[发明专利]卫星激光通信复合轴光跟瞄装置及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及卫星激光通信链路技术领域，是一种卫星激光通信的复合轴光跟瞄 装置及其控制方法，用作两卫星之间的瞄准、捕获和跟踪，具有大扫描范围、高跟 踪精度和高伺服带宽的光跟瞄能力。

背景技术

卫星激光通信和现有的射频通信相比具有传输速率高、通信容量大、功耗低、 体积小、重量轻、抗干扰和高保密性等诸多的优势，被认为是实现星间高码率通信 的最佳方案，在军用与民用领域获得广泛的重视。在卫星激光通信终端中光跟瞄系 统扮演着极为重要的角色，光跟瞄系统决定了一个卫星通信终端的基本架构，同时 也是星间激光通信成败的关键之一。

复合轴控制是提高卫星激光通信跟踪系统的跟踪精度和控制带宽的一种有效手 段。欧洲空间局SILEX(Semiconductor Laser Intersatellite Link Experiment)计划的复 合轴光跟瞄控制系统采用了独特的复合轴闭环回路(在先技术[1]：T.T. Nielsen， “Pointing，acquisition and tracking system for the free space laser communication system， SILEX，”Proc.SPIE，Vol.2381，pp.194-205，1995.)，在闭环跟踪状态，探测器的光点探 测信号并不直接导入粗跟瞄控制环，而是通过检测精跟瞄的位置探测器，当精跟瞄 偏离角较大时对粗跟瞄系统发出卸载命令以使精跟瞄系统归零。这种粗跟瞄卸载精 跟瞄方式的复合轴结构有利于高精度稳定跟踪，特别是平台存在扰动时可以有效地 实现光束的瞄准、捕获和跟踪。但是，粗瞄准机构是一个L型臂经纬仪结构，步进电 机控制其旋转，进而实现整个终端移动部分的转动，其运行力矩较大，容易扰动卫 星，并且扫描精度比较低，体积大；而捕获跟踪传感器采用了两种CCD元件，捕获 过程中随时需要在两个CCD间切换，并且开窗式的CCD系统需要采用专用控制与信 号处理电路，以致控制系统较为复杂。

美国OCD(Optical Communications Demonstrator)光通信终端的光跟瞄系统(在 先技术[2]；C.Racho and A.Portillo，“Characterization and design of digital pointing subsystem for optical communication demonstrator，”Proc.SPIE，Vol.3615，pp.250-261， 1999.)中采用了高速单探测器二开窗结构，只在发射光路中采用精跟瞄系统，省略 了提前量光机械系统，不适用于高精度光跟瞄系统的远距双向光通信。采用潜望镜 式粗跟瞄系统造成转动惯量过大，导致卫星平台不稳。其复合轴控制系统采用了传 统的精跟瞄补偿粗跟瞄残差的结构，缺乏平滑的视场切换，在太空复杂环境下小型 平台上的动态扰动抑制能力差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种卫星激光通信复合轴光 跟瞄装置及控制方法，以实现卫星激光通信终端大范围、大带宽和高精度的瞄准、 捕获和跟踪。

本发明的技术解决方案如下：

一种卫星激光通信复合轴光跟瞄装置，包括发射信标光、接收信标光和通信激 光，其特点在于该装置由粗跟瞄系统、望远镜系统、精跟瞄系统、第一透反镜、第 二透反镜、第三透反镜、半透半反镜、捕获跟踪传感器、超前瞄准系统、通信跟踪 传感器和信号接收机组成，上述元部件的位置关系如下：

按所述的接收信标光进入的方向，依次是所述的粗跟瞄系统、望远镜系统、精 跟瞄系统、第一透反镜、第二透反镜、第三透反镜、半透半反镜和所述的信号接收 机，在所述的第二透反镜的反射光设置所述的捕获跟踪传感器，在所述的半透半反 镜反射光方向设置所述的通信跟踪传感器；

所述的发射信标光经所述的第一透反镜反射后进入所述的精跟瞄系统，反射后， 再经所述的望远镜和所述的粗跟瞄系统后向对方发射；

所述的接收信标光进入所述的粗跟瞄系统，经所述的望远镜系统准直再经所述 的精跟瞄系统反射后，透过所述的第一透反镜，由所述的第二透反镜反射的光由所 述的捕获跟踪传感器探测，由所述的第二透反镜透射的光透过所述的第三透反镜后， 经所述的半透半反镜反射的光进入所述的通信跟踪传感器，透过所述的半透半反镜 的光进入所述的信号接收机；