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空间混沌激光通信系统地面终端指向误差校准系统和方法

阅读：297发布：2020-05-16

专利汇可以提供空间混沌激光通信系统地面终端指向误差校准系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了空间混沌激光通信系统地面终端指向误差校准系统和方法。该系统包括地面激光发射端、准直与预瞄准装置、光电探测器以及设置在所选卫星上的角反镜装置；地面激光发射端发射的激光经准直与预瞄准装置发射至所选卫星，卫星上的角反镜装置将到达卫星的激光反射回地面，回到地面的反射光被光电探测器接收后传入数据处理模块，数据处理模块计算出指向误差，并据此调整地面激光发射端的参数，实现指向误差的校准。本发明利用已有的卫星终端进行地面发射基站的校准，系统结构简单，成本低廉，对于地面基站的测试与校准具有重要意义。，下面是空间混沌激光通信系统地面终端指向误差校准系统和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种空间混沌激光通信系统地面终端指向误差校准系统，其特征在于：包括地面发射模块、地面接收模块、数据处理模块和星上发射模块，所述地面发射模块包括地面激光发射端和准直与预瞄准装置，所述地面接收模块包括光电探测器，所述星上发射模块为设置在所选卫星上的角反镜装置；地面激光发射端发射的激光经准直与预瞄准装置发射至所选卫星，卫星上的角反镜装置将到达卫星的激光反射回地面，回到地面的反射光被光电探测器接收后传入数据处理模块，数据处理模块计算出指向误差，并据此调整地面激光发射端的参数。
2.根据权利要求1所述空间混沌激光通信系统地面终端指向误差校准系统，其特征在于：所述角反镜装置包含多个方向的角反镜面。
3.根据权利要求2所述空间混沌激光通信系统地面终端指向误差校准系统，其特征在于：每个方向的角反镜面的直径在到达卫星的光斑直径的千分之五以下。
4.根据权利要求1所述空间混沌激光通信系统地面终端指向误差校准系统，其特征在于：所述地面接收模块还包括掺铒光纤放大器和汇聚装置，从卫星反射回的光信号依次经过掺铒光纤放大器和汇聚装置后被光电探测器接收。
5.根据权利要求1所述空间混沌激光通信系统地面终端指向误差校准系统，其特征在于：所述光电探测器为雪崩光电二极管阵列。
6.基于权利要求1所述空间混沌激光通信系统地面终端指向误差校准系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)地面激光发射端发射激光，综合考虑所选卫星的轨道高度、运行周期以及通信链路长度，通过准直与预瞄准装置对激光进行准直和预瞄准处理，使得该激光到达卫星时，卫星上的角反镜装置正好处于光斑中心附近；
(2)到达卫星的激光经角反镜装置反射回地面，最终被光电探测器接收，光电探测器接收到的光斑并不完整，因此采集的光强概率密度曲线是残缺的高斯曲线；
(3)光电探测器将采集的信号传入数据处理模块，数据处理模块对残缺的高斯曲线进行拟合，得到完整的高斯曲线，则该曲线上的峰值位置即为光斑中心位置，该实际测得的光斑中心位置与理论计算得到的光斑位置中心的偏差即为指向误差；
(4)根据指向误差调整地面激光发射端的参数，实现空间混沌激光通信系统地面终端指向误差的校准。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于：在步骤(3)中，数据处理模块对残缺的高斯曲线进行拟合过程中采用多次测量取平均的方式。
8.根据权利要求6所述方法，其特征在于：所选卫星为高轨卫星，高轨卫星为地球同步卫星。

说明书全文

空间混沌激光通信系统地面终端指向误差校准系统和方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光通信领域，特别涉及了空间混沌激光通信系统地面终端指向误差校准系统和方法。

背景技术

[0002] 近年来，空间混沌激光通信技术飞速发展，其主要由通信卫星、地面基站等有机组成，其中通信卫星具有通信功能，通常置放在距离地面数万公里的太空中，用来作为地面发射出去的信号的中继站，能够对在空中传输的信号进行接收、放大和再发射，一般说来，通信卫星对地球而言可以分为两种，同步定点通信卫星和相对固定的静止卫星；地面基站又称为地球站，其主要功能是用来发射、接收卫星信号，地面基站使用卫星天线对于通信卫星跟踪非常方便，设备装置也比较经济，通常对于指定的目标区域，使用基站对准卫星的天线波束非常容易，可以连续24小时通讯。

[0003] 在空间混沌激光通信上行链路中，光束由地球上的空间站传输，并由安装在卫星终端的光信号接收器接收，下行通道正好相反。在传输过程中，通信链路会受到指向误差的影响，这将导致通信光轴无法精确对准，大大影响着通信质量。

[0004] 指向误差包括视轴和抖动误差两部分。一部分是由于机械系统设计产生的固定误差，称为视轴，此为接收端中心与光束中心之间的固定距离偏差；另一部分则是由于机械系统的随机抖动，其也会导致接收位置与光束中心之间距离偏差的随机变化。在不考虑其他因素时，指向误差对于通信上行链路和下行链路的影响是完全相同的。由于指向误差的影响，光斑中心的随机抖动将导致接收位置与波束中心之间距离的随机变化，从而导致不同抖动情况下接收端接收的光强的概率密度的变化。

发明内容

[0005] 为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供空间混沌激光通信系统地面终端指向误差校准系统和方法，通过准确确定通信链路的指向误差以对空间混沌激光通信系统进行校准。

[0006] 为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

[0007] 一种空间混沌激光通信系统地面终端指向误差校准系统，包括地面发射模块、地面接收模块、数据处理模块和星上发射模块，所述地面发射模块包括地面激光发射端和准直与预瞄准装置，所述地面接收模块包括光电探测器，所述星上发射模块为设置在所选卫星上的角反镜装置；地面激光发射端发射的激光经准直与预瞄准装置发射至所选卫星，卫星上的角反镜装置将到达卫星的激光反射回地面，回到地面的反射光被光电探测器接收后传入数据处理模块，数据处理模块计算出指向误差，并据此调整地面激光发射端的参数。

[0008] 进一步地，所述角反镜装置包含多个方向的角反镜面。

[0009] 进一步地，每个方向的角反镜面的直径在到达卫星的光斑直径的千分之五以下。

[0010] 进一步地，所述地面接收模块还包括掺铒光纤放大器和汇聚装置，从卫星反射回的光信号依次经过掺铒光纤放大器和汇聚装置后被光电探测器接收。

[0011] 进一步地，所述光电探测器为雪崩光电二极管阵列。

[0012] 基于上述空间混沌激光通信系统地面终端指向误差校准系统的方法，包括以下步骤：

[0013] (1)地面激光发射端发射激光，综合考虑所选卫星的轨道高度、运行周期以及通信链路长度，通过准直与预瞄准装置对激光进行准直和预瞄准处理，使得该激光到达卫星时，卫星上的角反镜装置正好处于光斑中心附近；

[0014] (2)到达卫星的激光经角反镜装置反射回地面，最终被光电探测器接收，光电探测器接收到的光斑并不完整，因此采集的光强概率密度曲线是残缺的高斯曲线；

[0015] (3)光电探测器将采集的信号传入数据处理模块，数据处理模块对残缺的高斯曲线进行拟合，得到完整的高斯曲线，则该曲线上的峰值位置即为光斑中心位置，该实际测得的光斑中心位置与理论计算得到的光斑位置中心的偏差即为指向误差；

[0016] (4)根据指向误差调整地面激光发射端的参数，实现空间混沌激光通信系统地面终端指向误差的校准。

[0017] 进一步地，在步骤(3)中，数据处理模块对残缺的高斯曲线进行拟合过程中采用多次测量取平均的方式。

[0018] 进一步地，所选卫星为高轨卫星，高轨卫星为地球同步卫星。

[0019] 采用上述技术方案带来的有益效果：

[0020] 基于目前许多已经发射的卫星上部分带有角反镜，在地面发射基站建设验收时，既为了可以用实际链路进行测试，同时又不需要重新发射星上终端导致高昂的实验测试费用，本发明利用已有的卫星终端进行地面发射基站的校准，系统结构简单，成本低廉，对于地面基站的测试与校准具有重要意义。附图说明

[0021] 图1是本发明中激光发射、反射示意图；

[0022] 图2是本发明的流程图。

具体实施方式

[0023] 以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

[0024] 现有的空间混沌激光通信系统由于信道条件、本身系统设计和装调问题存在指向误差，这将导致通信链路光轴无法精确对准，大大影响着系统的通信质量。目前，在对发射端指向误差的校准中，由于发射星上终端对系统进行实际测量费用昂贵，故大部分对指向误差的研究是基于理论计算与数值仿真，或者通过搭建数千米的地面自由空间通信链路进行模拟测试。上述估算方式存在较大的误差，因此，以费用相对低廉地方式实测空间混沌激光通信链路中的指向误差对于系统设计有重要意义。

[0025] 一种空间混沌激光通信系统地面终端指向误差校准系统，包括地面发射模块、地面接收模块、数据处理模块(计算机即可)和星上发射模块。所述地面发射模块包括地面激光发射端和准直与预瞄准装置，所述地面接收模块包括光电探测器，所述星上发射模块为设置在所选卫星上的角反镜装置。地面激光发射端发射的激光经准直与预瞄准装置发射至所选卫星，卫星上的角反镜装置将到达卫星的激光反射回地面，如图1所示，回到地面的反射光被光电探测器接收后传入数据处理模块，数据处理模块计算出指向误差，并据此调整地面激光发射端的参数。

[0026] 角反镜装置包含多个方向的角反镜面，例如八面棱柱状角反镜装置，以确保不管激光从哪个方向打到卫星都有光束被反射。并且，为满足现代卫星轻便化、小型化的要求，角反镜的直径应该在到达卫星的光斑直径的千分之五以下，具体可取100mm。

[0027] 光电探测器选用雪崩二极管(APD)阵列。由于角反镜的接收面积远小于到达卫星时的光斑面积，这将导致接收端接收到的光强更小，且APD本身有暗噪声，为避免APD暗噪声对探测结果的较大影响，可在探测器前面设置掺铒光纤放大器(EDFA)和汇聚装置，对信号光进行放大和汇聚。

[0028] 基于上述系统的方法，如图2所示，步骤如下。

[0029] 步骤1：地面激光发射端发射激光，综合考虑所选卫星的轨道高度、运行周期以及通信链路长度，通过准直与预瞄准装置对激光进行准直和预瞄准处理，使得该激光到达卫星时，卫星上的角反镜装置正好处于光斑中心附近。

[0030] 步骤2：到达卫星的激光经角反镜装置反射回地面，最终被光电探测器接收，由于星载角反镜的尺寸远小于到达卫星的光斑尺寸，故光电探测器探测到光斑并不完整，光强概率密度曲线是残缺的高斯曲线。

[0031] 步骤3：光电探测器将采集的信号传入数据处理模块，数据处理模块对残缺的高斯曲线进行拟合，得到完整的高斯曲线，则该曲线上的峰值位置即为光斑中心位置，该实际测得的光斑中心位置与理论计算得到的光斑位置中心的偏差即为指向误差；拟合过程可以多次重复测量取平均，避免随机抖动产生较大误差，使得结果较为准确。

[0032] 步骤4：根据指向误差调整地面激光发射端的参数，实现空间混沌激光通信系统地面终端指向误差的校准。

[0033] 高轨卫星为地球同步卫星，不需要考虑地面卫星运行周期，预瞄准过程相对简单。但是对于低轨卫星，需综合考虑卫星所在轨道高度、卫星运行周期等，计算相对复杂。

[0034] 由于空间混沌激光通信系统设计问题，会存在固有的指向误差，即视轴偏差，以及由于环境抖动导致的发射端抖动产生的随机抖动误差，固有误差和随机误差均会造成光束的偏移，统称指向误差。以高轨卫星为例，其距离地面高度为h＝38000km，发射光束经过准直系统后，假设发散角θ为θ＝30μrad，到达高轨时，光斑直径为D，此处要计算返回光斑中心应该在的位置。假设发散角的精度提高到1μrad，经计算，得到的偏差会使光束中心(视轴)产生r＝38m的指向偏差；

[0035] 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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