空間光網(wǎng)絡技術 課件【ch03】空間ATP技術

空間光網(wǎng)絡技術空間ATP技術第三章通信與導航專業(yè)系列教材01ATP系統(tǒng)的組成及工作原理ATP系統(tǒng)的組成及工作原理衛(wèi)星光通信中的ATP系統(tǒng)一般采用復合控制系統(tǒng)結構，它可分為以下幾個部分：粗瞄準機構，精瞄準機構、預瞄準機構、傳感器等，如圖3-1所示。粗瞄準機構主要包括一個兩軸或三軸萬向架及安裝在上面的望遠鏡，一個中繼光學機構，一個捕獲傳感器，一套萬向架角傳感器設備，以及萬向架伺服驅動電機。捕獲階段，粗瞄準機構工作在開環(huán)方式下，接收命令信號(該命令信號由上位機根據(jù)已知的衛(wèi)星運動軌跡或星歷表給出),將望遠鏡定位到對方通信終端的方向上，以便來自對方的信標光進入捕獲探測器的視場(FOV)。粗瞄準機構精瞄準機構精瞄準機構主要包括一個兩軸快速反射鏡，一個跟蹤傳感器，一套執(zhí)行機構(壓電陶瓷或音圈電機)和位置傳感器。精瞄準機構工作在閉環(huán)方式下，根據(jù)精跟蹤探測器的誤差信號，控制快速反射鏡，跟蹤入射信標光，從而構成精跟蹤環(huán)。精跟蹤環(huán)的跟蹤精度將決定整個系統(tǒng)的跟蹤精度，它要求帶寬非常高，一般為幾百赫茲甚至上千赫茲。帶寬越高，對干擾的抑制能力越強，系統(tǒng)的反應速度越快，跟蹤精度就越高。因此，設計一個高帶寬、高跟蹤精度的精跟蹤環(huán)是整個ATP系統(tǒng)的關鍵。預瞄準機構是由一個快速反射鏡及其執(zhí)行機構加上一個四象限傳感器構成的。為什么要加入這樣一個機構?因為在衛(wèi)星光通信中，通信的雙方都在自己的軌道上不停地運轉，距離非常遠，激光在二者之間進行傳輸需要一定的時間，在這段時間內(nèi)，雙方都將移動一定的距離。從而使出射光可以精確地瞄準對方。預瞄準機構傳感器在衛(wèi)星光通信中，ATP系統(tǒng)的傳感器包括三種：捕獲傳感器、跟蹤傳感器和通信傳感器。捕獲傳感器一般采用面陣CCD,視場較大，幀頻較低，通常為幾十幀，主要用于捕獲和粗跟蹤階段。跟蹤傳感器一般采用四象限探測器，響應速度很快，使其采樣頻率可以達到上千赫茲及以上；另外，它的靈敏度也很高，但視場較小，主要用于精跟蹤階段。通信傳感器一般采用靈敏度更高的APD。收發(fā)天線接收到的信標光入射在探測器的光敏面上，粗跟蹤探測器獲取的信號經(jīng)過誤差信號提取電路提取出誤差信號，將誤差信號送入計算機處理，控制計算機以控制伺服系統(tǒng)驅動光學天線，使光學天線對準信標光方向，然后進行精定位。ATP系統(tǒng)的原理02ATP系統(tǒng)的關鍵技術及其參考設置ATP系統(tǒng)是衛(wèi)星光通信中一個相當重要的子系統(tǒng)，它直接關系到衛(wèi)星光通信的成敗。其關鍵技術如下。1.精跟蹤回路系統(tǒng)的設計2.精跟蹤回路的兩軸快速傾斜鏡3.精跟蹤回路的探測器ATP系統(tǒng)的關鍵技術信標光鏈路分析信標光用于衛(wèi)星光通信的捕獲和跟蹤的激光發(fā)射源。信標光鏈路的功率預留量為式中，P是接收機探測器接收的信號功率(W);P,是要求在接收機探測器上接收的功率(W)。P可以簡化表示為跟蹤靈敏度跟蹤靈敏度就是為滿足給定的探測率B和虛警率R,所要求的在跟蹤探測器上接收到的最小功率P

。在跟蹤探測器上采用閾值探測的P

為式中，Ra為探測器響應率；Ik為滿足給定P和B要求值的接收信號峰值電流。式中，η為探測器量子效率；q為電子電荷；h為普朗克常數(shù)；c為光速；L為激光信號波長。1)捕獲不確定區(qū)域(Uncertainty

Area)。2)捕獲概率。捕獲時間和捕獲時對端機的工作方式有關，當工作在凝視/掃描方式，即發(fā)射機以一個窄的光束發(fā)散角掃描捕獲不確定區(qū)域，接收機處于凝視狀態(tài)時，捕獲時間為初始不確定角與發(fā)射光束發(fā)散角的比值乘以在每個位置上的停留時間。捕獲靈敏度1)瞄準精度的確定衛(wèi)星光通信的ATP

系統(tǒng)的瞄準誤差是一個重要的設計參數(shù)。它和衛(wèi)星光通信的光學天線孔徑、發(fā)射光束發(fā)散角、通信系統(tǒng)的突發(fā)誤差概率及位誤差概率都有直接的關系。2)跟蹤性能在瞄準誤差的各項誤差源中，跟蹤誤差是內(nèi)部和外部擾動引起的，由跟蹤探測器的等效噪聲角(NEA)

和跟蹤系統(tǒng)有限的抑制能力造成的殘余常平架抖動組成。瞄準性能03光束捕捉技術捕獲的基本原理捕獲分為單向和雙向兩種過程。單向捕獲如圖3-3所示。捕獲方法我們以A、B分別表示需要建立光鏈路的兩個終端，A、B端互相捕獲、對準的過程如下。A端發(fā)出信標光，然后在不確定視場范圍內(nèi)進行掃描。掃描方法可分為矩形掃描和螺旋掃描，如圖3-5所示。天線掃描考慮采用具有固定視場2的接收機透鏡和光電探測器，接收系統(tǒng)在不確定范圍Q上進行掃描，如圖3-8所示。焦平面掃描與天線掃描的機制不同，但總體效果是一樣的。固定的光學透鏡將不確定視場傳送到焦平面上，通過探測器在焦平面上進行掃描而完成搜索。這種操作可以很容易地用一個析像系統(tǒng)完成。由于接收機構可以做成固定的，不需要可移動的機械部件，通常焦平面掃描優(yōu)于天線掃描，系統(tǒng)分析與天線掃描相同。焦平面掃描焦平面陣列在焦平面上使用探測器陣列可以實現(xiàn)并行處理，因此可縮短捕獲時間。陣列中的每個探測器都對不確定區(qū)域的某一部分進行檢查，如圖3-13所示。一次掃描陣列搜索的困難之處在于所達到的分辨角通常比所期望的要大，除非采用相當大的S。不過這可以通過反復進行陣列搜索直到達到所期望的分辨角改善，而同一陣列進行的順序搜索成為順序捕獲。采用一個固定的探測器陣列，并連續(xù)地調(diào)節(jié)視場即可實現(xiàn)順序空間搜索，從而以所期望的分辨角找到光束。陣列順序搜索在上述固定陣列測試中采取了并行處理，即對陣列中所有探測器的輸出同時進行檢測，選出其最大值。與這一最大值相應的視場被選擇為包含發(fā)送機的視場，再在這個視場上進行重復測試。然而對大量探測器進行并行處理在物理上可能變得非常困難。一個替代方法是在每次重復時都對陣列進行串行掃描，以獲取最大值，而不是進行并行檢測。這樣以略微長的搜索時間為代價減少了接收機的復雜性。固定陣列順序搜索04捕獲時間優(yōu)化衛(wèi)星光通信由于可以將發(fā)射的光聚集到一個非常窄的光束中瞄準接收方，因此具有比射頻通信還要強的抗探測性。然而，當其中一方不得不以寬視場搜尋去捕獲另一方時，所要求的隱蔽性在捕獲階段會很容易被破壞，這樣就暴露了自己的存在。此外，由于光束通常非常窄，因此當通信方處于快速運動狀態(tài)時，在有效時間內(nèi)保持通信連接會很困難。在這些情況下，就需要重復連接，從而增加了被探測到的危險。系統(tǒng)配置和捕獲協(xié)議捕獲時間最小化在上面描述的協(xié)議中，起始/捕獲的整個時間T是第一階段和第二階段所需時間的總和。然而，由于在第二階段不需要掃描，它所需的時間將比第一階段的時間短很多，因此為了簡單化，我們將第一階段的時間稱為T。正如第一階段介紹的一樣，掃描通道被分為許多列，每列的掃描過程包括三步：標準光柵掃描，退后n個掃描通道和雙環(huán)光柵掃描。在下面的計算中，我們將忽略退后n個掃描通道所需的時間，分別用c,和za代表在一列中標準光柵掃描和雙環(huán)光柵掃描所需的時間，m代表列的總數(shù)。準備工作如圖3-19所示，假定起始方必須搜尋這樣一個視場：它在沿x軸和y軸方向的角度范圍都為αxa。起始方發(fā)送橢圓光束，它的發(fā)散度為2φ×2φ。如前所述，當發(fā)送機在標準光柵掃描模式下時，接收機的FPA工作在凝視模式下，從每個像素中獲得的信號被送到相應的積分電路。如果相應的像素被照亮，則假定積分電路的輸出是具有N(4,of)的高斯概率密度函數(shù)(PDF)。如果像素未被照亮，則為N(0,o2)。這里定義SNR

為μ2/o2

。在方位探測中允許的最小SNR

值用SNR?表示。標準光柵掃描分析回想起始/捕捉協(xié)議，當起始方開始用雙環(huán)掃描模式進行掃描時，接收方首先定位那些接收全1碼的像素，然后僅激活這些像素來接收IV碼。當接收IV碼時，假設使用最大比結合(MRC)

將來自大量被照亮的像素得到的信號進行組合，以最大化SNR。由于IV

碼不可避免地包括“0”碼和“1”碼，當接收“1”碼時假定組合電路的輸出具有N(?,o?)

的PDF;

當接收“0”碼時為N(0,σ2)。與以前相同，定義SNR為μF/o2。在IV碼探測中允許的最小SNR

值用SNR1表示。雙環(huán)掃描分析現(xiàn)在我們希望通過優(yōu)化光束發(fā)散度φ與φ,來回掃描時間與T和IV碼的比特間隔T來最小化T=T+Ta,受限于以下條件。(1)SNR要求：標準光柵掃描SNR≥SNR?,雙環(huán)掃描SNR≥SNR?。(2)掃描速度限制：T≥T,

和T≥T,,T,

為掃描儀能獲得的最小來回掃描時間。(3)接收機帶寬限制：T≥1/B,B

。代表接收機的電子帶寬。捕獲時間最小化05光束跟蹤技術空間光束跟蹤原理跟蹤子系統(tǒng)通常使用兩個(方位角和仰角)分離的閉環(huán)，如圖3-20所示?？臻g雙向光束跟蹤雙向光束跟蹤構成如圖3-26所示。光束跟蹤對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懏旊p向空間數(shù)據(jù)鏈路中每個接收機都進行光束跟蹤時，如圖3-27所示。波或脈沖光載波即可進行數(shù)據(jù)傳送，如圖3-28所示。06光束瞄準效果瞄準光束特性回顧對光闌和束寬的討論，可以表明，空間數(shù)據(jù)鏈路中一個典型光束的角