空间光网络技术 课件【ch03】空间ATP技术

空间光网络技术空间ATP技术第三章通信与导航专业系列教材01ATP系统的组成及工作原理ATP系统的组成及工作原理卫星光通信中的ATP系统一般采用复合控制系统结构，它可分为以下几个部分：粗瞄准机构，精瞄准机构、预瞄准机构、传感器等，如图3-1所示。粗瞄准机构主要包括一个两轴或三轴万向架及安装在上面的望远镜，一个中继光学机构，一个捕获传感器，一套万向架角传感器设备，以及万向架伺服驱动电机。捕获阶段，粗瞄准机构工作在开环方式下，接收命令信号(该命令信号由上位机根据已知的卫星运动轨迹或星历表给出),将望远镜定位到对方通信终端的方向上，以便来自对方的信标光进入捕获探测器的视场(FOV)。粗瞄准机构精瞄准机构精瞄准机构主要包括一个两轴快速反射镜，一个跟踪传感器，一套执行机构(压电陶瓷或音圈电机)和位置传感器。精瞄准机构工作在闭环方式下，根据精跟踪探测器的误差信号，控制快速反射镜，跟踪入射信标光，从而构成精跟踪环。精跟踪环的跟踪精度将决定整个系统的跟踪精度，它要求带宽非常高，一般为几百赫兹甚至上千赫兹。带宽越高，对干扰的抑制能力越强，系统的反应速度越快，跟踪精度就越高。因此，设计一个高带宽、高跟踪精度的精跟踪环是整个ATP系统的关键。预瞄准机构是由一个快速反射镜及其执行机构加上一个四象限传感器构成的。为什么要加入这样一个机构?因为在卫星光通信中，通信的双方都在自己的轨道上不停地运转，距离非常远，激光在二者之间进行传输需要一定的时间，在这段时间内，双方都将移动一定的距离。从而使出射光可以精确地瞄准对方。预瞄准机构传感器在卫星光通信中，ATP系统的传感器包括三种：捕获传感器、跟踪传感器和通信传感器。捕获传感器一般采用面阵CCD,视场较大，帧频较低，通常为几十帧，主要用于捕获和粗跟踪阶段。跟踪传感器一般采用四象限探测器，响应速度很快，使其采样频率可以达到上千赫兹及以上；另外，它的灵敏度也很高，但视场较小，主要用于精跟踪阶段。通信传感器一般采用灵敏度更高的APD。收发天线接收到的信标光入射在探测器的光敏面上，粗跟踪探测器获取的信号经过误差信号提取电路提取出误差信号，将误差信号送入计算机处理，控制计算机以控制伺服系统驱动光学天线，使光学天线对准信标光方向，然后进行精定位。ATP系统的原理02ATP系统的关键技术及其参考设置ATP系统是卫星光通信中一个相当重要的子系统，它直接关系到卫星光通信的成败。其关键技术如下。1.精跟踪回路系统的设计2.精跟踪回路的两轴快速倾斜镜3.精跟踪回路的探测器ATP系统的关键技术信标光链路分析信标光用于卫星光通信的捕获和跟踪的激光发射源。信标光链路的功率预留量为式中，P是接收机探测器接收的信号功率(W);P,是要求在接收机探测器上接收的功率(W)。P可以简化表示为跟踪灵敏度跟踪灵敏度就是为满足给定的探测率B和虚警率R,所要求的在跟踪探测器上接收到的最小功率P

。在跟踪探测器上采用阈值探测的P

为式中，Ra为探测器响应率；Ik为满足给定P和B要求值的接收信号峰值电流。式中，η为探测器量子效率；q为电子电荷；h为普朗克常数；c为光速；L为激光信号波长。1)捕获不确定区域(Uncertainty

Area)。2)捕获概率。捕获时间和捕获时对端机的工作方式有关，当工作在凝视/扫描方式，即发射机以一个窄的光束发散角扫描捕获不确定区域，接收机处于凝视状态时，捕获时间为初始不确定角与发射光束发散角的比值乘以在每个位置上的停留时间。捕获灵敏度1)瞄准精度的确定卫星光通信的ATP

系统的瞄准误差是一个重要的设计参数。它和卫星光通信的光学天线孔径、发射光束发散角、通信系统的突发误差概率及位误差概率都有直接的关系。2)跟踪性能在瞄准误差的各项误差源中，跟踪误差是内部和外部扰动引起的，由跟踪探测器的等效噪声角(NEA)

和跟踪系统有限的抑制能力造成的残余常平架抖动组成。瞄准性能03光束捕捉技术捕获的基本原理捕获分为单向和双向两种过程。单向捕获如图3-3所示。捕获方法我们以A、B分别表示需要建立光链路的两个终端，A、B端互相捕获、对准的过程如下。A端发出信标光，然后在不确定视场范围内进行扫描。扫描方法可分为矩形扫描和螺旋扫描，如图3-5所示。天线扫描考虑采用具有固定视场2的接收机透镜和光电探测器，接收系统在不确定范围Q上进行扫描，如图3-8所示。焦平面扫描与天线扫描的机制不同，但总体效果是一样的。固定的光学透镜将不确定视场传送到焦平面上，通过探测器在焦平面上进行扫描而完成搜索。这种操作可以很容易地用一个析像系统完成。由于接收机构可以做成固定的，不需要可移动的机械部件，通常焦平面扫描优于天线扫描，系统分析与天线扫描相同。焦平面扫描焦平面阵列在焦平面上使用探测器阵列可以实现并行处理，因此可缩短捕获时间。阵列中的每个探测器都对不确定区域的某一部分进行检查，如图3-13所示。一次扫描阵列搜索的困难之处在于所达到的分辨角通常比所期望的要大，除非采用相当大的S。不过这可以通过反复进行阵列搜索直到达到所期望的分辨角改善，而同一阵列进行的顺序搜索成为顺序捕获。采用一个固定的探测器阵列，并连续地调节视场即可实现顺序空间搜索，从而以所期望的分辨角找到光束。阵列顺序搜索在上述固定阵列测试中采取了并行处理，即对阵列中所有探测器的输出同时进行检测，选出其最大值。与这一最大值相应的视场被选择为包含发送机的视场，再在这个视场上进行重复测试。然而对大量探测器进行并行处理在物理上可能变得非常困难。一个替代方法是在每次重复时都对阵列进行串行扫描，以获取最大值，而不是进行并行检测。这样以略微长的搜索时间为代价减少了接收机的复杂性。固定阵列顺序搜索04捕获时间优化卫星光通信由于可以将发射的光聚集到一个非常窄的光束中瞄准接收方，因此具有比射频通信还要强的抗探测性。然而，当其中一方不得不以宽视场搜寻去捕获另一方时，所要求的隐蔽性在捕获阶段会很容易被破坏，这样就暴露了自己的存在。此外，由于光束通常非常窄，因此当通信方处于快速运动状态时，在有效时间内保持通信连接会很困难。在这些情况下，就需要重复连接，从而增加了被探测到的危险。系统配置和捕获协议捕获时间最小化在上面描述的协议中，起始/捕获的整个时间T是第一阶段和第二阶段所需时间的总和。然而，由于在第二阶段不需要扫描，它所需的时间将比第一阶段的时间短很多，因此为了简单化，我们将第一阶段的时间称为T。正如第一阶段介绍的一样，扫描通道被分为许多列，每列的扫描过程包括三步：标准光栅扫描，退后n个扫描通道和双环光栅扫描。在下面的计算中，我们将忽略退后n个扫描通道所需的时间，分别用c,和za代表在一列中标准光栅扫描和双环光栅扫描所需的时间，m代表列的总数。准备工作如图3-19所示，假定起始方必须搜寻这样一个视场：它在沿x轴和y轴方向的角度范围都为αxa。起始方发送椭圆光束，它的发散度为2φ×2φ。如前所述，当发送机在标准光栅扫描模式下时，接收机的FPA工作在凝视模式下，从每个像素中获得的信号被送到相应的积分电路。如果相应的像素被照亮，则假定积分电路的输出是具有N(4,of)的高斯概率密度函数(PDF)。如果像素未被照亮，则为N(0,o²)。这里定义SNR

为μ²/o²

。在方位探测中允许的最小SNR

值用SNR₁表示。标准光栅扫描分析回想起始/捕捉协议，当起始方开始用双环扫描模式进行扫描时，接收方首先定位那些接收全1码的像素，然后仅激活这些像素来接收IV码。当接收IV码时，假设使用最大比结合(MRC)

将来自大量被照亮的像素得到的信号进行组合，以最大化SNR。由于IV

码不可避免地包括“0”码和“1”码，当接收“1”码时假定组合电路的输出具有N(₂,o₂)

的PDF;

当接收“0”码时为N(0,σ2)。与以前相同，定义SNR为μF/o²。在IV码探测中允许的最小SNR

值用SNR1表示。双环扫描分析现在我们希望通过优化光束发散度φ与φ,来回扫描时间与T和IV码的比特间隔T来最小化T=T+Ta,受限于以下条件。(1)SNR要求：标准光栅扫描SNR≥SNR₁,双环扫描SNR≥SNR₂。(2)扫描速度限制：T≥T,

和T≥T,,T,

为扫描仪能获得的最小来回扫描时间。(3)接收机带宽限制：T≥1/B,B

。代表接收机的电子带宽。捕获时间最小化05光束跟踪技术空间光束跟踪原理跟踪子系统通常使用两个(方位角和仰角)分离的闭环，如图3-20所示。空间双向光束跟踪双向光束跟踪构成如图3-26所示。光束跟踪对数据传输的影响当双向空间数据链路中每个接收机都进行光束跟踪时，如图3-27所示。波或脉冲光载波即可进行数据传送，如图3-28所示。06光束瞄准效果瞄准光束特性回顾对光阑和束宽的讨论，可以表明，空间数据链路中一个典型光束的角