CN115468533B - 一种激光通信地面站快速定向装置和定向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光通信地面站快速定向装置和定向方法，该装置包括安装在激光通信天线侧固定端A以及移动端B；固定端A包括GPS/BD接收天线A、激光测距仪、测角CCD、分束镜、扩束镜头、GPS/BD接收机；所述扩束镜头安装在角度定位转台上，所述角度定位转台安装在安装基板上；移动端B包括GPS/BD接收天线B、角反射镜阵列、可调光阑，所述角反射镜阵列安装在可调支架上；在竖直方向上，GPS/BD接收天线A与分光镜的距离、GPS/BD接收天线B与可调光阑中心距离相等；在水平方向上，GPS/BD接收天线A与GPS/BD接收天线B的连线与由扩束镜头中心到可调光阑中心连线平行。本发明摆脱了刚性基线限制。

Description

一种激光通信地面站快速定向装置和定向方法

技术领域

本发明属于光学设备技术领域，具体涉及一种激光通信地面站快速定向装置和定向方法。

背景技术

与现有的微波通信技术相比，卫星激光通信技术具有数据率高、抗干扰和保密性好等显著优点，是今后卫星通信的有效补充技术手段。目前，国内外已开展了多项卫星光通信在轨试验，正在逐步开展军事和商业航天应用。

相对于传统微波通信系统，激光通信系统优于采用了光波波段作为信息载波（载波10~400THz），具有极高的通信带宽，同时具有重量轻、体积小、功耗低的突出优点。

星地高速激光通信中，激光通信地面站是重要的信息下行接收载体，为实现快速、稳定和高可靠性的星地瞄准、捕获和跟踪，地面站需要对指向机构的方位和俯仰基准方向进行精确测量，减小不确定方位。对于固定地面站而言，设备的体积、重量和规模不受限，可以通过长基线的方向测量，获得地面站指向机构的基准方向；但随着星地激光传输技术发展，可对灵活星地传输的需要，移动的可车载的地面站成为星地激光通信地面站应用的主要形式，然而于车载地面站而言，对设备的长度、重量等都有限制，难以提供满足精度要求的大长度，且高强度、高刚性的硬体测量基线。利用本发明，摆脱硬体测量基线限制，并可根据外部环境对建立光学基线，可长可短，并将基线物理长度有5m以上，降低为0.6m。

传统高精度方向测量装置如图1所示，由水平仪1、安装基板7、GPS/BD接收天线A4和GPS/BD接收天线B 11，GPS/BD接收机9组成。利用GPS/BD接收天线A 4和GPS/BD接收天线B11的RTK模式，实现GPS/BD接收天线A 4和GPS/BD接收天线B 11连线（基线方向）在地固坐标系中方向精确测量，测量精度在GPS/BD接收机性能固定情况下，取决于GPS/BD接收天线A 4和GPS/BD接收天线B 11的相对距离（基线长度）。在高精度测量使用中，需要安装基板7长度在基准方向上具有大的长度，一般在5m以上，由于伸缩机构造成基线状态不稳定，不确定问题，所以该基线不但需要与被测激光通信指向机构相对角度完全固定，且需要一体的高刚性设计，因此该基线需要固定安装，不可移动，难以实现车载、移动等意外使用。

综上所述，目前地面激光通信终端方向测量机构存在以下问题：1）基线长、体积过大，难以收纳；2）结构重量大；3）基线距离短，测量精度低。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种激光通信地面站快速定向装置和定向方法，利用二维结构转台实现基线方向任意可调，实现测量基线方向与服务的转台基准方向夹角实时可测；利用角度测量CCD对转台反馈误差进行精确测量、提高精度；利用激光测距机，实现固定端A的GPS/BD接收天线A和移动端B的GPS/BD接收天线B之间距离可灵活调整，摆脱了刚性基线限制。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种激光通信地面站快速定向装置，包括安装在激光通信天线侧固定端A以及移动端B；

所述固定端A包括GPS/BD接收天线A、激光测距仪、测角CCD、分束镜、扩束镜头、GPS/BD接收机；所述扩束镜头安装在角度定位转台上，所述角度定位转台安装在安装基板上；

所述移动端B包括GPS/BD接收天线B、角反射镜阵列、可调光阑，所述角反射镜阵列安装在可调支架上；

在竖直方向上，GPS/BD接收天线A与分光镜的距离、GPS/BD接收天线B与可调光阑中心距离相等；在水平方向上，GPS/BD接收天线A与GPS/BD接收天线B的连线与由扩束镜头中心到可调光阑中心连线平行；

其中，激光测距仪、分束镜、扩束镜头、可调光阑、角反射镜阵列组成相对距离测量单元，测量光束由激光测距仪发出，经过分束镜后反射至扩束镜头，并被扩束镜压缩后发射，入射可控光阑和角反射镜阵列反射后，返回到扩束镜头，再经过分束镜后，回到激光测距仪，实现固定端与移动端的距离测量；

所述角度定位转台由方位向和俯仰向正交的转动轴组成，用于实现相对距离测量光路与地面站终端转台基准之间的夹角测量；

激光测距仪、分束镜、扩束镜头、角度定位转台、可调光阑、角反射镜阵列、测角CCD组成观测与调节单元，测量光束由激光测距仪发出，经过分束镜后反射至扩束镜头，并被扩束镜头压缩后发射，入射可调光阑和角反射镜阵列反射后，返回到扩束镜头，经过分束镜后，入射测角CCD，通过观察测角CCD上的光斑形状和位置，对可调光阑进行调整。

进一步地，所述安装基板上安装有水平仪。

进一步地，用上述激光通信地面站快速定向装置进行激光通信地面站快速定向的方法，该方法包括如下步骤：

（1）将角度定位转台的方位轴和俯仰轴转动角度基准与被测地面站通信终端转台基准方向调整一致；

（2）将GPS/BD接收天线A安装在固定端A、GPS/BD接收天线B安装在移动端B，且在竖直方向上，GPS/BD接收天线A与分光镜的距离L_O1S1，GPS/BD接收天线B与可调光阑中心距离L_O2S2相等；在水平方向上， GPS/BD接收天线A通过分光镜中心，GPS/BD接收天线B通过光阑中心，并使得GPS/BD接收天线A与GPS/BD接收天线B的连线S1S2与由分束镜中心到可调光阑中心连线O1O2平行；

（3）手动/电动转动角度定位转台，使得由激光测距仪发射的光束准确入射可调光阑的中心，并经由角反射镜阵列反射回到激光测距仪，获得激光测距仪与角反射镜之间的距离信息；

（4）观察测角CCD上的反射光斑，并控制可调光阑不断缩小，当发生遮挡时，控制转台进行微调，并一直到可调光阑缩小到激光测距仪工作能力下限，停止继续缩小可调光阑；

（5）控制角度定位转台在方位向和俯仰向上运动，获得光斑在测角CCD上的方位向和俯仰向边界后，控制角度定位转台，使得测角CCD上的光斑回到中心位置，使得入射光最终入射到可调光阑中心O2位置；读取此时角度定位转台方位轴和俯仰轴的角度反馈值Az0和EL0；

（6）开启GPS/BD接收机，获得S1S2连线在地固系中的角度位置Az1和EL1，并通过计算测量精度dAz1和dEL1：

其中，Az1表示S1S2矢量在水平面的投影与地固系中正北方向的夹角，EL1表示S1S2矢量与在地固系水平面的夹角，dAz1表示Az1的测量计算误差，dEL1表示EL1的测量计算误差，

表示是GPS/BD接收机在水平面上的测量误差，

表示GPS/BD接收机在高度测量误差，

表示分束镜中心O1到可调光阑中心O2之间的距离；

（7）最后计算转台基准在地固系终端角度位置，与被测地面终端转台基准相同，计算公式为：

其中，定位转台方位轴和俯仰轴的角度反馈值Az0和EL0，Az和EL为转台/被测地面站方向基准在地固系终端角度位置，其中水平面内转台指向的投影与正北方向夹角Az，转台指向角度与水平面的夹角为EL。

本发明的有益效果为：

本发明利用二维结构转台实现基线方向任意可调，实现测量基线方向与服务的转台基准方向夹角实时可测；利用角度测量CCD对转台反馈误差进行精确测量、提高精度；利用激光测距机，实现固定端A的GPS/BD接收天线A和移动端B的GPS/BD接收天线B之间距离可灵活调整，摆脱了刚性基线限制。该装置不但可有效解决移动激光通信地面站上测量基线短、角度测量误差大、激光通信双向捕获周期长的问题，同时具备体积重量小，展开方便、测量基线长度可调的特点。

附图说明

图1为背景技术中提到的现有技术中的地面站方向测量装置结构示意图；

图2为本发明的激光通信地面站快速定向装置结构示意图；

图3为本发明的相对距离测量链路图。

附图标识列表：

A、固定端；B、移动端；1、水平仪；2、测角CCD；3、分束镜；4、GPS/BD接收天线A；5、激光测距仪；6、扩束镜头；7、安装基板；8、角度定位转台；9、GPS/BD接收机；10、角反射镜阵列；11、GPS/BD接收天线B；12可调光阑；13、可调支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如附图2所示，本实施例的一种激光通信地面站快速定向装置，包括安装在激光通信天线侧固定端A以及移动端B；

所述固定端A包括GPS/BD接收天线A 4、激光测距仪5、测角CCD 2、分束镜3、扩束镜头6、GPS/BD接收机9；所述扩束镜头6安装在角度定位转台8上，所述角度定位转台安装在安装基板7上；

所述移动端B包括GPS/BD接收天线B 11、角反射镜阵列10、可调光阑12，所述角反射镜阵列安装在可调支架13上；

在竖直方向上，GPS/BD接收天线A与分光镜的距离、GPS/BD接收天线B与可调光阑中心距离相等；在水平方向上，GPS/BD接收天线A与GPS/BD接收天线B的连线与由扩束镜头中心到可调光阑中心连线平行；

其中，激光测距仪、分束镜、扩束镜头、可调光阑、角反射镜阵列组成相对距离测量单元，测量光束由激光测距仪发出，经过分束镜后反射至扩束镜头，并被扩束镜压缩后发射，入射可控光阑和角反射镜阵列反射后，返回到扩束镜头，再经过分束镜后，回到激光测距仪，实现固定端与移动端的距离测量；

所述角度定位转台由方位向和俯仰向正交的转动轴组成，用于实现相对距离测量光路与地面站终端转台基准之间的夹角测量；

激光测距仪、分束镜、扩束镜头、角度定位转台、可调光阑、角反射镜阵列、测角CCD组成观测与调节单元，测量光束由激光测距仪发出，经过分束镜后反射至扩束镜头，并被扩束镜头压缩后发射，入射可调光阑和角反射镜阵列反射后，返回到扩束镜头，经过分束镜后，入射测角CCD，通过观察测角CCD上的光斑形状和位置，对可调光阑进行调整。

进一步地，所述安装基板上安装有水平仪1。

用上述激光通信地面站快速定向装置进行激光通信地面站快速定向的方法，该方法包括如下步骤：

（1）将角度定位转台的方位轴和俯仰轴转动角度基准与被测地面站通信终端转台基准方向调整一致；

（2）如图3所示，将GPS/BD接收天线A安装在固定端A、GPS/BD接收天线B安装在移动端B，且在竖直方向上，GPS/BD接收天线A与分光镜的距离L_O1S1， GPS/BD接收天线B与可调光阑中心距离L_O2S2相等；在水平方向上， GPS/BD接收天线A通过分光镜中心，GPS/BD接收天线B通过光阑中心，并使得GPS/BD接收天线A与GPS/BD接收天线B的连线S1S2与由分束镜中心到可调光阑中心连线O1O2平行；

（3）手动/电动转动角度定位转台，使得由激光测距仪发射的光束准确入射可调光阑的中心，并经由角反射镜阵列反射回到激光测距仪，获得激光测距仪与角反射镜之间的距离信息；

（4）观察测角CCD上的反射光斑，并控制可调光阑不断缩小，当发生遮挡时，控制转台进行微调，并一直到可调光阑缩小到激光测距仪工作能力下限，停止继续缩小可调光阑；

（5）控制角度定位转台在方位向和俯仰向上运动，获得光斑在测角CCD上的方位向和俯仰向边界后，控制角度定位转台，使得测角CCD上的光斑回到中心位置，使得入射光最终入射到可调光阑中心O2位置；读取此时角度定位转台方位轴和俯仰轴的角度反馈值Az0和EL0；

（6）开启GPS/BD接收机，获得S1S2连线在地固系中的角度位置Az1和EL1，并通过计算测量精度dAz1和dEL1：

其中，Az1表示S1S2矢量在水平面的投影与地固系中正北方向的夹角，EL1表示S1S2矢量与在地固系水平面的夹角，dAz1表示Az1的测量计算误差，dEL1表示EL1的测量计算误差，

表示是GPS/BD接收机在水平面上的测量误差，

表示GPS/BD接收机在高度测量误差，

表示分束镜中心O1到可调光阑中心O2之间的距离；

（7）最后计算转台基准在地固系终端角度位置，与被测地面终端转台基准相同，计算公式为：

其中，定位转台方位轴和俯仰轴的角度反馈值Az0和EL0，Az和EL为转台/被测地面站方向基准在地固系终端角度位置，其中水平面内转台指向的投影与正北方向夹角Az，转台指向角度与水平面的夹角为EL。

实测案例：

将机械转台的方位轴和俯仰轴转动角度基准与被测地面站通信终端转台基准方向调整一致，为方便使用，本次将测量装置直接安装在地面站终端转台上（2个转台合二为一）。

如图3所示，固定端A的GPS/BD接收天线A安装在角度定位转台望远镜负载一侧，并通过了望远镜轴线铅垂面内（水平偏差0.2mm），相对于分光镜中心高度为155.4mm。同时移动端的GPS/BD接收天线B安装在可调光阑中心铅垂面上（偏差0.2mm），高度为155.5mm。

将移动端B放置在距离固定端约20m距离上，并控制角度定位转台8，使得由测距机发射的光束准确入射可调光阑中心，并经由角反射镜阵列反射回到激光测距仪，获得激光测距仪与角反射镜之间的距离信息，获得19.73m，减去S1O1距离，实际为19.5745m。

观察测角CCD上的反射光斑，并控制可调光阑不断缩小，当发生遮挡时，控制转台进行微调，并一直到可调光阑缩小到激光测距仪工作能力下限，停止继续缩小可调光阑，光阑最小工作约为2.2mm。

控制角度定位转台在方位向和俯仰向上运动，获得光斑在测角CCD上的方位向和俯仰向边界后，控制角度定位转台8，使得测角CCD上的光斑回到中心位置，使得入射光最终入射到可调光阑中心O2位置；

读取角度定位转台方位轴和俯仰轴的角度反馈值（22.7551°和2.7145°）；

开启GPS/BD接收机，获得S1S2连线在地固系中的角度位置（113.772°和2.557°），则被测基准实际的在地固系中的角度位置为91.0169°和-0.1575°；

RTK模式下，测量精度为dAz1为0.01m和dEL1为0.02m，考虑到基线为19.5745m，测量误差分别为0.011°和0.022°（取决于GPS /BD接收机算法精度，一般为2m基线0.1°，基线加长，精度等比提高）；

若要达到同等的测向精度，传统方法需要刚性基线20m，而新设备无需刚性基线，且还可以更大，距离不受限制。

需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种激光通信地面站快速定向装置，包括安装在激光通信天线侧固定端A以及移动端B；其特征在于，

所述固定端A包括GPS/BD接收天线A、激光测距仪、测角CCD、分束镜、扩束镜头、GPS/BD接收机；所述扩束镜头安装在角度定位转台上，所述角度定位转台安装在安装基板上；

所述移动端B包括GPS/BD接收天线B、角反射镜阵列、可调光阑，所述角反射镜阵列安装在可调支架上；

在竖直方向上，GPS/BD接收天线A与分光镜的距离、GPS/BD接收天线B与可调光阑中心距离相等；在水平方向上，GPS/BD接收天线A与GPS/BD接收天线B的连线与由扩束镜头中心到可调光阑中心连线平行；

其中，激光测距仪、分束镜、扩束镜头、可调光阑、角反射镜阵列组成相对距离测量单元，测量光束由激光测距仪发出，经过分束镜后反射至扩束镜头，并被扩束镜压缩后发射，入射可控光阑和角反射镜阵列反射后，返回到扩束镜头，再经过分束镜后，回到激光测距仪，实现固定端与移动端的距离测量；

所述角度定位转台由方位向和俯仰向正交的转动轴组成，用于实现相对距离测量光路与地面站终端转台基准之间的夹角测量；

激光测距仪、分束镜、扩束镜头、角度定位转台、可调光阑、角反射镜阵列、测角CCD组成观测与调节单元，测量光束由激光测距仪发出，经过分束镜后反射至扩束镜头，并被扩束镜头压缩后发射，入射可调光阑和角反射镜阵列反射后，返回到扩束镜头，经过分束镜后，入射测角CCD，通过观察测角CCD上的光斑形状和位置，对可调光阑进行调整。

2.根据权利要求1所述的激光通信地面站快速定向装置，其特征在于，所述安装基板上安装有水平仪。

3.一种用权利要求1-2之一所述激光通信地面站快速定向装置进行激光通信地面站快速定向的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

（1）将角度定位转台的方位轴和俯仰轴转动角度基准与被测地面站通信终端转台基准方向调整一致；

（2）将GPS/BD接收天线A安装在固定端A、GPS/BD接收天线B安装在移动端B，且在竖直方向上，GPS/BD接收天线A与分光镜的距离L_O1S1，GPS/BD接收天线B与可调光阑中心距离L_O2S2相等；在水平方向上， GPS/BD接收天线A通过分光镜中心，GPS/BD接收天线B通过光阑中心，并使得GPS/BD接收天线A与GPS/BD接收天线B的连线S1S2与由分束镜中心到可调光阑中心连线O1O2平行；

（3）手动/电动转动角度定位转台，使得由激光测距仪发射的光束准确入射可调光阑的中心，并经由角反射镜阵列反射回到激光测距仪，获得激光测距仪与角反射镜之间的距离信息；

（4）观察测角CCD上的反射光斑，并控制可调光阑不断缩小，当发生遮挡时，控制转台进行微调，并一直到可调光阑缩小到激光测距仪工作能力下限，停止继续缩小可调光阑；

（5）控制角度定位转台在方位向和俯仰向上运动，获得光斑在测角CCD上的方位向和俯仰向边界后，控制角度定位转台，使得测角CCD上的光斑回到中心位置，使得入射光最终入射到可调光阑中心O2位置；读取此时定位转台方位轴和俯仰轴的角度反馈角度值Az0和EL0；

（6）开启GPS/BD接收机，获得S1S2连线在地固系中的角度位置Az1和EL1，并通过计算测量误差dAz1和dEL1：

其中，Az1表示S1S2矢量在水平面的投影与地固系中正北方向的夹角，EL1表示S1S2矢量与在地固系水平面的夹角，dAz1表示Az1的测量计算误差，dEL1表示EL1的测量计算误差，

表示是GPS/BD接收机在水平面上的测量误差，

表示GPS/BD接收机在高度测量误差，

表示分束镜中心O1到可调光阑中心O2之间的距离；

（7）最后计算转台基准在地固系终端角度位置，与被测地面终端转台基准相同，计算公式为：

其中，定位转台方位轴和俯仰轴的角度反馈值Az0和EL0，Az和EL为转台/被测地面站方向基准在地固系终端角度位置，其中水平面内转台指向的投影与正北方向夹角Az，转台指向角度与水平面的夹角为EL。

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