用于星地光学通信导航的装置、方法、设备、介质及程序

本申请涉及光学信息处理，特别涉及一种用于星地光学通信导航的装置、方法、设备、介质及程序。

背景技术：

1、卫星与地面的通信测控均依靠无线电信号，但无线电频段资源日趋紧张，人造卫星的发射必须向国际申请无线电频段，否则将无法被火箭搭载，而无线电频段的申请是一个非常漫长的过程，光学通信相较于无线电通信，具有方向性且频谱资源充足，可作为无线电通信的一种补充手段，在科学研究与工程应用中具有广阔的前景。

2、相关技术中，主要通过设计激光通信卫星并建立精确定位、定向激光通信链路，以光学信号进行数据传输和通信，实现了高速、高带宽、安全可靠的星地通信连接，可广泛应用于远距离导航、遥感、科学研究等领域。

3、然而，相关技术中，由于星地激光通信为了实现高速数据传输，通常需要高功率小发散角的激光发射器，且卫星与地面设备之间光轴必须严格对准，从而为了获得载体的位置，需要开展星地激光测距，但激光测距同样需要严格对准，因此激光通信与导航定位技术在设备精密度方面存在局限性，可能导致成本提高，增加安全风险，进而影响全球定位的结果。

技术实现思路

1、本申请提供一种用于星地光学通信导航的装置、方法、设备、介质及程序，以解决相关技术中，由于星地激光通信需要高功率小发散角的激光发射器及严格对准的光轴，进而要求进行精确的激光测距，且设备精密度要求高，不具有普适性，可能导致成本上升和安全风险增加等问题。

2、本申请第一方面实施例提供一种用于星地光学通信导航的装置，包括：发射端，所述发射端包括脉冲数据发射端与常量闪烁端，其中，所述脉冲数据发射端光源具有光源和预设度的发散角，以通过ook调制方法进行长距离光学数据传输，生成ook信号，且所述常量闪烁端采用与所述脉冲数据发射端光源相同的光源和发散角，且满足预设时间要求进行发光与闪烁，生成常量闪烁光源信号，以对光源进行测角；接收端，所述接收端包括脉冲数据接收端与测角接收端，其中，所述脉冲数据接收端由成像透镜与sipm组成，以通过接收所述ook信号，实现对数据的解码，所述测角接收端由成像透镜与图像探测器组成，基于所述常量闪烁光源信号在所述图像探测器上呈现的光斑，获取光源信号的角度，以得到卫星光星等。

3、可选地，在本申请的一个实施例中，所述光源的波长为850nm，所述预设度为±7.5度，所述脉冲数据发射脉端的光源通过100hz的ook调制方法，实现100bps的光学通信，且所述常量闪烁端的光源闪烁时间为200ms。

4、可选地，在本申请的一个实施例中，所述接收端接收到的光功率为：

5、

6、其中，prec为接收端峰值光功率，ppeak为脉冲激光峰值功率，rlens为接收端的通光口径半径，θvcsel为vcsel光源的半发散角，ds为光源与接收端的距离；

7、所述光源经所述成像透镜在sipm上产生光电子个数为：

8、

9、其中，nphoto为成像透镜在sipm上产生的光电子个数，ηair为大气衰减系数，prec为接收端峰值光功率，h为普朗克常量，tc为脉冲光持续时间，c为光速，λ为光源波长。

10、可选地，在本申请的一个实施例中，所述图像探测器为互补金属氧化物半导体cmos传感器，所述cmos传感器的观测信噪比模型为：

11、

12、其中，snr为光学卫星的信噪比，h为普朗克常量，c为光速，λ为光源波长，t为曝光时间，g为增益，qe(λ)为量子效率，f为光学系统焦距，f为光学系统f数，es为光源的辐射出射度，γs为滤光片对光源的滤光效果，ξs为对目标光谱透过率系数，τ′(h，λ，μ1)为大气透过率函数，η为目标点像弥散因子，ψ(h，λ，θ，μ1，μ2)为天空背景辐射光子通量函数，h为海拔，λ为波长，θ为观测位置与太阳方位夹角，μ1为观测天顶角，μ2为太阳天顶角，fb为背景光谱透过率系数，σ为单位像元面积，δλ为滤光片带宽，τ(λ)为波长为λ的情况下的光学系统透过率。

13、可选地，在本申请的一个实施例中，所述卫星光星等的计算公式为：

14、

15、其中，ms为卫星星等，msun为太阳视星等，esun为太阳常数，ds为信标与观测敏感器的距离，θs为光源的发散角，ps为光功率值。

16、本申请第二方面实施例提供一种用于星地光学通信导航的方法，包括以下步骤：通过ook调制方法，对光源和预设度的发散角进行长距离光学数据传输，生成ook信号；基于所述ook信号，对数据进行解码；基于满足预设时间要求的常量闪烁光源信号在图像探测器上呈现的光斑，获取光源信号的角度，以得到卫星光星等。

17、可选地，在本申请的一个实施例中，所述卫星光星等的计算公式为：

18、

19、其中，ms为卫星星等，msun为太阳视星等，esun为太阳常数，ds为信标与观测敏感器的距离，θs为光源的发散角，ps为光功率值。

20、本申请第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的用于星地光学通信导航的方法。

21、本申请第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的用于星地光学通信导航的方法。

22、本申请第五方面实施例提供一种计算机程序产品，所述计算机程序被执行时，以用于实现如上的用于星地光学通信导航的方法。

23、本申请实施例可以通过脉冲数据发射端和常量闪烁端实现光学数据传输和测角，接收端则利用成像透镜与sipm进行数据解码并基于常量闪烁光源信号在图像探测器上呈现的光斑获取光源信号的角度，从而星地通讯无需卫星与地面设备高精度的对准，光源和接收端可以同时部署到卫星与地面上，实现双向数据通信与测角，提高了卫星定位的准确性和可靠性，能够避免申请卫星无线电通信频段，节省卫星测控频段并降低成本。由此，解决了相关技术中，由于星地激光通信需要高功率小发散角的激光发射器及严格对准的光轴，且星地激光通信与导航定位对设备精度要求较高，不具有普适性，可能导致成本上升和安全风险增加，进而影响全球定位结果等问题。

24、本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

技术特征：

1.一种用于星地光学通信导航的装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源的波长为850nm，所述预设度为±7.5度，所述脉冲数据发射脉端的光源通过100hz的ook调制方法，实现100bps的光学通信，且所述常量闪烁端的光源闪烁时间为200ms。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接收端接收到的光功率为：

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述图像探测器为互补金属氧化物半导体cmos传感器，所述cmos传感器的观测信噪比模型为：

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述卫星光星等的计算公式为：

6.一种用于星地光学通信导航的方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述卫星光星等的计算公式为：

8.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如权利要求6-7任一项所述的用于星地光学通信导航的方法。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求6-7任一项所述的用于星地光学通信导航的方法。

10.一种计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序被执行时，以用于实现如权利要求6-7任一项所述的用于星地光学通信导航的方法。

技术总结本申请涉及光学信息处理技术领域，特别涉及一种用于星地光学通信导航的装置、方法、设备、介质及程序，其中，装置包括：发射端，包括脉冲数据发射端与常量闪烁端，脉冲数据发射端光源通过OOK调制方法进行长距离光学数据传输，生成OOK信号，常量闪烁端采用与脉冲数据发射端光源相同的光源和发散角，在预设时间内生成常量闪烁光源信号，以对光源进行测角；接收端，包括脉冲数据接收端与测角接收端，脉冲数据接收端通过接收OOK信号，实现对数据的解码，测角接收端获取光源信号的角度，以得到卫星光星等。由此，解决了相关技术中，由于星地激光通信与导航定位对设备精度要求较高，不具有普适性，容易导致风险和成本增加，进而影响全球定位结果等问题。技术研发人员：邢飞,柳鑫元,尤政受保护的技术使用者：清华大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1