一種星間通信粗精掃描方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及星間通信粗精掃描方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光具有很高的光子簡并度，激光可以在很大的相干體積內(nèi)具有很高的相干光 強。傳統(tǒng)微波通信存在著數(shù)據(jù)傳輸量低，抗干擾能力弱、微波在傳輸過程中向四周發(fā)散，容 易被人截獲等缺點，尤其在軍事上存在一定的弊端，然而激光通信相比微波通信突出的優(yōu) 點就是激光束具有高度的方向性、單色性、相干性和高亮度。因此，激光通信在航天領(lǐng)域已 成為熱門研宄話題。傳統(tǒng)的掃描方式主要是以粗瞄方式進行捕獲信標(biāo)光，粗掃到信標(biāo)光后 光通過分束鏡進入到精瞄系統(tǒng)，由精瞄系統(tǒng)進一步進行瞄準(zhǔn)和跟蹤。激光通信終端搭載于 衛(wèi)星平臺，相互通信雙方衛(wèi)星根據(jù)星歷確定對方大致出現(xiàn)的區(qū)域，通過粗瞄鏡筒對準(zhǔn)對方 可能出現(xiàn)的區(qū)域進行掃描捕獲，導(dǎo)致傳統(tǒng)掃描方式出現(xiàn)漏掃區(qū)域的概率高。
[0003] 螺旋-正弦掃描極坐標(biāo)方程的求解過程為：
[0004] 終端體積大具有較大轉(zhuǎn)動慣量，受外界影響小，因此在目前某型號項目中采用經(jīng) 煒儀式激光通信終端如圖2所示，經(jīng)煒儀式激光通信終端由跟瞄機構(gòu)[1]、U形框[1-1]和 方位軸[1-2]、俯仰軸[2]、調(diào)試工裝[3]和俯仰軸彈簧[4]組成；
[0005] 若無擾動情況的存在，則建立終端運動學(xué)方程，如下所示，
[0006]
[0007]
[0008] 式中，x為終端質(zhì)心在體軸坐標(biāo)系中x軸位置，y為終端質(zhì)心在體軸坐標(biāo)系中y軸 位置，z為終端質(zhì)心在體軸坐標(biāo)系中z軸位置，i為x軸方向位移的變化率，>為7軸方向的 位移變化率，i為z軸方向的位移變化率，步為方位角，0為俯仰角，〇為傾斜角，u為終 端速度在x軸的分量，u為終端速度在y軸的分量，《為終端速度在z軸的分量，O為終 端歐拉角速率在x軸分量，◎為終端歐拉角速率在y軸分量，#為終端歐拉角速率在z軸分 量，P為旋轉(zhuǎn)角速度在x軸分量，q為旋轉(zhuǎn)角速度在y軸分量，r為旋轉(zhuǎn)角速度在z軸分量；
[0009] 其中：
[0010]

[0013] 該終端運動學(xué)方程為理想無干擾情況下的方程，然而終端在外太空由于太陽風(fēng)、 引力、衛(wèi)星平臺本身振動以及速度分量都會有一定偏差，光斑在目標(biāo)區(qū)域附近抖動，我們將 這部分區(qū)域稱為不確定區(qū)域。
[0014] 若有擾動情況的存在，則建立螺旋_正弦掃描極坐標(biāo)方程，具體過程為：
[0015] 傳統(tǒng)激光通信終端采用粗瞄螺旋掃描方式，在粗瞄基礎(chǔ)上將精瞄以正弦方式掃描 也加入掃描過程中形成粗精復(fù)合螺旋掃描，在分析掃描過程時，我們以激光通信終端鏡筒 中心為原點0,以衛(wèi)星在軌運行平面為基本面，y軸指向地心，X軸與y軸垂直，Z軸與X和y 軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系如圖3所示；
[0016] 定義俯仰角0V為目標(biāo)通信終端和發(fā)射終端連線與z軸方向夾角，定義方位角0h 為通信終端平面投影與x軸的夾角，接收終端鏡筒光斑法向矢量為;^(認(rèn),A)，發(fā)射終端鏡筒 光斑法向矢量為A(認(rèn)4,);在捕獲初期兩終端根據(jù)對方姿態(tài)和位置信息進行粗瞄，當(dāng)發(fā)射 終端A(從,與接收終端A(認(rèn)，重合時才能實現(xiàn)通信；但是實際通信過程中由于衛(wèi)星平 臺震動以及其他因素影響二者之間存在一定的偏移量，其偏移量如下式所示：
[0017]
[0018] 式中，&(認(rèn)，0)為通信終端可預(yù)測但不可消除誤差或者隨機誤差所產(chǎn)生的角度固 定偏移量，孓(認(rèn),0)為變化值在一定范圍內(nèi)的隨機角度偏移量，該偏移量主要由衛(wèi)星平臺 振動、軌道偏移以及指向誤差和姿態(tài)誤差原因產(chǎn)生，指向誤差和姿態(tài)誤差可以通過掃描過 程中相鄰兩個光斑以一定面積進行覆蓋來消除，因此在掃描過程中該誤差可以考慮不計；
[0019] 方位角和俯仰角均為獨立執(zhí)行機構(gòu)，因此，二者誤差也為獨立并且具有相同分布， 其概率密度分布如下式所示：
[0020] 設(shè)方位角概率密度和俯仰角概率密度分布如下式所示：
[0023] 式中，f( 0v)為方位角概率密度，f( 0h)為俯仰角概率密度，0v為俯仰角，0 h為 方位角，〇v為方位角的均方差，〇h為俯仰角的均方差；
[0024] 根據(jù)方位角概率密度和俯仰角概率密度得出終端在不確定域內(nèi)的捕獲概率為：
[0028] 式中，f(9v，0h)為概率密度，〇v為方位角的均方差，〇h為俯仰角的均方差，Pv，h 為終端在不確定域內(nèi)的捕獲概率；
[0029] 螺旋-正弦掃描過程，采用極坐標(biāo)方式，即螺旋-正弦掃描極坐標(biāo)方程，表示為：
[0030]
[0031] 式中，0為精瞄正弦掃描的掃描幅值，《為精瞄正弦掃描的掃描角頻率，Ie為掃 描步長，Q為掃描角度，p為極徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0032] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有掃描方式出現(xiàn)漏掃區(qū)域的概率高的問題，而提出了 一種星間通信粗精掃描方法。
[0033] 上述的發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0034] 步驟一、以阿基米德螺旋線為模型建立螺旋-正弦掃描；
[0035] 步驟二、根據(jù)步驟一得到的螺旋-正弦掃描，通過龍格庫塔法得到方位角和俯仰 角。
[0036] 發(fā)明效果
[0037] 采用本發(fā)明的粗瞄與精瞄相結(jié)合的螺旋-正弦復(fù)合掃描方法，建立終端運動學(xué) 方程，進行掃描理論分析得出螺旋正弦掃描極坐標(biāo)方程和平均捕獲時間，通過龍格庫塔法 求出方位角和俯仰角度，得出仿真結(jié)果，實現(xiàn)星間激光通信的捕獲。這種全新的螺旋正 弦掃描方式相對于傳統(tǒng)掃描方式在漏掃區(qū)域上有了改進，使出現(xiàn)漏掃區(qū)域的概率降低了 10% -50%〇
【附圖說明】
[0038] 圖1為本發(fā)明流程圖；
[0039] 圖2為經(jīng)煒儀式激光通信終端示意圖，1為跟瞄機構(gòu)，1-1為U形框，1-2為方位軸， 2為俯仰軸，3為調(diào)試工裝，4為俯仰軸彈簧；
[0040] 圖3為星間激光通信示意圖，A為接收終端，B為發(fā)射終端，C為地球；
[0041]圖4為粗精結(jié)合的螺旋正弦掃描仿真結(jié)果圖，橫坐標(biāo)為方位角度，單位為毫弧度 (mrad)，縱坐標(biāo)為俯仰角度，單位為毫弧度（mrad)。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0042] 一：結(jié)合圖1說明本實施方式，一種星間通信粗精掃描方法具體是 按照以下步驟進行的：
[0043] 步驟一、以阿基米德螺旋線為模型建立螺旋-正弦掃描；
[0044] 步驟二、根據(jù)步驟一得到的螺旋-正弦掃描，通過龍格庫塔法得到方位角和俯仰 角。
【具體實施方式】 [0045] 二：本實施方式與一不同的是：所述步驟一中以阿基 米德螺旋線為模型建立螺旋-正弦掃描；具體過程為：
[0046] 以阿基米德螺旋線為模型建立螺旋-正弦掃描，即：
[0047] p=a0+0sin(co 0)
[0048] 式中，a為角度系數(shù)，0為精瞄正弦掃描的掃描幅值，《為精瞄正弦掃描的掃描 角頻率，0為掃描角度，p為極徑。
[0049] 其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一相同。
【具體實施方式】 [0050] 三：本實施方式與一或二不同的是：所述步驟二中根 據(jù)步驟一得到的螺旋-正弦掃描，通過龍格庫塔法得到方位角和俯仰角；具體過程為：
[0051] 在螺旋_正弦掃描極坐標(biāo)下設(shè)弧長為s，極徑為P，根據(jù)弧長公式得出：
[0052]
[0053] 則線速率可表示為
[0054]
[0055]
[0056]
[0057] 式中，u為線速度率，t為時間，單位為秒；
[0058] 雖然上式可以求出線速率變化的的具體表達式，但是為便于在程序中實現(xiàn)，對于 上述微分通過龍格庫塔法進行求解，龍哥庫塔法公式如下：
[0059]
[0060] 則通過迭代得到方位角和俯仰角分別為：
[0061]
[0062] 式中，0V為俯仰角，0h為方位角。
[0063] 其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一或二相同。
[0064] 采用以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果：
[0065] 實施例1
[0066] -種星間通信粗精掃描方法具體是按照以下步驟進行的：
[0067] 步驟一、以阿基米德螺旋線為模型建立螺旋-正弦掃描；
[0068] 步驟二、根據(jù)步驟一得到的螺旋-正弦掃描，通過龍格庫塔法得到方位角和俯仰 角。
[0069] 如圖4的仿真結(jié)果，可得出星間激光通信掃描方法即粗瞄與精瞄相結(jié)合的螺 旋-正弦復(fù)合掃描方法可以實現(xiàn)星間激光系統(tǒng)的捕獲。
【主權(quán)項】
1. 一種星間通信粗精掃描方法，其特征在于，一種星間通信粗精掃描方法具體是按照 以下步驟進行的： 步驟一、以阿基米德螺旋線為模型建立螺旋-正弦掃描； 步驟二、根據(jù)步驟一得到的螺旋-正弦掃描，通過龍格庫塔法得到方位角和俯仰角。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種星間通信粗精掃描方法，其特征在于，所述步驟一中以阿 基米德螺旋線為模型建立螺旋-正弦掃描；具體過程為： 以阿基米德螺旋線為模型建立螺旋-正弦掃描，即： P = α θ + β sin (ω θ ) 式中，α為角度系數(shù)，β為精瞄正弦掃描的掃描幅值，ω為精瞄正弦掃描的掃描角頻 率，Θ為掃描角度，P為極徑。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種星間通信粗精掃描方法，其特征在于，所述步驟二中根據(jù) 步驟一得到的螺旋-正弦掃描，通過龍格庫塔法得到方位角和俯仰角；具體過程為： 在螺旋-正弦掃描極坐標(biāo)下設(shè)弧長為s，根據(jù)弧長公式得出：則線速率可表示為式中，υ為線速度率，t為時間，單位為秒； 通過龍格庫塔法進行求解，得到方位角和俯仰角分別為：式中，θν為俯仰角，Θ h為方位角。
【專利摘要】一種星間通信粗精掃描方法，本發(fā)明涉及星間通信粗精掃描方法。本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有掃描方式出現(xiàn)漏掃區(qū)域的概率高的問題。通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：步驟一、以阿基米德螺旋線為模型建立螺旋-正弦掃描；步驟二、根據(jù)步驟一得到的螺旋-正弦掃描，通過龍格庫塔法得到方位角和俯仰角。本發(fā)明應(yīng)用于衛(wèi)星通信領(lǐng)域。
【IPC分類】H04B10/11
【公開號】CN104980214
【申請?zhí)枴緾N201510267586
【發(fā)明人】陳興林, 于志亮, 高怡然, 李松, 羅文嘉, 崔寧, 徐川川, 李松峰, 耿光曉
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年10月14日
【申請日】2015年5月22日