星载低功耗光信标系统及其实现方法与流程

本发明涉及卫星星载激光信标技术领域，尤其涉及一种基于微纳卫星的星载低功耗光信标系统及其实现方法。

背景技术：

星载光信标系统是一种具有重要应用意义的卫星载荷技术，可广泛应用于星地/星星光通信、测站对卫星跟踪捕获、在轨卫星主动照明等领域，近年来成为很多国家卫星载荷技术的研究热点。目前，星载光信标系统的研究主要面临几个重要问题：(1)信标光受到远距离传输的影响，会使光能量产生很大损失，增加了接收难度；(2)地面捕获和跟踪要保证光束对准，在较短的过境时间内快速建立稳定可靠的光链路十分困难；(3)由于受到卫星自身姿态、轨道及指向误差影响，光束瞄准也总是存在一个不确定角。

常见的星载激光信标系统通常使用单一的高功率激光光源，按一定方式对不确定范围进行扫描，从而使接收端捕获信号建立光链路。这种方法既容易受卫星扰动源影响，又会提高系统功耗，同时降低了光链路建立的速度。本发明的基本原理是采用多组安装角度互异的分布式、经张角功率优化的低功耗激光光源阵列，根据卫星在轨飞行特点采用一定的定向分时切换逻辑，最终实现在保证接收光功率的前提下对地面目标区域有效覆盖。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种星载低功耗光信标系统及其实现方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的星载低功耗光信标实现方法，包括如下步骤：

1)将空间信标需求(覆盖范围、指向性、辐照强度等)分解为目标区域覆盖要求和卫星轨道及飞行特性，从而确定目标区域所需覆盖范围；

2)根据目标区域覆盖要求、卫星轨道及飞行特性以及地面站的跟踪能力，设定单个半导体激光器波束覆盖的最优解；

3)将高集中度的激光精确扩散成与上述最优解的张角和功率分布一致的激光光束，即构成信标单灯；

4)将多个同一辐射指向的信标单灯组成信标灯组，不同的信标灯组采用不同的安装角度分布阵列，并结合灯组之间的交叠覆盖设计，实现对地面目标观测区域的组合覆盖；

5)结合卫星轨道特点及飞行特征，利用卫星星下点经纬度信息对各信标灯组实施定向分时逻辑开关控制，并采用灯组间开关时间的重叠设计，实现对过境弧段的不间断组合覆盖。

上述技术方案中，步骤1)中所述的确定目标区域所需覆盖范围，具体方法为：

将空间信标需求分解为目标区域覆盖要求和卫星轨道及飞行特性，获得卫星的轨道高度H，测站的捕获仰角α，过境跟踪结束的仰角β，并根据卫星轨道推知卫星相对测站的航捷点仰角；假设地面过境弧段内卫星轨迹与地面平行(忽略地球球面影响)，卫星飞行过境的几何示意图如图2所示；综合上述参数，在地球上绘制出覆盖测站的球面四边形A₀B₀C₀D₀，同时考虑姿态控制的偏差角度，将球面四边形A₀B₀C₀D₀按照该偏差角度向外扩大，即获得信标的覆盖范围。

步骤2)中所述的设定单个半导体激光器波束覆盖的最优解，具体方法为：

若测站的捕获仰角为α，过境跟踪结束的仰角为β，则地面站的观测夹角为(π-α-β)，若要保证在测站的跟踪能力范围内，星载光信标系统能够不间断地被观测，则系统的信标光覆盖张角也应不小于(π-α-β)，结合所需信标单灯数目及系统功率，设定信标单灯张角优选范围，得出单个半导体激光器波束覆盖的最优解。信标单灯张角越小，光束越集中，但完整覆盖张角所需的灯数会增加，系统功率也会提高；信标单灯张角越大，光束越分散，但完整覆盖张角所需的灯数会减少，系统功率也会降低。综合上述参量进行最优规划，可以得出单个半导体激光器波束覆盖的最优解。

步骤5)中所述的定向分时逻辑开关控制，具体方法为：

根据卫星轨道及过境时间的不同，各灯组依据卫星星下点的经纬度信息对各信标灯组实施分时逻辑开关控制，开启相应安装角度(瞄准测站)的信标灯组，利用灯组间开关时间的重叠使光束间呈现交叠区域覆盖，在过境时间内对目标区域实现高辐照强度的完整覆盖。

本发明的一种星载低功耗光信标系统，包括卫星，在卫星对地面板上布置有若干不同安装方位角、仰角的信标灯组，每组信标灯组包括若干安装方位角、仰角一致的信标单灯，所述的信标单灯包括信标单灯灯座及安装在灯座上的半导体激光器及张角和功率优化装置(如扩散片)，不同信标灯组的安装指向分别与预先设定的组合覆盖方案的指向要求一致，保证光路互不遮挡并且不受星体其他部件遮挡；每个信标灯组按照组合覆盖方案要求以及单个半导体激光器波束覆盖的最优解分配相应单灯个数，并设置冷备份灯作为冗余备份。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)本发明提供一种以多个定向辐射的、不同安装角度的半导体激光器阵列代替单一大功率信标光源的星载空间信标系统实现方法，同时利用组合覆盖的方法有效提高信标光的覆盖效率；

2)本发明结合卫星轨道及飞行特性，提出了利用卫星星下点经纬度信息实现各信标灯组的定向分时逻辑开关控制的方法，最终达到对过境弧段的不间断组合覆盖的目的；

3)本发明结合波束覆盖范围的最优化设计、分布式阵列组合覆盖设计以及定向分时逻辑开关控制等方法，在保证覆盖功能的基础上大幅降低了系统功耗。

附图说明

图1是基于微纳卫星的星载低功耗光信标系统实现方法的示意图；

图2是光信标系统组合覆盖方法示意图；

图3是光信标系统覆盖跨度求算原理图；

图4是信标光波束光功率高斯分布示意图；

图5是信标光束间交叠覆盖区域示意图；

图6是光信标系统过境定向分时逻辑开关控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的系统及实现方法做进一步说明。

星载光信标系统是一种具有重要应用意义的卫星载荷技术，可广泛应用于星地/星星光通信、测站对卫星跟踪捕获、在轨卫星主动照明等领域，近年来成为很多国家卫星载荷技术的研究热点。目前，星载光信标系统的研究主要面临几个重要问题：(1)信标光受到远距离传输的影响，会使光能量产生很大损失，增加了接收难度；(2)地面捕获和跟踪要保证光束对准，在较短的过境时间内快速建立稳定可靠的光链路十分困难；(3)由于受到卫星自身姿态、轨道及指向误差影响，光束瞄准也总是存在一个不确定角。本发明采用多组安装指向互异的分布式、经张角功率优化的低功耗激光光源阵列，根据卫星在轨飞行特点采用一定的定向分时切换逻辑，最终实现在保证接收光功率的前提下对地面目标区域实施有效覆盖，同时相对单一光源的方案大幅降低了系统功耗，并实现了备份冗余。

如图1所示，本发明的星载低功耗光信标实现方法是：

1)将空间信标需求(覆盖范围、指向性、辐照强度等)分解为目标区域覆盖要求和卫星轨道及飞行特性，从而确定目标区域所需覆盖范围；

2)根据目标区域覆盖要求、卫星轨道及飞行特性以及地面站的跟踪能力，获得单个半导体激光器波束覆盖的最优解；

3)将高集中度的激光精确扩散成与上述最优解的张角和功率分布一致的激光光束，即构成信标单灯；

4)将多个同一辐射指向的信标单灯组成信标灯组，不同的信标灯组采用不同的安装角度分布阵列，并结合灯组之间的交叠覆盖设计，实现对地面目标观测区域的组合覆盖；

5)结合卫星轨道特点及飞行特征，利用卫星星下点经纬度信息对各信标灯组实施定向分时逻辑开关控制，并采用灯组间开关时间的重叠设计，实现对过境弧段的不间断组合覆盖。

信标灯阵列的分布及组合覆盖方案要根据目标区域覆盖要求确定，而覆盖要求由接收测站捕获和跟踪要求确定。如图2、3所示，卫星的轨道高度为H(卫星为太阳同步轨道，偏心率接近为0，过境时间较短，因此认为过境时间内轨道高度不变)，测站的捕获仰角为α，过境跟踪结束的仰角为β，假设地面过境弧段内卫星轨迹与地面平行(忽略地球球面影响)，卫星飞行过境的几何示意图如图2、3所示，则沿卫星过境的轨迹方向，可根据三角关系求得信标光完全覆盖测站跟踪范围所需的覆盖跨度，即为线段X₀Y₀；考虑卫星可能存在一定的姿态控制偏差角，记为γ，覆盖跨度应有所提高，变为XY；在图2中，X₀Y₀对应A₀D₀和B₀C₀，XY对应AD和BC。同理，根据卫星的轨道可以推知卫星相对测站的航捷点仰角，而测站的跟踪能力对于航捷点仰角也具有一定约束，因此同样可以求算出A₀B₀、C₀D₀和AB、CD。综合上述结果，可以在地球上绘制出覆盖测站的球面四边形A₀B₀C₀D₀，即为信标的覆盖范围。考虑姿态控制存在一定角度的偏差，覆盖范围扩大为球面四边形ABCD。

已知测站的捕获仰角为α、过境跟踪结束的仰角为β，则地面站的观测夹角为(π-α-β)。若要保证在测站的跟踪能力范围内，星载光信标系统能够不间断地被观测，则系统的信标光覆盖张角也应不小于(π-α-β)。半导体激光器的集中度很高，可以认为是输出为一条光线，无法满足信标光的覆盖张角要求；若将半导体激光器的输出进行一定扩散，则输出光会变成光束，在同一个横截面上光功率呈高斯分布。如图4所示，同样的激光器，信标单灯扩散越小，光束越集中，即为图中曲线A；信标单灯扩散越大，光束越分散，即为图中曲线B。考虑高斯分布的特性，选取合适的有效光功率占比η(光功率占比即某个覆盖张角内的光功率占该高斯分布总光功率的比值，通常有效光功率选取值不低于80％)，从而可确定有效张角。从图4中不难看出，曲线A的有效张角为a，曲线B的有效张角为b，即越集中的光束有效张角也越小。若有效张角记为θ，满足信标光的覆盖张角要求所需的激光器数目为n，单个激光器的功耗为P₀、光功率为p₀，整个系统的功耗为P、光功率为p，则单个半导体激光器波束覆盖的求解问题可以转化为如下最优化问题：

综合星上资源情况进行最优规划，可以得出单个半导体激光器波束覆盖的最优解。对半导体激光器输出进行优化，使其有效张角满足最优解，构成符合最优解波束覆盖要求的信标单灯。此时的光信标系统所需电功率最低，所需信标灯单元数目适中，波束覆盖的光功率均匀且最大。

为满足对目标区域的覆盖约束，本发明提出了对目标区域实现组合覆盖的三种方法：(1)多个辐射方向一致的信标单灯组成信标灯组。每个单灯光学特性及指向一致，多灯组合叠加有效提高了输出光功率，这一方法保证了测站对光信标系统的辐照强度要求。每组信标灯所含有的灯单元数目由其辐射距离决定：如图2中，卫星过境入站和出站时，光传播距离较远，光功率损失较大，需要布置较多的灯单元；卫星飞越测站时，光传播距离较近，光功率损失较小，仅需布置较少的灯单元。(2)不同安装角度的灯组分布阵列设计。每个信标灯组的波束覆盖范围已知，将目标覆盖范围(图2中球面四边形ABCD)划分为多组波束的交叠覆盖形式。由于各信标灯组分别采用不同的安装角度阵列分布，在同一横截面会产生形状和大小不一的光斑，应使光斑组合完全覆盖目标区域。(3)各光束之间交叠区域覆盖设计。图2中，由于光斑都是圆形或椭圆形，要对目标区域完整覆盖就必然产生交叠区域。以相邻两束灯组为例，如图5所示，图中的阴影区为A1、A2两束光的交叠区域，相交光束光功率叠加，可以使两道不在有效张角范围内的光束叠加后满足测站光辐照强度要求。这样的交叠区域覆盖设计方法，可以进一步减少灯单元数。应用上述三种组合覆盖方法，可以使系统以最小灯单元数实现对目标区域的有效覆盖。

为保证对测站的有效覆盖，还需使灯组在观测弧段内瞄准测站进行相应的灯组切换。本发明中采用的分布式信标阵列，涉及到近百个信标灯单元的控制，需要通过合理的开关控制用以保证覆盖要求并降低系统功耗。卫星通过测站的过程如图6所示，该图显示了测站覆盖范围、星载光信标系统的单束信标光辐照范围、及星载光信标系统的相邻两束信标光交叠辐照范围。卫星从左至右过境，图中所示的几个飞行节点星下点分别为A1～A7，其中A5为航捷点星下点，A2为入站星下点，A6为出站星下点；卫星在轨道已知的情况下，可以根据飞行时刻星下点与A5点的距离、轨道高度计算出此时的测站追踪仰角，从而判断开启哪组信标灯可以瞄准测站，如：A1点尚未入站则不开启任何灯组，处于A2点时开启第一组信标灯，中间各点依次开启相应灯组，飞过A6点时开启最后一组信标灯，A7点已完全出站则关闭所有灯组。此外，A3点的两束光的交叠关系表现了开关时间重叠设计使光束间呈现交叠区域覆盖的基本原理。当卫星接近A3点时，A2点开启的灯组辐照光束已经接近有效张角范围边缘，此时保持该灯组开启，再开启相邻灯组，即出现了组合覆盖方法中的交叠区域覆盖的情况；当达到后一灯组的有效张角范围时，再关闭前一灯组，这样的方法保证了对测站的不间断覆盖。综合上述即为定向分时逻辑开关控制，这样既保证卫星在观测弧段内无间断地与接收端建立光链路，分时控制的方法也使系统功耗大幅降低。

基于上述方法，本发明在实现星载光信标系统时采用了如下措施：在卫星对地面板上布置不同安装方位角、仰角的信标单灯灯座，在灯座上安装半导体激光器及张角和功率优化装置(如扩散片)，保证光路互不遮挡并且不受星体其他部件遮挡；同组信标单灯的安装方位角、仰角一致(即指向相同)，不同信标灯组的安装指向分别与组合覆盖方案的指向要求一致；每个信标灯组按照组合覆盖方案要求以及单个半导体激光器波束覆盖的最优解分配相应单灯个数，并设置一定的冷备份灯作为冗余备份。此外，也可以在系统中设置两套或更多不同光波段的阵列用以增强可靠性或实现其他功能。

依照本发明中的方法研制的一套微纳卫星星载低功耗光信标系统，已经成功实现了在轨应用并表现出色。该系统工作在低轨轨道，并设置了可见光、近红外两种波段的激光信标光源；可见光波段地面接收亮度达到6等星，近红外波段地面接收亮度达到4.5等星，覆盖范围由过境仰角30度到出站仰角60度；两种波段信标灯独立工作并可互为功能冗余备份，同时每个灯组设置2个以上冷备份灯单元，用以增强系统得可靠性；系统平均功耗约70W，峰值功耗小于200W(同等亮度单一大功率信标光源方案需要约3000W的电功率)。

需要指出的是，该实施例中虽然只列出了卫星向地面的信标系统的实施方法，但不仅限于星地信标系统，例如星星之间、地面信标光等，都可以应用上述系统或方法。在本实施例的基础上，应用于其他平台或采用不同的信标阵列分布形式，对本领域普通技术人员来说是显而易见的，也就是说，在本实施例的基础上作出的上述改动，都应该落入本发明相应的权利要求保护范围内。