、频率均有极高的要求。对 于闭环瞄准终端跟瞄性能要求较高。
(3) 双向闭环光束跟踪；双向闭环光束跟踪时，两个链路终端均根据接收到 的光信号角度偏差进行闭环相互瞄准控制。该种方式对于终端跟瞄性能 要求较高，对卫星平台的适应性较高。
双向闭环光束跟踪简称双向跟踪，是一个两终端同时相互对准的过程，
两端都将产生瞄准角度误差且一端的瞄准精度将影响另一端的误差。因此， 两个终端上的瞄准角度误差均为光束传输延时和瞄准误差在统计上的联合随 机变量。其基本原理为以^^)和^^)表示两个终端上天线光阑中心连线的 角方向，以A(0和&(0表示发射端发射的信号光束角方向，以/^)表示两颗链 路卫星间的距离，下标V和/2分别表示俯仰和方位两个角方向。设激光星间 链路过程中的跟瞄信标光束为基模高斯型。当沿Z轴方向传播时，传输横截面 内的光强分布函数为
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式中Co为常数因子，"(z)是与传播轴线相交于z点的高斯光束等相位面上的 光斑半径。发射端的在水平和俯仰方向的瞄准误差为
瞄准误差通常在微弧度量级，可进行小角度近似<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，
为发射端的径向跟瞄误差。接收端接^到的'光功A率为<formula>formula see original document page 7</formula>
其中A为接收天线口径的有效面积。由于链路距离较远，在接收端处光斑的 面积远大于A，可近似认为在积分面积内光强大小不变，那么<formula>formula see original document page 7</formula>
l角精度也将受到影
功率A的变化直接关系到跟瞄探测器上的信噪比，
响。根据噪声等效角(Noise Equivalent Angle)概念<formula>formula see original document page 7</formula>
A为背景光噪声，仄为探测器噪声，；为接收光学系统的衰减系数，G 与系统的测角算法和探测阈值有关。可得<formula>formula see original document page 8</formula>
其中^^(0)为对方终端跟瞄误差为0时的噪声等效角，主要与瞄准装置和空 间环境的特性有关。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一的不同点在于步骤五中 所述的信标光的束散角的范围是30微弧 1毫弧，探测方式中的探测视域的范 围是50微弧~1毫弧、探测帧频的范围是50Hz lkHz。
权利要求
1、空间光通信系统跟踪性能测试方法，其特征在于本发明的方法由以下步骤实现步骤一、设定需要链路的两个卫星的相对位置和姿态，以及一段时间的实时相对位置和姿态的变化数据；步骤二、将步骤一中设定的需要链路的两个卫星的相对位置和姿态以及一段时间的实时相对位置和姿态的变化数据预设在主控装置4中；步骤三、将信号接收装置(2)和精瞄装置(3)的转动轴都固定在粗瞄装置(1)上以随其改变光轴线的角度，并使信号接收装置(2)和精瞄装置(3)的光轴线相互平行，主控装置(4)的三个输入输出端分别与粗瞄装置(1)、信号接收装置(2)和精瞄装置(3)的输入输出端连接，粗瞄装置(1)、信号接收装置(2)、精瞄装置(3)和主控装置(4)共同组成跟踪设备(A)；步骤四、通过主控装置(4)控制粗瞄装置(1)转动，使信号接收装置(2)对被测终端(B)发射的信标光进行扫描，当信号接收装置(2)扫描到被测终端(B)发射的信标光时停止扫描，并由精瞄装置(3)向被测终端(B)发射信标光，建立初始链路，然后根据主控装置(4)中预设的两个卫星的相对位置和姿态以及一段时间的实时相对位置和姿态的变化数据进行跟瞄，并记录跟瞄的结果，然后根据预设的实时相对位置和姿态的变化数据补偿两星间相对运动、卫星姿态运动和卫星平台振动对链路的影响；步骤五、根据单向跟踪、双向跟踪、开环跟踪和闭环跟踪的扫描原则分别在主控装置(4)上设定多种跟踪策略、信标光的束散角、探测视域、探测帧频和接收信杂比的组合；步骤六、根据步骤五设定的扫描原则通过主控装置(4)控制信号接收装置(2)和精瞄装置(3)进行多次信标光跟踪测试并记录测试结果；步骤七、根据对卫星平台的适应性和稳定保持链路的时间原则，对步骤六得到的测试结果进行跟踪策略、终端参数的组合和选择、最终实现终端和链路系统的跟踪性能的分析比较，根据保持跟踪时间的稳定性的测试结果，选出最优跟踪策略和跟踪参数的设置。
全文摘要
空间光通信系统跟踪性能测试方法，它是一种对空间光通信跟踪性能的测试和优化方法的改进，以解决现有空间光通信的跟踪方法存在的跟踪测试性能单一，无法进行多种参数和策略的对比优化分析的问题。本发明的方法由以下步骤组成步骤一、设定需要链路的两个卫星的初始状态；步骤二、将需要链路的两卫星相对位置和姿态以及实时移动数据预设在主控装置中；步骤三、将测试设备与被测终端配合进行测试；步骤四、建立初始链路；步骤五、设定多种跟踪策略、跟踪束散角、探测视域、探测帧频和接收信杂比组合；步骤六，进行多次信标光跟踪测试并记录测试结果；步骤七、对测试结果进行分析比较，选出最优跟踪策略和跟踪参数设置。
文档编号H04B10/08GK101188456SQ20071014486
公开日2008年5月28日 申请日期2007年12月19日 优先权日2007年12月19日
发明者于思源, 谭立英, 韩琦琦, 晶 马 申请人:哈尔滨工业大学