一种基于共用光通路的卫星光应用装置和卫星星座的制作方法

1.本实用新型涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种基于共用光通路的卫星光应用装置和卫星星座。


背景技术：

2.目前，光学系统在卫星应用领域主要集中在卫星遥感、卫星通信和卫星姿态确定这几个方面。在同一颗卫星上基于这些应用的光应用系统设计一般都是各自分开，相互独立，只针对单项应用，因此研制周期较长，卫星空间利用率低，卫星负载较大，研制成本较高。
3.随着商业航天的发展，大型/超大型卫星星座项目纷纷出炉，对商业卫星研制提出了更严苛的要求，其研制的核心诉求就是：降低研制成本、缩短研制周期。商业航天的业务模式决定卫星需要从单个定制转向批量产品化，从独立单体设计转向兼容系统设计。商业卫星的设计和研制要求系统更简化和集中，并具有良好的适应性和可扩展性。遥感作为非常重要的卫星应用方向，其商业化价值不言而喻，商业遥感卫星的研制要求同样如此，系统化、高效性、普适性、低成本是商业遥感卫星的设计核心。
4.现有技术中如公开号为cn103499818a的专利文献所提出的一种红外与激光复合探测系统，该系统可以实现对红外移动目标的稳定跟踪和激光的精确指向，并实现对目标的距离测量。该系统具有折返式共口径光学接收头部，使用分色片分离红外和激光，红外相机对移动小目标成像，根据目标质心位置控制二维转台的粗跟踪和快速偏转镜的精调整，使激光发射准确指向目标。光电倍增管接收激光回波信号，依据激光发射主波信号和回波信号解算出目标距离信息。该发明系统可以搭载在机载、弹载和卫星平台，实现对红外目标的三维测量，为总体决策提供信息保障。
5.如公开号为cn109167632a的专利文献所提出的一种卫星激光通信装置，该装置包括光学望远镜、共用光路单元、第一光路单元和第二光路单元，所述共用光路上设有振镜和光谱分光镜，所述第一光路单元用于将卫星平台输入的待传输信息加载调制形成信号光，所述信号光依次通过所述光谱分光镜和振镜传输至所述光学望远镜后输出，所述第二光路单元用于将所述光学望远镜接收后依次经过所述振镜和光谱分光镜的信号光由光信号转化为电信号，并对所述电信号进行译码还原后传输至所述卫星平台。该发明提供轻小型卫星激光通信装置，通过共用光路单元解决了传统装置体积大、重量重的问题，结构简单，体积小，重量轻，适用于微小卫星平台。
6.上述专利所提出的技术方案一定程度上将光学系统进行复用，减小了卫星的体积和重量，但遥感与激光通信的光学系统复用问题未被解决。
7.此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本实用新型时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本实用新型不具备这些现有技术的特征，相反本实用新型已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。


技术实现要素：

8.本实用新型公开了一种基于共用光通路的卫星光应用装置，包括用于接收和发射光的主镜系统以及用于中继传输光的光传输支路，光传输支路包括第一光传输路径和第二光传输路径，第一光传输路径按照能够将主镜系统接收的第一频段的光传输至成像模块的方式与成像模块和主镜系统光学连通，第二光传输路径按照能够将主镜系统接收的第二频段的光传输至通信模块的方式与第一光传输路径和通信模块光学连通。
9.优选地，成像模块包括敏感器单元和数字处理单元，数字处理单元按照能够接收敏感器单元数据的方式与敏感器单元通信连接。
10.优选地，数字处理单元按照能够控制主镜系统的伺服机构的方式与主镜系统通信连接。
11.优选地，通信模块包括光单元和数字基带处理单元，数字基带处理单元按照能够接收光单元数据的方式与光单元通信连接，通信模块按照能够接收成像模块的数据的方式与数字处理单元通信连接。
12.优选地，光传输路径包括能够以反射或过滤的方式将主镜系统接收的光传输至成像模块和/或通信模块光学组件，光学组件包括第一光学件和第二光学件，第一光学件设置于第一光传输路径以将来自于主镜系统所接收的光分别传输至成像模块和第二光传输路径。
13.优选地，光传输支路还包括第三光传输路径，第三光传输路径按照能够将光单元发射的第三频段的光传输至主镜系统的方式与光单元和第二光传输路径光学连通。
14.优选地，第二光学件设置于第二光传输路径以将来自于光学系统所接收的光传输至接收子单元，并且将发射子单元发射的光传输至第二光传输路径进而沿第一光传输路径传输至主镜系统。
15.优选地，光学组件还包括用于调整光方向的第三光学件，第三光学件设置于第二光传输路径，接收子单元按照能够控制第三光学件的方式与第三光学件通信连接。
16.本实用新型公开了一种基于共用光通路的卫星星座，包括若干个处于第一轨道高度的第一卫星和若干个处于第二轨道高度的第二卫星，第一卫星按照能够获取来自于第二卫星的相关于第一卫星与地面站建立激光通信链路的数据的方式与第二卫星通信连接。
17.优选地，用于对第一卫星所在第一轨道高度的空间区域进行空间目标监测的第二卫星按照能够接收来自地面站的相关于第一卫星与地面站建立激光通信链路的数据的方式与地面站通信连接。
18.本实用新型的有益技术效果：本技术同一套光应用系统可兼备遥感和通信的功能，在适应遥感成像系统要求的同时也能满足光通信系统的要求，两个卫星分系统复合共用同一套光系统，在提升卫星空间利用率，降低卫星负载以及提升卫星资源共享利用率，既简化了控制系统，又能大幅度缩减商业遥感卫星的研制周期和成本；本技术利用成像模块作为激光链路建立过程中的粗跟踪单元，同时采取无信标的捕获跟踪方式进行激光链路建立，简化了卫星的硬件结构；本技术在建立激光通信链路时，第一卫星能够基于第二卫星所传输的除气象、星历表之外的第一卫星近旁的空间状态信息进行模拟建链以防止因建链失败所带来的能源消耗和时间窗口错失。
附图说明
19.图1是本实用新型的基于共用光通路的卫星星座的简化整体结构示意图；
20.图2是本实用新型的基于共用光通路的卫星光应用装置的简化整体结构示意图。
21.附图标记列表
22.1：主镜系统；2：光传输支路；3：成像模块；4：激光通信模块；21：第一光传输路径；22：第二光传输路径；23：第三光传输路径；24：光学组件；31：敏感器单元；32：数字处理单元；41：光单元；42：数字基带处理单元；100：卫星星座；101：第一卫星；102：第二卫星；200：地面站；241：第一光学件；242：第二光学件；243：第三光学件；411：接收子单元；412：发射子单元。
具体实施方式
23.下面结合附图对本实用新型进行详细说明。
24.如图2所示的本实用新型公开的一种基于共用光通路的卫星光应用装置，包括用于接收和发射光的主镜系统1、用于中继传输光的光传输支路2、用于成像的成像模块3、用于激光通信的激光通信模块4。
25.实施例1
26.遥感卫星的高分辨率和多光谱采集的发展趋势给数据传输带来了极大挑战，传统的微波传输无法满足数据传输的需求，激光高传输速率特性以及成像系统与激光通信系统的结构相似性为遥感卫星的进一步发展提供了出路，因此本实用新型通过部分光路共用对卫星的光学系统进行设计，对成像和激光通信模块部分元件进行复用以减少卫星质量和体积。
27.优选地，光传输支路2包括第一光传输路径21和第二光传输路径22，第一光传输路径21按照能够将主镜系统1接收的第一频段的光传输至成像模块3的方式与成像模块3和主镜系统1光学连通，第二光传输路径22按照能够将主系统1接收的第二频段的光传输至通信模块4的方式与第一光传输路径21和通信模块4光学连通。
28.优选地，成像模块3包括敏感器单元31和数字处理单元32，数字处理单元32按照能够接收敏感器单元31数据的方式与敏感器单元31通信连接。
29.优选地，数字处理单元32按照能够控制主镜系统1的伺服机构的方式与主镜系统1通信连接。
30.优选地，通信模块4包括光单元41和数字基带处理单元42，数字基带处理单元42按照能够接收光单元41数据的方式与光单元41通信连接，通信模块4按照能够接收成像模块3的数据的方式与数字处理单元32通信连接。
31.优选地，光传输支路2包括能够以反射或过滤的方式将主镜系统1接收的光传输至成像模块3和/或通信模块4光学组件24，光学组件24包括第一光学件241和第二光学件242，第一光学件241设置于第一光传输路径 21以将来自于主镜系统1所接收的光分别传输至成像模块3和第二光传输路径22。
32.优选地，光传输支路2还包括第三光传输路径23，第三光传输路径23 按照能够将光单元41发射的第三频段的光传输至主镜系统1的方式与光单元41和第二光传输路径22光学连通。
33.优选地，第二光学件242设置于第二光传输路径22以将来自于光学系统1所接收的光传输至接收子单元411，并且将发射子单元412发射的光传输至第二光传输路径42进而沿第一光传输路径41传输至主镜系统1。
34.优选地，光学组件24还包括用于调整光方向的第三光学件243，第三光学件243设置于第二光传输路径22，接收子单元411按照能够控制第三光学件243的方式与第三光学件243通信连接。
35.如图2所示，光传输支路2包括第一光传输路径21、第二光传输路径 22、第三光传输路径23以及光学组件24，其中，第一光传输路径21能够将主镜系统1接收的第一频段的光传输至成像模块3，第二光传输路径22 能够将主镜系统1接收的第二频段的光传输至通信模块4，光学组件24能够以偏转或过滤的方式将所述主镜系统1接受的特定频段光沿第一光传输路径21和第二光传输路径22分别传输至成像模块3和通信模块4。
36.可选地，第一频段的光为可见光、红外光以及紫外光中的一种或多种，第二频段的光和第三频段的光的波长范围为400nm至1600nm，优选为 800nm和1550nm。
37.具体地，第一光学件241能够将主镜系统1所接收的光进行处理得到传输至成像模块的透射光和传输至通信模块的反射光，可选地，第一光学件 241至少包括能量分光镜，第二光学件242为分光镜，第三光学件243为振镜。
38.优选地，第一光传输路径21中的第一光学件与主镜系统之间的部分光路能够在激光通信和成像中实现复用，使得充当粗跟踪单元的成像模块与接收子单元中的精跟踪单元能够复用部分光路以减小调整过程中的误差，同时成像模块能够长时间处于捕获状态避免在精调的过程中造成捕获丢失，第二光传输路径22能够在复用的过程中以使接收子单元和发射子单元基于复用部分的同一光轴以减小发射和接收信号光的误差。
39.根据一种优选的实施方式，激光通信链路的建立过程中，信号光的束散角较小，不便于在有限的时间内快速完成捕获，因此现有技术中多采用引入具有更大束散角的信标光以提高捕获概率，缩短捕获时间。但卫星平台需要引入用以产生和接收信标光的如光路元件和激光器等硬件，同时信标光发射时能耗较高，给卫星带来了能源消耗增大和重量体积增大的问题，因此为进一步简化卫星的结构，提高系统光路的利用效率，在进行激光通信链路的过程中，将用于遥感探测成像的第一光传输路径21和成像模块3作为粗跟踪单元对预定建立激光通信链路的设备所发出的信号光进行捕获。
40.根据一种优选的实施方式，激光通信链路的建立过程中，由于本实用新型为避免增加信标光捕获跟踪需要的硬件系统，采用信号光作为捕获跟踪的光源，也随之增加了捕获跟踪的难度。为了应对上述状况，本实用新型在地面站和卫星完成初始对准后，地面站的激光通信终端控制其信号光所在视轴按一定的扫描策略对卫星的主镜系统所在区域进行扫描，此过程中成像模块 3等待地面站的激光通信终端的信号光在成像模块的视场经过，数字处理单元32根据敏感器单元31接收的信号光信息确定地面站的信号光方向，并依据该方向后调整成像模块3的视轴指向。
41.当地面站的通信终端所发射的信号光束划过卫星成像模块3的探测视场时，成像模块3依据进入视场的光束方向校正主镜系统1的指向，待地面站的激光通信终端执行完预定的扫描轨迹停止扫描并移动至扫描初始位置，此时卫星能够根据接收到地面站所发出的信号光进行校正后的点作为扫描中心对缩小后的不确定区域进行扫描，地面站的激光通信
终端按照相同的方法完成与卫星的成像模块3的进一步对准。重复执行上述操作，逐步减小不确定区域，进而实现信号光捕获，待光信号稳定地出现在敏感器单元31，进入粗跟踪状态。
42.激光通信模块4使用第三光学件243(振镜)进行控制，过程中会出现精跟踪失败的状况(如计算的残差值大于接受子模块的视场)，需重新开始整个指向捕获过程，这必然会浪费大量时间甚至导致用于激光链路建立的时间窗口错失，因此本实用新型通过成像模块3和激光通信系统4配合，在利用第三光学件243(振镜)进行精细跟踪的过程中，结合成像模块3对主镜系统的控制，协同实现精跟踪，与传递至激光通信模块4的部分光信号同一频段的传递至成像模块3的光信号始终处于敏感器单元31的中心位置，基于上述基础调节第三光学件243(振镜)使得跟踪残差值满足系统通信要求，从而建立激光通信链路并进行通信。
43.为便于描述本实用新型的激光链路建立过程，以低轨道卫星和地面站的链路建立过程为例，对本实用新型的工作原理进行如下说明：
44.卫星星座100中卫星的控制系统和地面站200的控制系统基于系统星历表的轨道参数以及卫星星座100中卫星的姿态信息等数据调整卫星和地面站200的激光通信终端的视轴进行初步相互指向，由于卫星和地面站的相对运动、平台抖动等因素的存在，卫星与地面站存在不确定区域，因此需要进行信号光捕获，本实用新型利用第一光传输路径和成像模块的敏感器单元作为卫星的粗跟踪装置对地面站所发出的信号光进行捕获。
45.具体地，成像模块3由成像状态切换为通信状态，其利用数字处理单元 32控制主镜系统的伺服机构运动，对地面站所发出的信号光进行捕获，敏感器单元31采用开窗口技术对接收到的信号光进行处理后传输至数字处理单元32，数字处理单元32计算出光斑脱靶量并依据光斑脱靶量控制主镜系统以调节信号光的光束方向，同时数字处理单元32将其所计算的光斑脱靶量数据传输至接收子单元411，接收子单元411判定脱靶量处于接受子单元的精跟踪子单元能调节的范围内时，接收子单元411控制第三光学件243 来实现信号光的光束方向进行微调。
46.实施例2
47.本实用新型公开了一种基于共用光通路的卫星星座，包括若干个处于第一轨道高度的第一卫星101和若干个处于第二轨道高度的第二卫星102，第一卫星101按照能够获取来自于第二卫星102的相关于第一卫星101与地面站200建立激光通信链路的数据的方式与第二卫星102通信连接。
48.优选地，用于对第一卫星101所在第一轨道高度的空间区域进行空间目标监测的第二卫星102按照能够接收来自地面站200的相关于第一卫星 101与地面站200建立激光通信链路的数据的方式与地面站200通信连接，当应用具有该复用光系统的卫星进行组网式遥感探测时，第一卫星能够对行星进行遥感并且其能够与第二卫星和/或地面站建立激光通信链路，第二卫星能够对第一卫星进行姿态监测且第二卫星能够与地面站建立激光通信链路，同时第一卫星和第二卫星能够通过其所具有的微波通信器件进行微波通信。
49.根据一种优选的实施方式，随着大型低轨道卫星星座以及卫星碎片等空间目标大量增多，在第一卫星经掠地面站所在的空间与地面站建立激光通信链路时，不仅仅需要考虑气象、轨道等因素，还需要考虑空间目标对建立激光通信链路的干扰，因此可基于第二卫星能够通过其复用光应用装置对第一卫星所在第一轨道高度的空间区域进行空间目标监
测并将该信息以微波或激光通信的方式传输至第一卫星，以便于第一卫星基于其控制系统的模拟是否进行链路建立，将其需传输的数据以微波或激光通信的方式传递其位于第一卫星近旁的另外的第一卫星或者第二卫星，以防止因激光链路建立失败所造成的能源和时间窗口消耗。
50.可选地，第一卫星和第二卫星为低轨道卫星，第二卫星与第一卫星为主从式分布结构。可选地，第一卫星为低轨道卫星，第二卫星为中轨道卫星和 /或高轨道卫星。
51.在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。
52.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实用新型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实用新型的公开范围并落入本实用新型的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本实用新型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。本实用新型的保护范围由权利要求及其等同物限定。