一种基于无信标的星间激光通信双向建链方法与流程

本发明涉及卫星光通信，具体涉及一种基于无信标的星间激光通信双向建链方法。

背景技术：

1、激光通信建链方式中无信标光双线建链是一种直接利用信号光替代原先的信标光作用来建立通信链路的新型双向建链方式。由于卫星终端的信号光发散角一般达到了光学衍射极限量级发射，仅有几十微弧量级，因此若将发散角较小的信号光代替原先发散角较大的信标光就会简化激光通信系统的整体结构，进一步提高系统性能。

2、现有技术中，提供了一种基于无信标的星间激光通信快速捕获方法，扫描端终端中粗跟踪电机扫描和高速谐振镜扩束扫描的过程，但并未给出凝视端、扫描端相互配合的双向建链过程，也缺少捕获成功后双终端中粗跟踪电机运动和精跟踪高速谐振镜跟踪运动的建链方法。现有技术中，还提供了一种针对光斑小目标图像的跟踪方案，但并未说明粗精复合跟踪的具体流程和执行步骤。现有技术中，还提供了一种深度学习方法在激光通信系统中的信号处理与检测、信标光跟踪瞄准、波前畸变探测与校正等方面的应用，但深度学习存在数据处理速度远落后于数据传输速度的问题，且神经网络算法的误码率很难满足激光通信的要求等诸多，使得目前深度学习很难应用于空间激光通信中。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于无信标的星间激光通信双向建链方法，减少了无信标搜索时间，提高了激光通信系统捕获成功的概率，以及无信标双向建链的稳定性和抗干扰性。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种基于无信标的星间激光通信双向建链方法，包括：

3、步骤1，激光通信系统的扫描端和凝视端初始化设置；

4、步骤2，激光通信系统的扫描端和凝视端进入搜索状态，并对扫描光束进行扩束；

5、步骤3，判断激光通信系统凝视端是否进入捕获状态；当凝视端的视场中出现闪烁光斑，则凝视端进入捕获状态，并驱动凝视端移动至光斑出现位置；

6、步骤4，判断激光通信系统扫描端是否进入捕获状态；当扫描端的视场中出现闪烁光斑，则扫描端进入捕获状态，并驱动扫描端移动至光斑出现位置；

7、步骤5，判断激光通信系统扫描端、凝视端是否进入跟踪状态；当扫描端或凝视端视场中的光斑与其通信中心点之间的距离大于阈值时，利用二级偏差算法计算扫描端或凝视端的步进值；其中，所述通信中心点是指凝视端和扫描端产生的光斑的质心位置；

8、步骤6，激光通信系统扫描端、凝视端进入双向锁定状态。

9、可选地，所述激光通信系统的扫描端和凝视端分别是两个异轨的卫星终端；

10、所述扫描端和凝视端均包括：

11、相机，确定视场范围和探测另一端发射的信号光；

12、粗跟踪电机驱动装置，和相机信号连通，对相机视场中的目标进行检索；

13、提前瞄准pzt装置，和粗跟踪电机驱动装置相连，实现扫描光束的扩束，并利用小发散角信号光代替宽发散角信标光；

14、精跟踪高速谐振镜装置，和相机信号连通，实现对小发散角信号光的跟踪控制。

15、可选地，所述凝视端进入凝视等待过程时，凝视端的粗跟踪电机驱动装置从初始位置作为第一个搜索区域，在该搜索区域停留一定时间进行扫描，并移动一个第一视场尺寸前进至下一个搜索区域，再次停留，直至完成不确定区域的搜索。

16、可选地，凝视端视场的尺寸为一个第一视场尺寸。

17、可选地，扫描端处于搜索状态时，所述扫描端的粗跟踪电机驱动装置完成双层方螺旋跳步扫描；

18、将初始位置作为第一停留位置，第一层方螺旋跳步扫描由第一停留位置开始按照第一方螺旋形状进行移动，且每次移动一个第二视场尺寸，并在该位点停留一定时间进行扫描；当扫描端按照方螺旋形状移动完成后，会按照相同的轨迹原路返回至第一停留位置，随后进行第二层方螺旋跳步扫描；

19、第二层方螺旋跳步扫描由第一停留位置开始移动一个第三视场尺寸，使扫描端移动至下一个第二停留位置，并再次以该第二停留位置为起始点，按照第一方螺旋形状进行移动和扫描，再一次完成第一层方螺旋跳步扫描；

20、以此类推，所述第一层方螺旋跳步扫描和第二层方螺旋跳步扫描交替进行，直至扫描端移动至第二层方螺旋跳步扫描的最后一个停留位置，且完成该处停留位置处的第一次层方螺旋跳步扫描。

21、可选地，所述第二视场尺寸大于第三视场尺寸，使所述第一层方螺旋跳步扫描的范围能够完全覆盖第二层方螺旋跳步扫描的范围；所述扫描端的第二层螺旋跳步扫描范围等于凝视端视场尺寸。

22、可选地，在凝视端的扩束扫描过程中，所述提前扫描pzt装置的扫描路径为方螺旋跳步扫描，扫描范围为凝视端视场尺寸；且所述凝视端在一个搜索区域的凝视等待时长等于扫描端完成第二层方螺旋跳步扫描所需要的时间。

23、可选地，在扫描端的扩束扫描过程中，所述第二视场尺寸和扩束的发散角尺寸相同；扫描端在完成第二层方螺旋跳步扫描时，所述第三视场尺寸和扩束扫描范围相同。

24、可选地，在凝视端和扫描端中设置光斑消失时长阈值δt2，当光斑在凝视端或扫描端的视场中的消失时长超过δt2时，则判定光斑丢失，此时该端将以当前粗跟踪电机驱动装置所在位置作为初始位置重新进入搜索状态。

25、可选地，所述二级偏差传递算法如下：将光斑在视场的位置坐标与通信中心点的坐标的偏差值转换为精跟踪高速谐振镜装置的转动角度，并驱动精跟踪高速谐振镜装置完成该转动角度；此时，精跟踪高速谐振镜装置偏离其零点位置，并将其与零点位置的偏离值转换为粗跟踪电机驱动装置的转动角度，并驱动粗跟踪电机驱动装置转动，回到零点位置。

26、相对于现有技术，本发明的技术方案至少具有如下有益效果：

27、本发明在搜索阶段，利用提前瞄准pzt装置与粗跟踪电机驱动装置的相互配合扫描，有效降低了无信标搜索的难度，减少了无信标搜索时间，提升了星间激光通信系统在轨建链效率；在捕获阶段，利用凝视端和捕获端的粗跟踪电机驱动装置相互根据视场中的光斑位置移动，使视场中的光斑距离其通信中心点的偏差不断收敛，提高了激光通信系统捕获成功的概率；在跟踪阶段，利用二级偏差传递算法，使得每个终端的精跟踪高速谐振镜装置和粗跟踪电机驱动装置的相互协作跟踪，进一步提高了无信标双向建链的稳定性和抗干扰性。

技术特征：

1.一种基于无信标的星间激光通信双向建链方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于无信标的星间激光通信双向建链方法，其特征在于，所述激光通信系统的扫描端和凝视端分别是两个异轨的卫星终端；

3.根据权利要求2所述的基于无信标的星间激光通信双向建链方法，其特征在于，所述凝视端进入凝视等待过程时，凝视端的粗跟踪电机驱动装置从初始位置作为第一个搜索区域，在该搜索区域停留一定时间进行扫描，并移动一个第一视场尺寸前进至下一个搜索区域，再次停留，直至完成不确定区域的搜索。

4.根据权利要求3所述的基于无信标的星间激光通信双向建链方法，其特征在于，凝视端视场的尺寸为一个第一视场尺寸。

5.根据权利要求2所述的基于无信标的星间激光通信双向建链方法，其特征在于，扫描端处于搜索状态时，所述扫描端的粗跟踪电机驱动装置完成双层方螺旋跳步扫描；

6.根据权利要求5所述的基于无信标的星间激光通信双向建链方法，其特征在于，所述第二视场尺寸大于第三视场尺寸，使所述第一层方螺旋跳步扫描的范围能够完全覆盖第二层方螺旋跳步扫描的范围；所述扫描端的第二层螺旋跳步扫描范围等于凝视端视场尺寸。

7.根据权利要求5所述的基于无信标的星间激光通信双向建链方法，其特征在于，在凝视端的扩束扫描过程中，所述提前扫描pzt装置的扫描路径为方螺旋跳步扫描，扫描范围为凝视端视场尺寸；且所述凝视端在一个搜索区域的凝视等待时长等于扫描端完成第二层方螺旋跳步扫描所需要的时间。

8.根据权利要求5所述的基于无信标的星间激光通信双向建链方法，其特征在于，在扫描端的扩束扫描过程中，所述第二视场尺寸和扩束的发散角尺寸相同；扫描端在完成第二层方螺旋跳步扫描时，所述第三视场尺寸和扩束扫描范围相同。

9.根据权利要求2所述的基于无信标的星间激光通信双向建链方法，其特征在于，在凝视端和扫描端中设置光斑消失时长阈值δt2，当光斑在凝视端或扫描端的视场中的消失时长超过δt2时，则判定光斑丢失，此时该端将以当前粗跟踪电机驱动装置所在位置作为初始位置重新进入搜索状态。

10.根据权利要求2所述的基于无信标的星间激光通信双向建链方法，其特征在于，所述二级偏差传递算法如下：将光斑在视场的位置坐标与通信中心点的坐标的偏差值转换为精跟踪高速谐振镜装置的转动角度，并驱动精跟踪高速谐振镜装置完成该转动角度；此时，精跟踪高速谐振镜装置偏离其零点位置，并将其与零点位置的偏离值转换为粗跟踪电机驱动装置的转动角度，并驱动粗跟踪电机驱动装置转动，回到零点位置。

技术总结本发明公开了一种基于无信标的星间激光通信双向建链方法，包括：激光通信系统的扫描端和凝视端初始化设置；激光通信系统的扫描端和凝视端进入搜索状态，并对扫描光束进行扩束；判断激光通信系统凝视端是否进入捕获状态；判断激光通信系统扫描端是否进入捕获状态；判断激光通信系统扫描端、凝视端是否进入跟踪状态；激光通信系统扫描端、凝视端进入双向锁定状态。本发明所述的激光通信系统减少了无信标搜索时间，提高了激光通信系统捕获成功的概率，以及无信标双向建链的稳定性和抗干扰性。技术研发人员：王强,郭贤斌,曹哲伟,刘冠宇,王晋祺,宋义伟,瞿宁,徐继岗受保护的技术使用者：上海无线电设备研究所技术研发日：技术公布日：2024/12/2