一种基于卫星的空中-水下通信系统的制作方法

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于卫星的空中-水下通信系统。

背景技术：

目前，潜通信主要采用甚低频或超低频的传输方式，建立通信链路时，对于甚低频，飞行器发送大量信息到指定收信深度，潜艇或者水下探测器这类水下潜行装置定期浮到指定收信深度收信，使水下潜行装置容易被发现，且其实现规模大、抗干扰能力差；对于超低频，其数据传输速度极低，为1bit/min，飞行器无法发送大量信息到水区中的指定深度，且为了提高实时性和隐蔽性，便采用激光扫描的方式建立通信链路。现有采用激光扫描方式建立激光通信链路的方法包括以下步骤：

飞行器在水区上空进行扫描，向水区打出蓝绿激光；

水下潜行装置接收由飞行器发出的蓝绿激光，根据蓝绿激光传送的方向确定飞行器的位置信息；

由于飞行器不知道水下潜行装置的位置，需要在较大范围内进行往返扫描，以使发出的蓝绿激光打中水下潜行装置，在扫描过程中，飞行器首先飞行到相应的海区，然后在相应的海区上空往返飞行，使打出的蓝绿激光光斑能扫过整个预定海域，往返光斑有一定重叠；

水下潜行装置根据获取的位置信息向飞行器发送蓝绿激光；

飞行器根据光波传送的方向确定水下潜行装置的位置信息；和

飞行器根据确定出的位置信息向水下潜行装置发送蓝绿激光，建立与水下潜行装置之间的激光通信链路。之后，飞行器与水下潜行装置便可通过建立的通信链路进行信息交互。

采用这种激光扫描方式，由于水下潜行装置在深海隐蔽时飞行器很难获得水下潜行装置的大概位置，加大了扫描区域，且飞行器需要往返进行扫描，导致通信链路建立时间长。甚至有可能飞行器还未扫描到水下潜行装置就因动力能源不足而被迫返航。

因此，目前出现了通过声信号来向水下潜行装置发送飞行器的位置以缩减建立通信链路的时间技术。例如，授权公告号为cn102624463b的中国专利文献公开了潜通信中建立通信链路的方法及系统，其中，该方法包括：水下通信端接收由空中通信端发出的深水声音信号，获取空中通信端的位置信息；水下通信端根据获取的位置信息向空中通信端发送光波；空中通信端根据光波传送的方向确定水下通信端的位置信息，根据确定出的位置信息向水下通信端发送光波，建立与水下通信端之间的通信链路。本发明方案能够快速建立通信链路。但是，在没有获得水下潜行装置近期的位置反馈的情况下，其探测范围依然很宽，建立激光通信链路的效率依然不高。因此，有必要对现有技术进行改进以提高飞行器和水下潜行器建立激光通信链路的效率。

技术实现要素：

针对现有技术之不足，本发明提供了一种基于卫星的空中-水下通信系统，本发明通过先通过卫星扫描水下潜行装置并获取水下潜行装置关于其活动范围的反馈，然后再将反馈通知飞行器，飞行器前往对应区域与水下潜行器建立激光通信链路，极大地提高了飞行器和水下潜行器建立激光通信链路的效率。

根据一个优选实施方式，一种基于卫星的空中-水下通信系统，包括：若干卫星组成的卫星通信网络、飞行器和水下潜行装置；飞行器请求若干卫星中的第一卫星协助飞行器与处于不确定位置的水下潜行装置建立通信；第一卫星响应于飞行器的请求用蓝绿波段激光束的激光方式和红外波段激光束的激光致声方式同步扫描位于不确定区域的水下潜行装置以请求其反馈活动范围直至收到水下潜行装置的承载了其在预设时间内的活动范围的反馈信息；飞行器根据所述反馈信息飞行到能与水下潜行装置直接建立激光通信链路的空中区域后，飞行器尝试与处于活动范围内的水下潜行装置建立激光通信链路，并通过飞行器和水下潜行装置之间建立的激光通信链路在飞行器和水下潜行装置之间直接传输数据。

根据一个优选实施方式，飞行器包括第一atp装置，水下潜行装置包括第二atp装置；在飞行器尝试与处于活动范围内的水下潜行装置建立激光通信链路时，飞行器发射激光束指向具有已知位置的第一卫星以请求建立飞行器与第一卫星之间的激光通信链路，飞行器与第一卫星之间建立激光通信链路之后至少部分地基于第一atp装置确定飞行器的姿态和位置；飞行器飞行到能与水下潜行装置直接建立激光通信链路的空中区域后，第一卫星再次用蓝绿波段激光束的激光方式和红外波段激光束的激光致声方式同步扫描位于活动范围的水下潜行装置以请求在第一卫星与水下潜行装置之间建立激光通信链路；在第一卫星与水下潜行装置之间建立激光通信链路之后至少部分地基于第二atp装置确定水下潜行装置的姿态和位置；根据确定的飞行器的姿态和位置和/或水下潜行装置的姿态和位置，在飞行器和水下潜行装置之间建立激光通信链路，并通过飞行器和水下潜行装置之间建立的激光通信链路在飞行器和水下潜行装置之间直接传输数据。

根据一个优选实施方式，在飞行器和水下潜行装置之间建立激光通信链路之前，在先确定了水下潜行装置的姿态和位置但飞行器的姿态和位置还未确定的情况下，未确定姿态和位置的飞行器朝已确定姿态和位置的水下潜行装置发射激光束扫描以尝试建立飞行器和水下潜行装置之间的激光通信链路。

根据一个优选实施方式，在未确定姿态和位置的飞行器朝已确定姿态和位置的水下潜行装置发射激光束以尝试建立飞行器和水下潜行装置之间的激光通信链路的过程中，未确定姿态和位置的飞行器的姿态和位置的确定过程不终止直至尝试建立飞行器和水下潜行装置之间的激光通信链路成功或者该系统确定了未确定姿态和位置的飞行器的姿态和位置。

根据一个优选实施方式，至少部分地基于第一atp装置确定飞行器的姿态和位置的处理包括：从星历数据和/或注册表中获取第一卫星的位置，获取飞行器的速度和地理定位，获取第一atp装置观察的第一卫星的位置，基于从星历数据和/或注册表中获取的第一卫星的位置、获取的飞行器的速度和地理定位以及获取的第一atp装置观察的第一卫星的位置计算飞行器的姿态和位置：和/或至少部分地基于第二atp装置确定水下潜行装置的姿态和位置的处理包括：从星历数据和/或注册表中获取第一卫星的位置，获取水下潜行装置的速度和地理定位，获取第二atp装置观察的第一卫星的位置，基于从星历数据和/或注册表中获取的第一卫星的位置、获取的水下潜行装置的速度和地理定位以及获取的第二atp装置观察的第一卫星的位置计算水下潜行装置的姿态和位置。

根据一个优选实施方式，在飞行器和水下潜行装置之间成功建立激光通信链路之前，通过使用第一atp装置和第三atp装置建立飞行器的绝对姿态和朝向水下潜行装置的绝对指向以补偿飞行器发射的激光束的光束漂移；和/或在飞行器和水下潜行装置之间成功建立激光通信链路之前，通过使用第二atp装置和第四atp装置建立水下潜行装置的绝对姿态和朝向飞行器的绝对指向以补偿水下潜行装置发射的激光束的光束漂移。

根据一个优选实施方式，在第一卫星用蓝绿波段激光束的激光探测方式和红外波段激光束的激光声探测方式同步扫描位于不确定区域或者活动范围的水下潜行装置时，第一卫星还能够调用若干卫星中的至少一个卫星用蓝绿波段激光束的激光探测方式和红外波段激光束的激光声探测方式同步扫描位于不确定区域或者活动范围的水下潜行装置，并且在若干卫星中的至少一个卫星收到水下潜行装置的反馈信息之时通知第一卫星。

根据一个优选实施方式，在飞行器和水下潜行装置之间建立激光通信链路之后，第一卫星保持与飞行器和/或水下潜行装置之间建立的激光通信链路直至飞行器和水下潜行装置之间的数据传输完成，并且第一卫星识别飞行器和水下潜行装置之间建立的激光通信链路的链路状态以及通过该激光通信链路传输数据的传输状态，在传输状态为未完成状态且链路状态为不可用状态的情况下，第一卫星向飞行器和水下潜行装置发送协助传输数据的请求，在飞行器和水下潜行装置均接受第一卫星发送的协助传输数据的请求之后，飞行器和水下潜行装置通过飞行器和第一卫星建立的激光通信链路以及第一卫星和水下潜行装置建立的激光通信链路间接传输数据。

根据一个优选实施方式，在飞行器和水下潜行装置通过飞行器和水下潜行装置之间建立的激光通信链路直接传输数据之时，采用明码传输数据或者采用第一加密算法加密传输数据；和/或在飞行器和水下潜行装置通过飞行器和第一卫星建立的激光通信链路以及第一卫星和水下潜行装置建立的激光通信链路间接传输数据之时，采用不同于第一加密算法的第二加密算法加密传输数据；其中，用于加密数据第一加密算法和/或第二加密算法的秘钥是在飞行器和水下潜行装置之间建立的激光通信链路的链路状态为可用状态时直接通过飞行器和水下潜行装置之间建立的激光通信链路直接传输的。

根据一个优选实施方式，在飞行器和水下潜行装置之间建立激光通信链路之后且传输待加密的数据之前，飞行器和水下潜行装置需要进行秘钥生成过程和秘钥传输过程；其中，秘钥生成过程包括：飞行器或者水下潜行装置生成用于第一加密算法的对称秘钥，飞行器生成用于第二加密算法的第一非对称秘钥，水下潜行装置生成用于第二加密算法的第二非对称秘钥，第一非对称秘钥包括第一公钥和第一私钥，第二非对称秘钥包括第二公钥和第二私钥；秘钥传输过程包括：飞行器或者水下潜行装置将生成的对称秘钥通过飞行器和水下潜行装置之间建立激光通信链路传输给水下潜行装置或者飞行器，飞行器将生成的第一公钥通过飞行器和水下潜行装置之间建立激光通信链路传输给水下潜行装置，水下潜行装置将生成的第二公钥通过飞行器和水下潜行装置之间建立激光通信链路传输给飞行器。

附图说明

图1是本发明的一个优选实施方式的简化示意图。

附图标记列表

100：飞行器110：第一atp装置

120：第三atp装置200：水下潜行装置

210：第二atp装置220：第四atp装置

300：卫星310：第一卫星

320：第二卫星400：地面站

410：微波站420：光学站

具体实施方式

下面结合附图1进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，若出现“第一”、“第二”等术语，其仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，若出现术语“多个”，其含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

本实施例公开了一种通信方法，也可以是一种激光通信方法，也可以是一种基于卫星的激光通信方法，也可是一种基于卫星的空中-水下通信系统，该方法可以由本发明的系统和/或其他可替代的零部件实现。比如，通过使用本发明的系统中的各个零部件实现本发明的方法。

根据一个优选实施方式，该方法可以用于本发明的系统中。该方法可以包括：飞行器100请求若干卫星300中的第一卫星310协助飞行器100与处于不确定位置的水下潜行装置200建立通信。该方法可以包括：第一卫星310响应于飞行器100的请求用蓝绿波段激光束的激光方式和红外波段激光束的激光致声方式同步扫描位于不确定区域的水下潜行装置200以请求其反馈活动范围直至收到水下潜行装置200的承载了其在预设时间内的活动范围的反馈信息。该方法可以包括：飞行器100根据反馈信息飞行到能与水下潜行装置200直接建立激光通信链路的空中区域后，飞行器100尝试与处于活动范围内的水下潜行装置200建立激光通信链路，并通过飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路在飞行器100和水下潜行装置200之间直接传输数据。优选地，飞行器100包括第一atp装置110，水下潜行装置200包括第二atp装置210。优选地，该方法可以包括：在飞行器100尝试与处于活动范围内的水下潜行装置200建立激光通信链路时，飞行器100发射激光束指向具有已知位置的第一卫星310以请求建立飞行器100与第一卫星310之间的激光通信链路，飞行器100与第一卫星310之间建立激光通信链路之后至少部分地基于第一atp装置110确定飞行器100的姿态和位置。优选地，飞行器100飞行到能与水下潜行装置200直接建立激光通信链路的空中区域后，第一卫星310再次用蓝绿波段激光束的激光方式和红外波段激光束的激光致声方式同步扫描位于活动范围的水下潜行装置200以请求在第一卫星310与水下潜行装置200之间建立激光通信链路。优选地，在第一卫星310与水下潜行装置200之间建立激光通信链路之后至少部分地基于第二atp装置210确定水下潜行装置200的姿态和位置。优选地，根据确定的飞行器100的姿态和位置和/或水下潜行装置200的姿态和位置，在飞行器100和水下潜行装置200之间建立激光通信链路，并通过飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路在飞行器100和水下潜行装置200之间直接传输数据。优选地，本发明中，因为空间激光通信的点对点的建立激光通信链路并不像光纤通信一样具有高成功率，所以尝试建立可以是调整激光束扫描方向的情况下寻求与对方建立激光通信的方式。优选地，若干卫星300可以包括用微波通信的微波星、用激光通信的光学星和/或能用激光或微波通信的微波光学共用星。优选地，水下潜行装置200根据其隐蔽性能决定发送的活动范围的大小。例如，活动范围可以是一个圆形包围圈，直径大小可以由水下潜行装置200自行决定。飞行器100可以在预设时间内飞行到能与水下潜行装置200直接建立激光通信链路的空中区域并完成飞行器100与水下潜行装置200直接建立激光通信链路的过程。优选地，水下潜行装置200例如可以是潜艇、水下探测器和水听器中的至少一种。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：第一，本发明通过先通过卫星扫描水下潜行装置并获取水下潜行装置关于其活动范围的反馈，然后再将反馈通知飞行器，飞行器前往对应区域与水下潜行器建立激光通信链路，极大地缩小了扫描范围，提高了飞行器和水下潜行器建立激光通信链路的效率，第二，卫星相比于飞行器距离水面更远，能够形成更大的光斑进行扫描，扫描效率更高；第三，卫星在轨运行扫描不耗费燃料，仅需用电力，且电力可以通过太阳能电池补充。

根据一个优选实施方式，在飞行器100在预设时间之外才飞行到能与水下潜行装置200直接建立激光通信链路的空中区域时，第一卫星310可以重新用蓝绿波段激光束的激光方式和红外波段激光束的激光致声方式同步扫描位于不确定区域的水下潜行装置200以请求其反馈活动范围直至收到水下潜行装置200的承载了其在下一预设时间内的活动范围的更新的反馈信息。飞行器100可以在下一预设时间内飞行到能与水下潜行装置200直接建立激光通信链路的下一空中区域并完成飞行器100与水下潜行装置200直接建立激光通信链路的过程。

优选地，该方法可以包括：在飞行器100尝试与处于不确定位置的水下潜行装置200建立通信时，飞行器100可以发射激光束指向具有已知位置的第一卫星310以请求建立飞行器100与第一卫星310之间的激光通信链路。飞行器100与第一卫星310之间建立激光通信链路之后可以至少部分地基于第一atp装置110确定飞行器100的姿态和位置。第一卫星310可以用蓝绿激光束扫描位于不确定区域的水下潜行装置200直至激光束照射水下潜行装置200。第一卫星310与水下潜行装置200之间建立激光通信链路之后可以至少部分地基于第二atp装置210确定水下潜行装置200的姿态和位置。优选地，根据确定的飞行器100的姿态和位置以及水下潜行装置200的姿态和位置，在飞行器100和水下潜行装置200之间建立激光通信链路，并可以通过飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路在飞行器100和水下潜行装置200之间传输数据。优选地，飞行器100和水下潜行装置200中的一方或者一方的载体能在陆面或者水面移动，飞行器100和水下潜行装置200中的另一方或者另一方的载体能在空中移动。例如可飞行器100和水下潜行装置200中的一方可以是陆地车辆、船舶和便携装置中的至少一种。飞行器100和水下潜行装置200中的另一方或者另一方的载体例如可以是飞行器、火箭、直升机和无人机中的至少一种。

根据一个优选实施方式，在第一卫星310用蓝绿波段激光束的激光探测方式和红外波段激光束的激光声探测方式同步扫描位于不确定区域或者活动范围的水下潜行装置200时，第一卫星310还可以调用若干卫星300中的至少一个卫星用蓝绿波段激光束的激光探测方式和红外波段激光束的激光声探测方式同步扫描位于不确定区域或者活动范围的水下潜行装置200。在若干卫星300中的至少一个卫星收到水下潜行装置200的反馈信息之时可以通知第一卫星310。例如，至少一个卫星可以是第二卫星320。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：能够进一步缩短获得水下潜行装置反馈的时间。

优选地，atp可以是指acquisition，trackingandpointing，即捕获跟踪与瞄准。优选地，atp装置还可以称为apt装置、捕获瞄准跟踪仪、捕获跟踪与瞄准系统、瞄准捕获跟踪装置和/或捕获跟踪与瞄准装置。例如，以地面站和卫星为例，为了能在卫星300与卫星300之间或卫星300与其他通信设备之间实现可靠通信。首先要求一颗卫星300能捕捉到另一颗卫星300或地面站400发来的光束，称之为信标光，并将该光束会聚到探测器或天线中心，这个过程称作捕获或者捕获体。捕获完成后，作为接收方的卫星300也要发出一光束，要求该光束能准确地指向发出信标光的另一颗卫星300或地面站400，这个过程称作指向或者瞄准。发出信标光的卫星300接收到此光束后，也要相应地完成捕获过程，才能使两颗卫星300或卫星300和地面站400最终达到通信连接状态。为保证这两颗卫星300或卫星300与地面站400一直处于通信状态，必须一直保持这种精确的连接状态，这过程称作跟踪或者跟踪口。

优选地，确定物体的姿态和位置有多种数学表达方法，例如可以欧拉角、欧拉-罗德里格参数、罗德里格-吉普斯矢量、四元数和对偶四元数中的至少一种。

优选地，在卫星300发射机处生成光频率梳和泵浦信号；在发射机处调制光频率梳以产生数据信号和作为数据信号的相位共轭的空闲信号；在发射器处衰减泵浦信号；从卫星300通过自由空间发送具有数据信号、空闲信号和泵浦信号的通信信号；在接收器处从卫星300接收所发送的通信信号，该通信信号具有数据信号、空闲信号和衰减的泵浦信号；在接收器中的相敏放大器处放大数据信号和空闲信号；在接收器处解调数据信号和空闲信号以提取数据。

根据一个优选实施方式，在飞行器100和水下潜行装置200之间建立激光通信链路之前，在先确定了水下潜行装置200的姿态和位置但飞行器100的姿态和位置还未确定的情况下，未确定姿态和位置的飞行器100可以朝已确定姿态和位置的水下潜行装置200发射激光束扫描以尝试建立飞行器100和水下潜行装置200之间的激光通信链路。优选地，在未确定姿态和位置的飞行器100朝已确定姿态和位置的水下潜行装置200发射激光束以尝试建立飞行器100和水下潜行装置200之间的激光通信链路的过程中，未确定姿态和位置的飞行器100的姿态和位置的确定过程可以不终止直至尝试建立飞行器100和水下潜行装置200之间的激光通信链路成功或者该系统确定了未确定姿态和位置的飞行器100的姿态和位置。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：第一，未确定位置的飞行器100虽然没有通过atp装置确定姿态和位置，但是其通过机载定位模块可以确定一个比atp装置确定的姿态和位置相对粗略些的姿态和位置信息，由此来尝试建立通信，因此本发明能够采取额外方式尝试缩短两个可移动的通信平台之间的激光通信链路的建立时间，因为本发明在建立激光通信链路时，在其中水下潜行装置200的位置已确定而飞行器100的位置未确定的情况下，未确定位置的飞行器100利用确定其姿态和位置的空闲时间，向已确定姿态和位置的水下潜行装置200发送激光束扫描以尝试建立激光通信链路，尝试成功则快速建立通信；第二，即使尝试失败，在飞行器100的姿态和位置被确定后，两者之间也可以利用已确定的两者的姿态和位置来建立通信。

优选地，在至少部分地基于第一atp装置110确定飞行器100的姿态和位置之后，可以由飞行器100启动对水下潜行装置200的开环搜索。优选地，在初始的第二预设时长的开环搜索过程中可以不具有凝视搜索的步骤。

根据一个优选实施方式，飞行器100可以包括第三atp装置120，水下潜行装置200可以包括第四atp装置220。在飞行器100和水下潜行装置200之间建立激光通信链路之后，第一卫星310可以选择性地断开其与飞行器100和/或水下潜行装置200之间建立的激光通信链路。在飞行器100和水下潜行装置200中的至少一个断开其与第一卫星310建立的激光通信链路之后，飞行器100和水下潜行装置200之间可以至少部分地通过第三atp装置120和第四atp装置220来确定彼此的姿态和位置。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：第一，在飞行器100和水下潜行装置200之间直接建立激光通信链路之后，两者可以据此彼此确定姿态和位置而不用再通过均与第一卫星310建立激光通信链路来实现，因此，本发明采用此方式能够大幅降低后期的计算开销和能耗；第二，由于卫星300携带的资源是有限且宝贵的，断开连接后可以释放一部分设备占用，由此更高效地利用系统资源和为更多地设备提供服务。

优选地，本发明中的飞行器100、水下潜行装置200或者第一卫星310可以采用绿激光、蓝激光、蓝绿激光和红激光中的至少一种激光建立激光通信链路。比如，飞行器和第一低轨卫星建立的激光通信链路，飞行器向第一低轨卫星发送的数据的上行链路可以采用绿激光，第一低轨卫星向飞行器发送数据的下行链路可以采用红激光。

根据一个优选实施方式，第一卫星310选择性地断开其与飞行器100和/或水下潜行装置200之间建立的激光通信链路的处理可以包括：在飞行器100和水下潜行装置200之间建立激光通信链路后，第一卫星310可以分析飞行器100和水下潜行装置200的移动特性；第一卫星310可以根据飞行器100和水下潜行装置200的移动特性从以下方式选择一种方式并执行：第一卫星310保持与飞行器100和水下潜行装置200建立的激光通信链路；第一卫星310断开其与飞行器100或者水下潜行装置200建立的激光通信链路；和/或第一卫星310断开其与飞行器100和水下潜行装置200建立的激光通信链路。

优选地，在飞行器100和水下潜行装置200均相对地球处于移动状态之时，第一卫星310可以保持与飞行器100和水下潜行装置200建立的激光通信链路。在飞行器100和水下潜行装置200中的一个相对地球处于静止状态之时，第一卫星310可以断开其与处于静止状态的飞行器100或者水下潜行装置200建立的激光通信链路。在飞行器100和水下潜行装置200均相对地球处于静止状态之时，第一卫星310可以断开其与飞行器100和水下潜行装置200建立的激光通信链路。

优选地，在第一卫星310断开其与处于静止状态的飞行器100或者水下潜行装置200建立的激光通信链路之前，可以向处于静止状态的飞行器100或者水下潜行装置200发送断开激光通信链路的请求。响应于断开激光通信链路的请求，飞行器100和水下潜行装置200中的至少一个可以基于地理信息模型和轨迹预测预判在断开之后的第一预设时长内飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路的断开情况。当飞行器100和水下潜行装置200中的至少一个基于地理信息模型和轨迹预测预判在断开之后的第一预设时长内飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路的断开次数大于等于预设次数阈值之时，处于静止状态的飞行器100或者水下潜行装置200可以拒绝第一卫星310的请求。当飞行器100和水下潜行装置200中的至少一个基于地理信息模型和轨迹预测预判在断开之后的第一预设时长内飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路的断开次数小于预设次数阈值之时，处于静止状态的飞行器100或者水下潜行装置200可以接收第一卫星310的请求。优选地，地理信息模型即gis模型。该系统可以根据若干卫星300中的至少部分卫星300采集的地理信息来绘制和/或更新地理信息模型。该系统还可以根据若干卫星300中的至少部分卫星300采集的云层信息来在地理信息模型上绘制和/或更新云层模型。优选地，云层模型也可以用于预判断开情况。

优选地，第一卫星310可以基于飞行器100和水下潜行装置200之间的通信可靠性和/或误码率选择性地断开其与飞行器100和/或水下潜行装置200之间建立的激光通信链路。优选地，第一卫星310可以通过地理条件、气象条件、第三atp装置120检测到的水下潜行装置200发射的激光束的光束漂移程度和第四atp装置220检测到的飞行器100发射的激光束的光束漂移程度来分析通信可靠性。

优选地，至少部分地基于第一atp装置110确定飞行器100的姿态和位置的处理包括：从星历数据和/或注册表中获取第一卫星310的位置，获取飞行器100的速度和地理定位，获取第一atp装置110观察的第一卫星310的位置。基于从星历数据和/或注册表中获取的第一卫星310的位置、获取的飞行器100的速度和地理定位以及获取的第一atp装置110观察的第一卫星310的位置计算飞行器100的姿态和位置。

优选地，至少部分地基于第二atp装置210确定水下潜行装置200的姿态和位置的处理可以包括：从星历数据和/或注册表中获取第一卫星310的位置，获取水下潜行装置200的速度和地理定位，获取第二atp装置210观察的第一卫星310的位置，和/或基于从星历数据和/或注册表中获取的第一卫星310的位置、获取的水下潜行装置200的速度和地理定位以及获取的第二atp装置210观察的第一卫星310的位置计算水下潜行装置200的姿态和位置。

根据一个优选实施方式，在至少部分地基于第一atp装置110确定飞行器100的姿态和位置并且至少部分地基于第二atp装置210确定水下潜行装置200的姿态和位置之后，飞行器100和水下潜行装置200可以相向地发送激光束以建立飞行器100和水下潜行装置200之间的激光通信链路。优选地，飞行器100和水下潜行装置200通过开环方式相向地发送激光束以在9秒内建立飞行器100和水下潜行装置200之间的激光通信链路。

根据一个优选实施方式，在飞行器100发射激光束指向具有已知位置的第一卫星310以请求建立飞行器100与第一卫星310之间的激光通信链路之前，飞行器100可以从星历数据或者注册表中选择第一卫星310。优选地，选择的第一卫星310在选择之时可以处于飞行器100的第一atp装置110的10mrad视场内，尤其优选4mrad视场内。优选地，飞行器100从星历数据或者注册表中选择第一卫星310之时，评估与4或10mrad视场内的卫星建立激光通信链路的建立时间，选择对应最短的建立时间的一个卫星作为第一卫星310。优选地，第一卫星310可以是同步卫星，也可以是非同步卫星。优选地，在建立时间相同的情况下，优先选择非同步卫星作为第一卫星310，次优选择同步卫星作为第一卫星。

根据一个优选实施方式，在飞行器100和水下潜行装置200之间成功建立激光通信链路之前，可以通过使用第一atp装置110和第三atp装置120建立飞行器100的绝对姿态和朝向水下潜行装置200的绝对指向以补偿飞行器100发射的激光束的光束漂移。优选地，在飞行器100和水下潜行装置200之间成功建立激光通信链路之前，通过使用第二atp装置210和第四atp装置220建立水下潜行装置200的绝对姿态和朝向飞行器100的绝对指向以补偿水下潜行装置100发射的激光束的光束漂移。优选地，由于激光器受其本身的热变形、环境振动、空气扰动或者水流扰动等因素的影响，出射的激光束在传播过程中常会产生漂移，限制了激光器准直精度的进一步提高，这种漂移就叫作光束漂移。

实施例2

本实施例可以是对实施例1的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

根据另一个优选实施方式，在飞行器100和水下潜行装置200之间建立激光通信链路之后，第一卫星310可以保持与飞行器100和/或水下潜行装置200之间建立的激光通信链路直至飞行器100和水下潜行装置200之间的数据传输完成。第一卫星310可以识别飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路的链路状态以及通过该激光通信链路传输数据的传输状态，在传输状态为未完成状态且链路状态为不可用状态的情况下，第一卫星310可以向飞行器100和水下潜行装置200发送协助传输数据的请求，在飞行器100和水下潜行装置200均接受第一卫星310发送的协助传输数据的请求之后，飞行器100和水下潜行装置200可以通过飞行器100和第一卫星310建立的激光通信链路以及第一卫星310和水下潜行装置200建立的激光通信链路传输数据。优选地，飞行器100和水下潜行装置200中的至少一个向第一卫星310发送飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路的链路状态以及通过该激光通信链路传输数据的传输状态。

优选地，在飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路处于不可用状态之后，飞行器100和水下潜行装置200之间可以至少部分地通过第一卫星310确定彼此的姿态和位置，并且可以据此尝试重新建立飞行器100和水下潜行装置200之间的激光通信链路。

根据一个优选实施方式，飞行器100和水下潜行装置200通过飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路传输数据之时，可以采用明码传输数据或者加密方式传输数据。飞行器100和水下潜行装置200通过飞行器100和第一卫星310建立的激光通信链路以及第一卫星310和水下潜行装置200建立的激光通信链路传输数据之时，采用加密方式传输数据。优选地，飞行器100和水下潜行装置200可以均不向第一卫星310传输用于解密飞行器100和水下潜行装置200之间传输数据的秘钥。

根据一个优选实施方式，在飞行器100和水下潜行装置200通过飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路传输数据之时，可以采用第一加密算法加密传输数据。在飞行器100和水下潜行装置200通过飞行器100和第一卫星310建立的激光通信链路以及第一卫星310和水下潜行装置200建立的激光通信链路传输数据之时，可以采用不同于第一加密算法的第二加密算法加密传输数据。优选地，第一加密算法的第一计算量小于第二加密算法的第二计算量。更优选地，第一加密算法是对称加密算法，第二加密算法是非对称加密算法。

根据一个优选实施方式，在飞行器100和水下潜行装置200之间建立激光通信链路之后且传输待加密的数据之前，飞行器100和水下潜行装置200可以进行秘钥生成过程和秘钥传输过程。

优选地，秘钥生成过程可以包括：飞行器100或者水下潜行装置200生成用于第一加密算法的对称秘钥，飞行器100生成用于第二加密算法的第一非对称秘钥，水下潜行装置200生成用于第二加密算法的第二非对称秘钥，第一非对称秘钥包括第一公钥和第一私钥，第二非对称秘钥包括第二公钥和第二私钥。

优选地，秘钥传输过程可以包括：飞行器100或者水下潜行装置200将生成的对称秘钥通过飞行器100和水下潜行装置200之间建立激光通信链路传输给水下潜行装置200或者飞行器100，飞行器100将生成的第一公钥通过飞行器100和水下潜行装置200之间建立激光通信链路传输给水下潜行装置200，水下潜行装置200将生成的第二公钥通过飞行器100和水下潜行装置200之间建立激光通信链路传输给飞行器100。优选地，在飞行器100和水下潜行装置200通过飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路传输数据之时，飞行器100和水下潜行装置200通过对称秘钥加密传输数据。优选地，在飞行器100和水下潜行装置200通过飞行器100和第一卫星310建立的激光通信链路以及第一卫星310和水下潜行装置200建立的激光通信链路传输数据之时，飞行器100发送的数据通过第一私钥和第二公钥进行加密后才通过第一卫星310间接传输给水下潜行装置200，水下潜行装置200通过第一公钥和第二私钥解锁接收到的飞行器100发送的数据。在飞行器100和水下潜行装置200通过飞行器100和第一卫星310建立的激光通信链路以及第一卫星310和水下潜行装置200建立的激光通信链路传输数据之时，水下潜行装置200发送的数据通过第二私钥和第一公钥进行加密后才通过第一卫星310间接传输给飞行器100，飞行器100通过第二公钥和第一私钥解锁接收到的水下潜行装置200发送的数据。

实施例3

本实施例可以是对实施例1、2或者其结合的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。

根据一个优选实施方式，在飞行器100和水下潜行装置200之间建立激光通信链路之后，第一卫星310可以保持与飞行器100和/或水下潜行装置200之间建立的激光通信链路直至飞行器100和水下潜行装置200之间的数据传输完成。优选地，第一卫星310可以识别飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路的链路状态以及通过该激光通信链路传输数据的传输状态，在传输状态为未完成状态且链路状态为不可用状态的情况下，第一卫星310可以向飞行器100和水下潜行装置200发送协助传输数据的请求，在飞行器100和水下潜行装置200均接受第一卫星310发送的协助传输数据的请求之后，飞行器100和水下潜行装置200可以通过飞行器100和第一卫星310建立的激光通信链路以及第一卫星310和水下潜行装置200建立的激光通信链路间接传输数据。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：在飞行器100和水下潜行装置200之间的激光通信链路不稳定时，可以通过第一卫星310来间接传输数据。

根据一个优选实施方式，在飞行器100和水下潜行装置200通过飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路直接传输数据之时，可以采用明码传输数据或者采用第一加密算法加密传输数据；和/或在飞行器100和水下潜行装置200通过飞行器100和第一卫星310建立的激光通信链路以及第一卫星310和水下潜行装置200建立的激光通信链路传输数据之时，可以采用不同于第一加密算法的第二加密算法加密传输数据；其中，用于加密数据第一加密算法和/或第二加密算法的秘钥是在飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路的链路状态为可用状态时直接通过飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路直接传输的。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：第一，用于加密数据第一加密算法和/或第二加密算法的秘钥是在飞行器100和第一低轨卫星210水下潜行装置200之间建立的激光通信链路的链路状态为可用状态时直接通过飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路传输的，不经由任何中间设备，安全性极高；第二，通过加密方式传输数据，可以防止被其他卫星窃听；第三，两者之间直接传输时，采用解密难度相对更低的第一加密算法加密或者明码传输，而通过第一卫星传输时，则采用解密难度相对更高的第二加密算法加密，具有更高的安全性。

根据一个优选实施方式，在飞行器100和水下潜行装置200之间建立激光通信链路之后且传输待加密的数据之前，飞行器100和水下潜行装置200可以进行秘钥生成过程和秘钥传输过程。秘钥生成过程可以包括：飞行器100或者水下潜行装置200生成用于第一加密算法的对称秘钥，飞行器100生成用于第二加密算法的第一非对称秘钥，水下潜行装置200生成用于第二加密算法的第二非对称秘钥，第一非对称秘钥包括第一公钥和第一私钥，第二非对称秘钥包括第二公钥和第二私钥。秘钥传输过程可以包括：飞行器100或者水下潜行装置200将生成的对称秘钥通过飞行器100和水下潜行装置200之间建立激光通信链路传输给水下潜行装置200或者飞行器100，飞行器100将生成的第一公钥通过飞行器100和水下潜行装置200之间建立激光通信链路传输给水下潜行装置200，水下潜行装置200将生成的第二公钥通过飞行器100和水下潜行装置200之间建立激光通信链路传输给飞行器100。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：传统的非对称秘钥中，公钥是需要经过中间设备转发到特定对象，也有被窃取的可能性，虽然不能直接用公钥破解通信文件，但是也会降低一层难度，而本发明的第一公钥和第二公钥都是点对点发送的，安全性极高。

根据一个优选实施方式，飞行器100可以被配置为：生成对应至少两种安全等级的至少两个对称秘钥和生成对应至少两种安全等级的至少两组第一非对称秘钥。安全等级越高的对称秘钥或第一非对称秘钥可以分配越长的秘钥长度。在飞行器100通过飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路向水下潜行装置200传输数据之前，飞行器100可以确定向水下潜行装置200传输数据所需的安全等级，和/或可以根据飞行器100确定的向水下潜行装置200传输数据所需的安全等级选择加密数据所需的秘钥。优选地，水下潜行装置200可以被配置为：生成对应至少两种安全等级的至少两组第二非对称秘钥。安全等级越高的第二非对称秘钥可以分配越长的秘钥长度。在水下潜行装置200通过飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路向飞行器100传输数据之前，水下潜行装置200可以确定向飞行器100传输数据所需的安全等级，和/或可以根据水下潜行装置200确定的向飞行器100传输数据所需的安全等级选择加密数据所需的秘钥。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：越高安全等级的数据采用越长的秘钥进行加密，进一步提高安全性。

根据一个优选实施方式，飞行器100可以被配置为：在根据确定的向水下潜行装置200传输数据所需的安全等级选择加密数据所需的秘钥之后且在向水下潜行装置200发送加密数据之前，向水下潜行装置200发送飞行器100确定的向水下潜行装置200传输数据所需的安全等级以让水下潜行装置200启用与之适配的解密秘钥；和/或水下潜行装置200可以被配置为：在根据确定的向飞行器100传输数据所需的安全等级选择加密数据所需的秘钥之后且在向飞行器100发送加密数据之前，向飞行器100发送水下潜行装置200确定的向飞行器100传输数据所需的安全等级以让飞行器100启用与之适配的解密秘钥。

根据一个优选实施方式，飞行器100可以被配置为：在飞行器100向水下潜行装置200发送确定的向水下潜行装置200传输数据所需的安全等级之前，用飞行器100生成的对应最高安全等级的第一私钥和水下潜行装置200生成的对应最高安全等级的第二公钥对飞行器100确定的向水下潜行装置200传输数据所需的安全等级进行加密后才发送给水下潜行装置200；和/或水下潜行装置200可以被配置为：在水下潜行装置200向飞行器100发送确定的向飞行器100传输数据所需的安全等级之前，用水下潜行装置200生成的对应最高安全等级的第二私钥和飞行器100生成的对应最高安全等级的第一公钥对水下潜行装置200确定的向飞行器100传输数据所需的安全等级进行加密后才发送给飞行器100。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：用最高安全等级的非对称秘钥来加密安全等级，进一步提高了解密难度，但是对于通信的双方，却能根据双方先前交换的公钥和自己的私钥快速启用与之适配的解密秘钥。

根据一个优选实施方式，飞行器100还可以被配置为：用飞行器100生成的对应最高安全等级的第一私钥和水下潜行装置200生成的对应最高安全等级的第二公钥对接收到的水下潜行装置200确定的向飞行器100传输数据所需的安全等级进行解密并据此启用与之适配的解密秘钥解密水下潜行装置200发送的对应数据；和/或水下潜行装置200可以被配置为：用水下潜行装置200生成的对应最高安全等级的第二私钥和飞行器100生成的对应最高安全等级的第一公钥对接收到的飞行器100确定的向水下潜行装置200传输数据所需的安全等级进行解密并据此启用与之适配的解密秘钥解密飞行器100发送的对应数据。

实施例4

本实施例可以是对实施例1、2、3或者其结合的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。本实施例公开了一种通信系统，也可以是一种激光通信系统，也可以是一种基于卫星的激光通信系统，也可以是一种基于卫星的空中-水下通信系统。该系统适于执行本发明记载的各个方法步骤，以达到预期的技术效果。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

根据一个优选实施方式，该系统可以包括：若干卫星300组成的卫星通信网络、飞行器100和水下潜行装置200。飞行器100可以包括第一atp装置110，水下潜行装置200可以包括第二atp装置210。

优选地，本发明的系统生成的激光束很窄，激光束的发散角可以为12～95μrad。尤其优选15～20μrad。本发明采用的激光发射天线的发散角可调地设置，调节范围为15～20μrad或者12～95μrad。窄激光束是有利的，因为这可以通过在目标处提供更高的每平方米瓦特来提供高方向性并且能够在长距离上获得高数据速率。但是，由于激光束很窄，因此它必须很精确地指瞄准以建立可靠稳定的通信。

优选地，本发明的系统在采用非线性光学相位共轭方式补偿大气给激光束带来的波前畸变的条件下对运动目标进行跟踪瞄准。由此能将瞄光能量较好地集中于一个很小的区域，提供更高精度地瞄准。

优选地，本发明的系统可以采用非连续发射激光的方式间断通信。该系统中建立激光通信链路的任何两个设备之间，在采用非连续发射激光的方式间断通信的过程中，同一时刻该系统仅赋予其中一个设备处于未发射激光的状态。

根据一个优选实施方式，该系统可以包括若干地面站400。地面站400可以和飞行器100微波通信或者光学通信。优选地，若干地面站400可以包括若干微波站410和/或若干光学站420。优选地，第一卫星310可以请求光学站420与飞行器100建立激光通信链路协助第一卫星310确定飞行器100的姿态和位置。优选地，不确定区域可以是先通过非光学方式确定的相对光学方式确定的准确位置而言更大的区域，比如，基于上次水下潜行器200和外界沟通时处于的位置、时间间隔和最大航速测算出的一个不确定区域。又比如，基于其历史活动区域估计的一个不确定区域。随后用激光束在这个不确定区域内进一步扫描搜索水下潜行装置200。

实施例5

本实施例可以是对实施例1、2、3、4或者其结合的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。

根据一个优选实施方式，该系统可以包括：若干卫星300组成的卫星通信网络、飞行器100和/或水下潜行装置200。飞行器100可以包括第一atp装置110。水下潜行装置200可以包括第二atp装置210。在飞行器100尝试与处于不确定位置的水下潜行装置200建立通信时，飞行器100可以发射激光束指向具有已知位置的第一卫星310以请求建立飞行器100与第一卫星310之间的激光通信链路。飞行器100与第一卫星310之间建立激光通信链路之后可以至少部分地基于第一atp装置110确定飞行器100的姿态和位置。第一卫星310可以用蓝绿波段激光束扫描位于不确定区域的水下潜行装置200并在第一卫星310与水下潜行装置200之间建立激光通信链路。第一卫星310与水下潜行装置200之间建立激光通信链路之后可以至少部分地基于第二atp装置210确定水下潜行装置200的姿态和位置。优选地，根据确定的飞行器100的姿态和位置和/或水下潜行装置200的姿态和位置，在飞行器100和水下潜行装置200之间建立激光通信链路，并通过飞行器100和水下潜行装置200之间建立的激光通信链路在飞行器100和水下潜行装置200之间直接传输数据。

根据一个优选实施方式，在飞行器100尝试与处于不确定位置的水下潜行装置200建立通信之前，飞行器100可以请求若干卫星300中的第一卫星310协助飞行器100与处于不确定位置的水下潜行装置200建立通信。第一卫星310可以响应于飞行器100的请求用蓝绿波段激光束的激光探测方式和红外波段激光束的激光声探测方式同时探测位于不确定区域的水下潜行装置200直至收到水下潜行装置200的承载了其活动范围的反馈信息。优选地，飞行器200可以根据反馈信息飞行到能与水下潜行装置200直接建立激光通信链路的空中区域之后，飞行器100才发射激光束指向具有已知位置的第一卫星310以请求建立飞行器100与第一卫星310之间的激光通信链路。

如本文所用的词语“模块”描述任一种硬件、软件或软硬件组合，其能够执行与“模块”相关联的功能。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。