快速建立中继星与用户星间激光链路的光束捕获扫描方法

摘要

快速建立中继星与用户星间激光链路的光束捕获扫描方法，它涉及一种星间光束捕获扫描方法。本发明解决了现有中继星对用户星的捕获方法捕获时间长的问题。其步骤为：步骤一：中继星终端向待扫描区域的一个扫描点发出信标光束；步骤二：中继星终端按时间间隔向待扫描区域中的下一扫描点发出信标光束；步骤三：当步骤一或步骤二所述的信标光束到达待扫描区域的同时，用户星终端发出回光光束；步骤四：中继星终端判断是否接收到步骤三中所述的回光光束，如果判断结果为否，执行步骤二；如果判断结果为是，中继星终端停止发出信标光束，此时，用户星位于前一扫描点处，中继星对用户星捕获成功。本方法适用于快速建立中继星与用户星间激光链路的过程。

说明书

技术领域

本发明涉及一种星间光束捕获扫描方法。

背景技术

星间激光链路主要通过链路终端的捕获扫描来建立，主要技术指标包括捕获概率和捕获时间。一般要求在满足一定捕获概率要求的条件下，捕获时间尽可能短。由于中继星与用户星(GEO-LEO)间传输距离较远(45000km左右)，在进行捕获扫描时，光信号传输时间(时延，单向传输时延约0.15s)对捕获时间的影响较大。现有的扫描捕获方法为：GEO终端发出信标光信号，发射到LEO终端可能存在的范围(定义为捕获不确定角度)。由于GEO终端信标光信号发散角小于捕获不确定角度，GEO终端需要进行跳扫以覆盖捕获不确定角度。捕获不确定角度与GEO和LEO卫星的姿轨控精度有关，通常为8mrad。现有的激光链路终端捕获信标光在0.7mrad左右，考虑无缝隙覆盖后，设置扫描间隔为0.4mrad，则在整个8mrad捕获不确定角度范围内，需要进行至少400次跳扫；对于GEO终端的每步跳扫，若没有覆盖LEO终端，则进行下一步跳扫。GEO终端为了确认LEO终端无回光信号，每次跳扫的时间间隔应考虑光信号往返传输的时延(0.15s×2)和终端响应时间、控制及时间同步误差(0.05s)。也就是说，GEO终端的每步跳扫之间的时间间隔为0.35s；若LEO终端恰在信标光覆盖范围内并且收到信标光信号，回应并发出信标光。若GEO终端也收到信标光信号，则认为捕获成功。上述方法在捕获不确定范围内单场最大捕获时间为400×0.35s＝140s。这种捕获方法捕获时间较长，造成激光星间链路的有效通信时间缩短，数传能力受到制约。

发明内容

本发明是为了解决现有中继星对用户星的捕获方法捕获时间长的问题，从而提出一种快速建立中继星与用户星间激光链路的光束捕获扫描方法。

快速建立中继星与用户星间激光链路的光束捕获扫描方法，它的步骤为：

步骤一：中继星终端向待扫描区域中的一个扫描点发出信标光束；

步骤二：中继星终端按时间间隔向待扫描区域中的下一扫描点发出信标光束；

步骤三：当步骤一或步骤二所述的信标光束到达待扫描区域中的扫描点的同时，用户星终端发出回光光束；

步骤四：中继星终端判断是否接收到步骤三中所述的回光光束，如果判断结果为否，执行步骤二；如果判断结果为是，中继星终端则停止发出信标光束，此时，用户星位于前一扫描点处，中继星对用户星捕获成功；

中继星终端的视场角的范围是能够保证前一扫描点的回光信号在中继星捕获范围之内；跳扫时间间隔大于用户星回光传输时延。

有益效果：本发明的捕获扫描方法，在跳扫过程中仅需考虑单向传输时延，跳扫时间间隔缩短，最大捕获时间将现有扫描捕获方法所用时间提高了43％以上，大大提高了激光星间链路的有效通信时间，增加系统的数传能力。

附图说明

图1是本发明的方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本具体实施方式，快速建立中继星与用户星间激光链路的光束捕获扫描方法，它的步骤为：

步骤一：中继星终端向待扫描区域中的一个扫描点发出信标光束；

步骤二：中继星终端按时间间隔向待扫描区域中的下一扫描点发出信标光束；

步骤三：当步骤一或步骤二所述的信标光束到达待扫描区域中的扫描点的同时，用户星终端发出回光光束；

步骤四：中继星终端判断是否接收到步骤三中所述的回光光束，如果判断结果为否，执行步骤二；如果判断结果为是，中继星终端则停止发出信标光束，此时，用户星位于前一扫描点处，中继星对用户星捕获成功；

中继星终端的视场角的范围是能够保证前一扫描点的回光信号在中继星捕获范围之内；跳扫时间间隔大于用户星回光传输时延。

本具体实施方式在进行光束扫描之间，首先按照现有技术进行轨道预测，保证中继星和用户星进入链路范围。

具体实施方式二：本具体实施方式与具体实施方式一的区别在于所述的快速建立中继星与用户星间激光链路的光束捕获扫描方法的区别在于，中继星终端的视场角的大小为-4mrad～4mrad之间。

具体实施方式三：本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的快速建立中继星与用户星间激光链路的光束捕获扫描方法的区别在于，用户星回光传输时延时间为0.15s；步骤二中的中继星终端发出跳扫光束的时间间隔为0.2s。

具体实施方式四：本具体实施方式利用具体实施方式一的方法，并结合具体的参数加以说明：

中继星终端发射信标光进行螺旋扫描，用户星终端进行大视场接收方式进行捕获，具体参数见下表：

最大捕获时间实现方案分析：

中继星终端进行信标光扫描的目的是在尽可能短的时间内完成捕获。因此，要求中继星终端根据实际激光链路的最大捕获时间限制，合理地优化信标光的波束宽度、每个扫描子区的相应周期、扫描子区数量等参数，并综合考虑激光通信终端的指向精度、平台稳定度等因素的影响。

扫描角度范围和角度重叠：

根据总体给定的捕获不确定角度，进行全范围扫描(8mrad)。中继星终端捕获信标光的束散角为700μrad，为了保证扫描对捕获不确定角的无缝隙覆盖，螺旋扫描的步距间隔不高于$(\sqrt{2}/2)\times 0.7=495\mathrm{\mu rad}.$同时，考虑扫描控制误差、卫星平台振动等因素，设置95μrad的扫描重叠(即扫描的步距间隔为400μrad)。最大扫描时间：

综上所述，在捕获不确定角度8mrad范围内(在用户星终端附近对应直径为360km的圆域)，信标光束散角为700μrad(在用户星终端附近对应直径为31.5km的圆域)，考虑到扫描重叠、扫描控制误差和平台振动补偿，实现全范围覆盖需要进行400步扫描，总时间约为80s，仅为传统方法用时的57％左右。此外，螺旋式扫描由于从卫星出现概率较高的地方开始扫描，因此较短的时间内捕获成功的次数多。