[发明专利]一种空间通信用激光束旁轴定位方法

摘要

本发明提供了一种空间通信用激光束旁轴定位方法，包括以下步骤：根据第一通信卫星和第二通信卫星的基本轨道参数，获得所述第一通信卫星和所述第二通信卫星之间的激光通信信道；探测卫星飞行靠近激光通信信道附近，停止飞行；探测卫星喷射随星携带的气溶胶籽粒尺寸已知的气溶胶，形成气溶胶气团；根据时间差t、光速c及气溶胶籽粒尺寸和密度反向推导两个通信卫星之间的入射激光束散射角度；根据探测卫星的位置和入射激光束散射角度推断入射激光束角度；根据入射激光束角度确定入射激光束方位。本发明提供的空间通信用激光束旁轴定位方法效率高、成本低，操作简单，可以截获较大面积内的激光信号，适用于激光通信光路窄的传输特性。

主权项

1.一种空间通信用激光束旁轴定位方法，其特征在于，包括以下步骤：根据第一通信卫星和第二通信卫星的基本轨道参数，获得所述第一通信卫星和所述第二通信卫星之间的激光通信信道；探测卫星飞行靠近所述激光通信信道附近，停止飞行；所述探测卫星喷射随星携带的气溶胶籽粒尺寸已知的气溶胶，形成气溶胶气团，所述气溶胶气团穿过所述激光通信信道；所述气溶胶籽粒密度为真空环境下气溶胶扩散模型，所述气溶胶扩散模型为一与时间相关的分布函数n(r)，而喷射时间点已知，则扩散浓度可求；根据所述气溶胶籽粒尺寸和扩散模型可得入射激光束散射模型，所述入射激光束散射模型为在不同散射角度具有不同散射光强，则可根据所述入射激光束散射模型得到所述入射激光束散射光强，根据所述入射激光束散射光强反向推导入射激光束散射角度；在所述气溶胶气团内取得两个散射点A、B，探测卫星的平面阵列探测器记录测得A、B两点散射光的时间差为t，入射激光束光速c已知，根据散射点A、B的时间差t、光速c及气溶胶籽粒尺寸和密度反向推导所述第一通信卫星和所述第二通信卫星之间的入射激光束散射角度，具体为：所述气溶胶籽粒半径范围为r1-r2，气溶胶籽粒的分布函数为n(r)，由Mie散射理论，可以得到气溶胶籽粒的散射光强Isca和衰减因素Qext：Isca＝λ2I0(|s1(θ)|2+|s2(θ)|2)/2k2L2 (1) Q e x t = 2 / x 2 Σ n - 1 ∞ ( 2 n + 1 ) Re ( a n + b n ) - - - ( 2 ) ]]>式(1)中：L为观测点到散射气溶胶籽粒球心的距离，λ为入射激光束的波长，I0为入射激光束入射前光强，θ为入射激光束散射角，k为空间角频率，x为尺度参数，s1(θ)和s2(θ)为气溶胶籽粒在两个偏振方向的散射强度分布函数，an和bn为Mie系数，其中x＝2πr/λ，k＝2π/λ；入射激光束散射角函数πn(cosθ)，τn(cosθ)的计算式如下： s 1 ( θ ) = Σ n = 1 ∞ 2 n + 1 n ( n + 1 ) ( a n π n ( c o s θ ) + b n τ n ( c o s θ ) ) - - - ( 3 ) ]]> s 2 ( θ ) = Σ n = 1 ∞ 2 n + 1 n ( n + 1 ) ( a n τ n ( c o s θ ) + b n π n ( c o s θ ) ) - - - ( 4 ) ]]> a n = ψ n ( x ) ψ n ′ ( m x ) - mψ n ′ ( x ) ψ n ( m x ) ξ n ( x ) ψ n ′ ( m x ) - mξ n ′ ( x ) ψ n ( m x ) - - - ( 5 ) ]]> b n = mψ n ( x ) ψ n ′ ( m x ) - ψ n ′ ( x ) ψ n ( m x ) mξ n ( x ) ψ n ′ ( m x ) - ξ n ′ ( x ) ψ n ( m x ) - - - ( 6 ) ]]> π n ( c o s θ ) = P n 1 ( c o s θ ) / s i n θ - - - ( 7 ) ]]> τ n ( c o s θ ) = d d θ P n 1 ( c o s θ ) - - - ( 8 ) ]]>式中：分别是半整数阶的贝塞尔函数和第一类汉克尔函数，为一阶n次缔合勒让德函数，m是入射激光束散射气溶胶籽粒相对周围介质的折射率；πn和πx分别为以x和n为变量的散射角函数，r为气溶胶粒子半径；由入射激光束散射强度分布函数可以得到实际大气的体角散射系数： β p j ( θ , λ ) = λ 2 4 π 2 ∫ r 1 r 2 n ( r ) | S j ( θ ) | 2 d r - - - ( 9 ) ]]>r1、r2为气溶胶籽粒尺度的上下限，|Sj(θ)|2为气溶胶籽粒散射强度分布函数，入射激光束散射强度可以由体角散射系数来表征：I(θ)＝I0β(θ)/L2 (10) β p j ( θ ) = λ 2 8 π 2 ∫ r 1 r 2 n ( r ) ( | S 1 ( θ ) | 2 + | S 2 ( θ ) | 2 ) d r - - - ( 11 ) ]]>在入射激光束散射角内可以取两个散射点A、B，散射角分别为θ、θ+ω，平面阵列探测器并联一数据采集卡主要记录探测器接收到的各个散射点的散射光的时间，记录测得A、B两点散射光的时间差为t，LA为观测点到散射点A所在气溶胶籽粒球心的距离，LB为观测点到散射点B所在气溶胶籽粒球心的距离，LAB为散射点A和散射点B之间的距离，ω为散射点A和散射点B的散射角差值，根据公式(2)、(10)，平面阵列探测器可测得A、B两点的散射光强分别为：IAsca＝IAβ(θ)exp(-QextLA)/LA2 (12)IBsca＝IBβ(θ+ω)exp(-QextLB)/LB2 (13)并且，IB＝IAexp(-QextLAB)，LB+LAB-LA＝ct，c为光速，令f(θ)＝IAsca/IBsca，则： f ( θ ) = I A s c a I B s c a = β ( θ ) sin 2 θ exp ( Q e x t c t ) β ( θ + ω ) sin 2 ( θ + ω ) - - - ( 14 ) ]]>通过对公式(14)的计算可以求得θ；根据所述探测卫星的位置和所述入射激光束散射角度推断所述入射激光束角度；根据所述入射激光束角度确定所述入射激光束方位。