星间激光链路构建中用高精度激光捕获及指向控制方法技术

本发明专利技术的星间激光链路构建中用高精度激光捕获及指向控制方法，包括：通过初始化设备对第一卫星和第二卫星所搭载的激光器、卫星微推执行机构、STR星敏传感器、CCD捕获相机、QPD四象限光电探测器进行初始化；此时星上的STR星敏传感器会捕获一颗引导星，与星图进行对比之后可以得到卫星的姿态信息。本发明专利技术的星间激光链路构建中用高精度激光捕获及指向控制方法通过对星间激光链路建立的高精度捕获控制原理进行分析，利用无信标光的多级捕获方式，优化了激光链路的捕获精度，适用于星间激光链路建立的高精度捕获情况。路建立的高精度捕获情况。路建立的高精度捕获情况。

【技术实现步骤摘要】
星间激光链路构建中用高精度激光捕获及指向控制方法


[0001]本专利技术涉及卫星光通信
，特别涉及星间激光链路构建中用高精度激光捕获及指 向控制方法。

技术介绍

[0002]随着空间科学和技术的快速发展和推进，空间激光应用逐步向高精度应用领域拓展。在 空间引力波探测中需要组建星间迈克尔逊干涉仪，利用激光外差干涉测量法探测引力波信号， 因此高精度的捕获方法是组建星间迈克尔逊干涉仪的核心环节。在星间激光通信中，高精度 的捕获技术一方面可以实现激光链路的建立，另一方面提高捕获精度有助于降低激光通信的 误码率，提高传输效率。因此高精度的捕获方法在空间引力波探测和星间激光通信等方面都 有着重要应用。
[0003]传统的激光链路建立采用CCD捕获相机作为探测器，激光光束的捕获精度受到CCD捕 获相机的视场角、像元大小、读出噪声以及质心算法等因素影响。CCD捕获相机作为捕获探 测器主要采用光强来进行测角误差计算，而利用QPD作为探测器是通过激光外差干涉的相位 变化来进行测角误差计算，其测量方法可以进一步提升捕获精度。
[0004]中国专利技术专利申请CN101567721A，公开了一种快速建立中继星与用户星间激光链路的 光束捕获扫描方法，其步骤为：步骤一：中继星终端向待扫描区域的一个扫描点发出信标光 束；步骤二：中继星终端按时间间隔向待扫描区域中的下一扫描点发出信标光束；步骤三： 当步骤一或步骤二所述的信标光束到达待扫描区域的同时，用户星终端发出回光光束；步骤 四：中继星终端判断是否接收到步骤三中所述的回光光束，如果判断结果为否，执行步骤二； 如果判断结果为是，中继星终端停止发出信标光束，此时，用户星位于前一扫描点处，中继 星对用户星捕获成功。然而该专利需要利用信标光实现捕获激光链路的建立，不适用于无信 标光的情况。
[0005]中国专利技术专利申请CN113507579A，公开了一种用于空间引力波探测的星间激光链路捕 获方法和系统，其步骤为：步骤一：通过激光对目标终端区域进行扫描，根据检测目标的应 答信号调整发射端和探测端的视轴，在视轴对准后建立通信链路；步骤二：设置激光捕获参 数，包括捕获区域、激光束散角和扫描方式；步骤三：构建Simulink模型进行激光捕获，包 括CCD捕获相机输出模拟以及CCD捕获相机角度计算；步骤四：设置初始对准误差，计算 CCD捕获误差，对捕获精度进行调整。然而该公开技术方案中利用CCD捕获相机进行捕获 建立激光链路，其捕获精度有限。
[0006]针对传统的星间光链路建立中，捕获所用的传感器通常为CCD捕获相机或者CMOS相 机，其捕获精度与传感器的性能与质心算法的精度密切相关，而目前采用这些方法的定位精 度通常在百纳弧度量级，定位精度有限，且不适用于超远距弱光条件下的捕获。
[0007]因此，如何解决星间超远距弱光条件下的激光链路捕获难、且定位精度不足的问题，实 现对星间激光链路建立的高精度捕获控制，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供了星间激光链路构建中用高精度激光 捕获及指向控制方法。
[0009]为此，本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：
[0010]本专利技术提供的星间激光链路构建中用高精度激光捕获及指向控制方法，包 括如下步骤：
[0011]步骤一：第一卫星和第二卫星均搭载激光器、卫星微推执行机构、STR星 敏传感器、CCD捕获相机、QPD四象限光电探测器。第一卫星和第二卫星进入 预定轨道后，通过初始化设备对第一卫星和第二卫星所搭载的激光器、卫星微 推执行机构、STR星敏传感器、CCD捕获相机、QPD四象限光电探测器进行初 始化；
[0012]步骤二：完成步骤一之后，两颗卫星的姿态还无法确定，此时星上的STR 星敏传感器会捕获一颗引导星，与星图进行对比之后可以得到卫星的姿态信息。 以STR星敏传感器的姿态信息作为输入，卫星微推机构作为执行机构，调整第 一卫星和第二卫星的姿态，使两颗卫星的激光指向方向得到初步对准；
[0013]步骤三：由于STR星敏传感器的精度有限，所以两卫星采用STR对准后仍 具有十微弧度量级的对准误差，因此需要采用更高精度的CCD捕获相机作为姿 态传感器。由于激光光束的发散角小于不确定区域，所以第一卫星需要对不确 定区域进行扫描。扫描方案采用等距型阿基米德螺旋线扫描方法，在第一卫星 扫描的同时，第二卫星CCD捕获相机需要实时监测是否有光斑进入视场内；
[0014]步骤四：当第一卫星扫描到某一时刻时，第二卫星的CCD捕获相机将会监 测到一个光斑，对光斑进行质心定位从而得到其在相机图像上的坐标，记为 (Xc,Yc)。在光链路建立之前，需要提前设定好其标定位置，即光束对准时的光 斑参考位置，记为(X0,Y0)。计算坐标(Xc,Yc)与坐标(X0,Y0)的差值，可以得到 光斑的航向角与俯仰角的像元偏差，记为(ΔX,ΔY)。由CCD捕获相机的视场角与 像元数可以得到每一个像元所对应的视场角大小，记为K。因此，卫星姿态的航 向角与俯仰角的偏差为(K
·
ΔX,K
·
ΔY)。将该姿态偏差作为输入，卫星微推作为 执行机构，调整第二卫星的姿态，使其光束指向进一步对准第一卫星；
[0015]步骤五：第二卫星调整完姿态后，第二卫星上的激光器所发射的激光将会 进入第一卫星的CCD捕获相机的视场内，此时，第一卫星的CCD捕获相机上会 出现光斑并停止对不确定区域扫描。采用与步骤四相同方法，调整第一卫星的 姿态：对第一卫星CCD捕获相机上的光斑进行质心定位从而得到其在相机图像 上的坐标，记为(X
′
c,Y
′
c)。在光链路建立之前，需要提前设定好其标定位置，即 光束对准时的光斑参考位置，记为(X
′
0,Y
′
0)。计算坐标(X
′
c,Y
′
c)与坐标(X
′
0,Y
′
0) 的差值，可以得到光斑的航向角与俯仰角的像元偏差，记为(ΔX
′
,ΔY
′
)。由CCD 捕获相机的视场角与像元数可以得到每一个像元所对应的视场角大小，记为K
’
。 因此，卫星姿态的航向角与俯仰角的偏差为(K
′
·
ΔX
′
,K
·
ΔY
′
)。将该姿态偏差作 为输入，卫星微推作为执行机构，调整第一卫星的姿态，使其光束指向进一步 对准第二卫星；
[0016]步骤六：当两颗卫星都利用CCD捕获相机作为姿态传感器调整完卫星姿态 之后，由于卫星平台振动，太阳光压，引力波动等因素影响，卫星平台仍存在 微弧度量级的抖动，因此需要对光束指向抖动误差进行闭环控制。其中，闭环 控制输入为CCD捕获相机所输出
的卫星姿态误差，执行机构为卫星微推机构， 利用PID控制算法对光束指向抖动误差进行压制；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.星间激光链路构建中高精度激光捕获及指向控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：第一卫星和第二卫星均搭载激光器、卫星微推执行机构、STR星敏传感器、CCD捕获相机、QPD四象限光电探测器，第一卫星和第二卫星进入预定轨道后，对第一卫星和第二卫星所搭载的激光器、卫星微推执行机构、STR星敏传感器、CCD捕获相机、QPD四象限光电探测器进行初始化；步骤二：完成步骤一之后，两颗卫星的姿态还无法确定，此时星上的STR星敏传感器会捕获一颗引导星，与星图进行对比之后可以得到卫星的姿态信息，以STR星敏传感器的姿态信息作为输入，卫星微推机构作为执行机构，调整第一卫星和第二卫星的姿态，使两颗卫星的激光指向方向得到初步对准；步骤三：由于STR星敏传感器的精度有限，所以两卫星采用STR对准后仍具有十微弧度量级的对准误差，因此需要采用更高精度的CCD捕获相机作为姿态传感器，由于激光光束的发散角小于不确定区域，所以第一卫星需要对不确定区域进行扫描，扫描方案采用等距型阿基米德螺旋线扫描方法，在第一卫星扫描的同时，第二卫星CCD捕获相机需要实时监测是否有光斑进入视场内；步骤四：当第一卫星扫描到某一时刻时，第二卫星的CCD捕获相机将会监测到一个光斑，对光斑进行质心定位从而得到其在相机图像上的坐标，记为(Xc,Yc)，在光链路建立之前，需要提前设定好其标定位置，即光束对准时的光斑参考位置，记为(X0,Y0)，计算坐标(Xc,Yc)与坐标(X0,Y0)的差值，可以得到光斑的航向角与俯仰角的像元偏差，记为(ΔX,ΔY)，由CCD捕获相机的视场角与像元数可以得到每一个像元所对应的视场角大小，记为K，因此，卫星姿态的航向角与俯仰角的偏差为(K
·
ΔX,K
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ΔY)，将该姿态偏差作为输入，卫星微推作为执行机构，调整第二卫星的姿态，使其光束指向进一步对准第一卫星；步骤五：第二卫星调整完姿态后，第二卫星上的激光器所发射的激光将会进入第一卫星的CCD捕获相机的视场内，此时，第一卫星的CCD捕获相机上会出现光斑并停止对不确定区域扫描，采用与步骤四相同方法，调整第一卫星的姿态：对第一卫星CCD捕获相机上的光斑进行质心定位从而得到其在相机图像上的坐标，记为(X
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c)，在光链路建立之前，需要提前设定好其标定位置，即光束对准时的光斑参考位置，记为(X
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0)的差值，可以得到光斑的航向角与俯仰角的像元偏差，记为(ΔX
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,ΔY
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)，由CCD捕获相机的视场角与像元数可以得到每一个像元所对应的视场角大小，记为K
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，因此，卫星姿态的航向角与俯仰角的偏差为(K
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ΔX
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·
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)，将该姿态偏差作为输入，卫星微推作为执行机构，调整第一卫星的姿态，使其光束指向进一步对准第二卫星；步骤六：当两颗卫星都利用CCD捕获相机作为姿态传感器调整完卫星姿态之后，由于卫星平台振动，太阳光压，引力波动等因素影响，卫星平台仍存在微弧度量级的抖动，因此需要对光束指向抖动误差进行闭环控制，其中，闭环控制输入为CCD捕获相机所输出的卫星姿态误差，执行机构为卫星微推机构，利用PID控制算法对光束指向抖动误差进行压制；步骤七：完成步骤六后，第一卫星和第二卫星的激光光束将会在QPD四象限探测的表面发生干涉，由于QPD四象限光电探测器的探测带宽有限，因此需要对激光光束进行频率扫描，使两光束的外差干涉信号频率进入QPD四象限光电探测器带宽内；步骤八：QPD四象限光电探测器将光信号转换为电信号，利用相位计读取QPD四象限光电探测器输出的四路电信号之间的相位差，通过DWS技术对两束激光的夹角进行测量，将相
位计测量的角度偏差结果作为输入，卫星微推作为执行机构，利用PID控制算法对光束指向抖动误差进行更高精度的压制。2.如权利要求1所述的星间激光链路构建中高精度激光捕获及指向控制方法，其特征在于：在步骤三中扫描方案所采用的等距型阿基米德螺旋线扫描方法包括：建立...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔钊，钱星光，高瑞弘，王义坤，边伟，亓洪兴，贾建军，王建宇，
申请(专利权)人：国科大杭州高等研究院，
类型：发明
国别省市：