一种基于束散角调整的低轨卫星跟瞄优化策略及系统的制作方法
本发明属于激光通信领域，特别涉及了一种基于束散角调整的低轨卫星跟瞄优化策略及系统。
背景技术：
卫星激光通信因具有数据率高、保密性好、功耗低、体积小、重量轻等优点，受到了世界很多国家的重视。卫星激光通信根据卫星轨道可分为静止轨道(geo)、中轨道(meo)和低轨道(leo)卫星通信系统。低轨卫星通信系统的基本组成包括：卫星星座、关口地球站、系统控制中心、网络控制中心和用户单元等。在若干个轨道平面上布置多颗卫星，由通信链路将多个轨道平面上的卫星联结起来。整个星座如同结构上连成一体的大型平台，在地球表面形成蜂窝状服务小区，服务区内用户至少被一颗卫星覆盖，用户可以随时接入系统。
轨道通信卫星在距地球表面不同高度、但低于地球同步卫星轨道的空间中运行。由于卫星绕地球运转快于地球自转，地面站又只能在短距离范围内才能和卫星通信，因此在卫星绕地球一周内通信的时间很短，卫星的覆盖地区在地球表面上很快移动，当卫星离开地面站的接收范围时就无法进行通信，而克服低轨道卫星通信这一缺点的方法是增加在轨卫星数量。利用低轨卫星实现通信的优点在于：一方面卫星的轨道高度低，使得传输延时短。路径损耗小，多个卫星组成的星座可以实现真正的全球覆盖，频率复用更有效；另一方面蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术也为低轨道卫星移动通信提供了技术保障。因此，低轨卫星通信系统被认为是最新最有前途的卫星移动通信系统。
卫星激光通信的核心技术是pat技术，即瞄准、捕获和跟踪技术，而在atp技术中，捕获又是建立和恢复通信链路的关键。传统的捕获技术使用一束信标光对目标卫星可能所在的位置进行逐点扫描，当目标卫星上的光天线接收到了扫描信号后对主动卫星进行定位，并发射应答光束至主动方，从而建立连接。扫描开始时被动方卫星使用大视场角覆盖主动方卫星所在的不确定区，主动方卫星则通过一束较窄的信标激光束对被动方卫星所在的不确定区进行扫描以获得对方位置信息。目前常见的扫描方式包括矩形扫描、螺旋扫描和矩形螺旋扫描。这给测试装置提出了很高的要求目前，我们国家正在进行有关激光星间链路的激光通信系统的研制工作，对研制完成以后的通信端机的跟瞄性能进行测试，无疑具有重要的实用价值。
技术实现要素：
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供基于束散角调整的低轨卫星跟瞄优化策略及系统，通过根据不同的大气条件改变信标光束散角的方式提高低轨卫星的跟瞄效率。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种基于束散角调整的低轨卫星跟瞄优化策略，包括地面激光发射模块、大气估测模块、数据处理模块和星上模块；地面激光发射模块包括扫描的信标激光器和测试路的脉冲激光器，扫描的信标激光器连接到伺服系统，测试路脉冲激光器连接掺铒光纤放大器；大气估测模块包括大气探测器和计算机；星上终端包括星上探测器和计算机；地面激光发射端的信标光以一定的束散角按一定角速度扫描低轨卫星，由伺服系统控制信标光的扫描角度和方向；当星上探测器探测到信标光，即向地面发射端反馈信号；测试路的脉冲激光器发射脉冲光，通过背向散射法计算大气损耗后，由计算机处理，调整信标光束散角。本发明能够简单快捷地确定低轨卫星的位置，在星载探测器探测灵敏度不变的条件下，提高卫星捕获效率；
进一步地，所述大气探测器与星上探测器均为雪崩二极管。
进一步地，所述发射端需设置edfa对信号进行放大，以保证背向散射光能被apd探测到。
本发明还提供了基于上述系统的一种基于束散角调整的低轨卫星跟瞄优化策略，包括以下步骤：
s1、发射端连续激光器发射激光光束，经过伺服系统后，以一定的束散角和角速度扫描特定轨道的低轨卫星；当星上探测器探测到扫描的信标光后，星上终端则向地面发射激光，从而标定地轨卫星的位置；
s2、发射端的脉冲激光器发射周期性脉冲光，经掺铒光纤放大器进行信号光放大后进入大气信道，由于大气信道中存在自由微粒，故周期性脉冲光会产生周期性的背向散射光脉冲信号，其将会被大气估测模块的探测器所探测；而到达大气层以外后的真空信道，由于没有介质，故不会产生背向散射光；
s3、由计算机绘制探测器探测到的背向散射的脉冲光信号功率衰减曲线；s4、根据背向散射光的脉冲光信号功率衰减曲线通过公式：
然后计算背向散射光的衰减系数以及自由信道中的链路损耗；对于发射的激光信号，如果已知通信系统发射端的发射功率p1，即可根据信道损耗计算出到达星上探测器的激光光束的功率pt，计算公式为：
s5、根据信标光的束散角，计算到达星上探测器的光斑面积，并计算出平均接收光强，该值在星上探测器的探测灵敏度范围内；计算公式为：
s6、通过计算机计算到达星上探测器的信标光功率pt，反馈给伺服系统，适当增大扫描的信标光的束散角α，从而缩短扫描到低轨卫星的时间。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)由于不同大气条件下对星地激光链路的损耗程度是不同的，在低轨卫星跟瞄系统中，跟瞄的激光光束的束散角往往设为定值，而在部分地区或大气条件下，大气状况良好，通信链路的损耗降低，故可以通过适当增大扫描激光光束的束散角来提高对低轨卫星实现跟瞄的效率；
(2)本发明充分利用背向散射法，将其由在光纤系统中的应用推广到对低轨卫星的跟瞄系统中，系统价格低廉，结构并不复杂，对星地激光通信链路的设计有重要意义。
附图说明
图1是本发明实施例基于束散角调整的低轨卫星跟瞄优化系统的系统组成图。
图2是大气信道的背向散射光功率-距离曲线示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明的一种基于束散角调整的低轨卫星跟瞄优化系统，包括地面激光发射模块、大气估测模块、数据处理模块和星上模块；其中，地面激光发射模块包括扫描的信标激光器和测试路的脉冲激光器，扫描的信标激光器连接到伺服系统，测试路脉冲激光器连接掺铒光纤放大器；大气估测模块为探测器和计算机；星上终端包括探测器和计算机。地面激光发射端的信标光以一定的束散角按一定角速度扫描低轨卫星，由伺服系统控制信标光的扫描角度和方向；当星上探测器探测到信标光，即向地面发射端反馈信号。测试路的脉冲激光器发射脉冲光，通过背向散射法计算大气损耗后，由计算机处理，调整信标光束散角。本发明能够简单快捷地确定低轨卫星的位置，在星载探测器探测灵敏度不变的条件下，提高卫星捕获效率；
基于上述系统本发明实施例还提供了一种基于束散角调整的低轨卫星跟瞄优化策略，包括以下步骤：
s1、发射端连续激光器发射激光光束，经过伺服系统后，以一定的束散角和角速度扫描特定轨道的低轨卫星；当星上探测器探测到扫描的信标光后，星上终端则向地面发射激光，从而标定地轨卫星的位置；
s2、发射端的脉冲激光器发射周期性脉冲光，经掺铒光纤放大器进行信号光放大后进入大气信道，由于大气信道中存在自由微粒，故周期性脉冲光会产生周期性的背向散射光脉冲信号，其将会被大气估测模块的探测器所探测；而到达大气层以外后的真空信道，由于没有介质，故不会产生背向散射光；
s3、由计算机绘制探测器探测到的背向散射的脉冲光信号功率衰减曲线；在低层大气内，背向散射光本身随着传输距离的增加而产生衰减外还会因为大气产生的衰减；而到达高层大气，由于大气稀薄，散射微粒稀少，故探测器探测到的背向散射光信号微弱。同样，大气稀薄区对通信链路的损耗也几乎可以忽略。其示意图如图2；
s4、根据背向散射光的脉冲光信号功率衰减曲线通过公式：
然后计算背向散射光的衰减系数以及自由信道中的链路损耗；对于发射的激光信号，如果已知通信系统发射端的发射功率p1，即可根据信道损耗计算出到达星上探测器的激光光束的功率pt，计算公式为：
s5、根据信标光的束散角，计算到达星上探测器的光斑面积，并计算出平均接收光强，该值在星上探测器的探测灵敏度范围内；计算公式为：
s6、由于到达低轨卫星高度的光斑半径r受束散角影响，r又影响星上探测器探测到的平均功率，而一般卫星通信系统设计时，我们都按照链路损耗最大来看，但根据大气估测模块的测试结果，当天气情况良好时，链路所受损耗较低时，到达星上探测器的信标光功率pt大于系统设计值，因此，可以通过计算机计算到达星上探测器的信标光功率pt，反馈给伺服系统，适当增大扫描的信标光的束散角α，从而缩短扫描到低轨卫星的时间。运用伺服系统对束散角的灵活调节满足对低轨卫星跟瞄效率的要求。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
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