飛機間激光通信捕獲過程中動態補償算法研究

趙義武，婁巖，韓成，姜會林，佟首峰

（長春理工大學空間光電技術國家地方聯合工程研究中心，吉林長春130022）

飛機間激光通信捕獲過程中動態補償算法研究

趙義武，婁巖，韓成，姜會林，佟首峰

（長春理工大學空間光電技術國家地方聯合工程研究中心，吉林長春130022）

為有效地消除飛機間相對速度對捕獲性能的影響，從闡明相對速度對捕獲過程的影響機理入手，根據測量得到飛機平臺的運動和振動數據，推導出動態補償公式，提出了基于動態補償的空間激光通信捕獲算法，并對捕獲算法的性能進行了對比分析。結果表明：相對速度嚴重影響捕獲統計覆蓋率；為了滿足捕獲統計覆蓋率的要求，采用普通的捕獲算法所需要的最大捕獲時間和平均捕獲時間明顯增加；基于動態補償的捕獲算法能大大改善捕獲系統的性能，提高捕獲概率，減少捕獲時間。

通信技術；空間激光通信；捕獲不確定區域；捕獲時間；捕獲概率

0　引言

自由空間激光通信具有信息容量大、傳輸速率高、信道隱蔽性好、抗干擾能力強、電子對抗能力強、系統功耗低、體積小、質量輕、相對性價比高等一系列優點［1-4］，是傳統的射頻和微波通信的重要補充。同時，在通信性能和應用領域方面都有新的擴展，適應現代軍事和商業通信技術發展的趨勢和要求，在軍用與民用領域都得到廣泛重視。對準、捕獲、跟蹤系統是自由空間激光通信系統的重要組成部分，也是進行激光通信的前提和保證。由于飛機平臺具有強振動和強擾動特性，同時還受到較大的相對速度、強天空背景光和大氣信道等因素的影響，所以，對準、捕獲、跟蹤技術成為飛機間空間激光通信系統中最復雜、最困難的技術之一［5］。

對于飛機間空間激光通信系統，由于兩個搭載平臺的位置和姿態都不確定，需要對飛機的位置和姿態進行實時測量和解算。但是，由于測量設備的精度有限，導致兩飛機進行初始指向誤差較大，進而捕獲不確定區域較大［6］。為了捕獲信標光光斑，必須采用適當的方法對捕獲不確定區域進行掃描。關于空間激光通信捕獲技術，趙雪等采用了GPS/INS組合導航系統來完成靜態水平鏈路無線激光通信初始捕獲的對準定位［7］；左韜等提出了基于GPS坐標解算實現星地激光通信初始捕獲的方法［8］；王利輝等針對衛星激光通信過程中初始捕獲產生的相對運動偏移誤差，建立了星間激光通信的相對運動補償模型［9］。由于飛機平臺的運動特性，在進行復合光柵螺旋掃描時，兩飛機間的相對運動速度是影響捕獲系統性能的一個主要因素。文獻［6］和文獻［10］對飛機與衛星間相對速度對激光通信捕獲性能的影響及抑制算法進行了分析和介紹，但對補償算法的描述比較簡單，沒有給出根據測量工具得到的數據進行補償的詳細方法。

本文針對飛機間激光通信，分析了相對速度對捕獲系統的影響，給出了詳細的補償算法，并對補償算法的性能進行了仿真分析。

1　相對速度對捕獲過程的影響

在兩飛機進行空間激光通信的過程中，執行開環捕獲的飛機，其位置和姿態不斷變化，為此需要通過角度傳感器實時獲取通信平臺的姿態數據，以補償平臺姿態變化對捕獲性能的影響，并通過設置相鄰掃描區域間的重疊區進一步提高捕獲性能。此外，平臺位置的變化將改變捕獲不確定區域的位置，為此，需要增大捕獲不確定區域。在系統參數不變的情況下，捕獲不確定區域的增大會導致捕獲時間的增加，而捕獲時間的增加又會降低系統的捕獲概率。為了減少捕獲時間，提高捕獲概率，可以增大接收視場角和信標光的束散角，但這會使通信終端的設計難度增加，并帶來其他問題。在不改變通信終端其他參數的前提下，可以通過分析兩個平臺間相對速度與掃描路徑的關系，調整原有的掃描路徑，使整個掃描區域朝著相對速度矢量方向偏移。

由于兩架飛機間進行空間激光通信鏈路相對較短，導致相對運動角速率較大，進而每秒由相對速度引起的視軸偏差較大，這大大增加了捕獲不確定區域，降低了捕獲概率。為改善捕獲系統的性能，在掃描捕獲的過程中進行復合光柵螺旋掃描時，需要采用動態補償方法，實時調整掃描捕獲路徑。

2　基于動態補償的捕獲算法

根據文獻［11］可以計算運動通信終端的初始指向角度。設第1終端在對應的第1載體坐標系中的坐標為A=（0，0，0）T.根據（1）式可以計算第1終端和第2終端在第1載體坐標系中的速度，式中A1如（2）式所示，其中α1、β1、γ1分別為第1終端在東北天坐標系下的橫滾角、俯仰角和航向角。由于第1載體坐標系的x軸方向為第1終端前進方向的右方，y軸方向為第1終端的前進方向，z軸方向與x軸和y軸垂直且構成右手系，所以第1終端在第1載體坐標系中的速度為

式中：e、n、u分別表示東向、北向和天向。

為了計算第1終端在水平方向每秒需要補償的角度，將第1終端和第2終端當前空間位置垂直投影到第1載體坐標系的Oxy面上，投影點分別為O=A=（0，0）T和B1=（x12，y12）T，連接此二投影點得到一個平面矢量a1，規定當a1為0時，即第2終端在第1載體坐標系中的當前位置在z軸上時，第1終端在水平方向的補償從x軸正向開始，如圖1所示。

將第1終端和第2終端分別運動1 s后的空間位置垂直投影到第1載體坐標系的Oxy面上，投影點分別為，連接此二投影點得到另一個平面矢量a2，規定當a2為0時，即第2終端在第1載體坐標系中運動1 s后的位置在過第1終端運動1 s后的位置并與z軸平行的直線上時，第1終端在水平方向補償到x軸正向結束。計算矢量a1和a2的夾角，得到第1終端在水平方向每秒需要補償的角度值如（3）式所示。

圖1　水平方向補償角度值示意圖Fig.1 Compensation angle in horizontal direction

如果a1不為0且a2為0，那么a1與x軸正向的夾角如（5）式所示。當大于0時，第1終端在水平方向每秒需要補償的角度方向為順時針方向。當小于0時，第1終端在水平方向每秒需要補償的角度方向為逆時針方向。當為0時，第1終端在水平方向每秒需要補償的角度為0°或180°.

如果a1和a2都不為0，那么將第1終端當前指向第2終端的方向平行移動到第1終端運動1 s后的位置，得到如（6）式所示的直線。

下面分兩種情況進行討論。

1）（6）式表示的直線斜率大于或等于0.

如果B1在第1象限，即都大于或等于0，且不同時為0，那么將第2終端運動1 s后的位置B0在第1載體坐標系的Oxy面上的垂直投影點B2代入（6）式。若f1（B2）大于0，那么第1終端在水平方向每秒需要補償的角度方向為逆時針方向。若f1（B2）小于0，那么第1終端在水平方向每秒需要補償的角度方向為順時針方向。若f1（B2）等于0，那么第1終端在水平方向每秒需要補償的角度為0°或180°.

如果B1在第3象限，即都小于或等于0，且不同時為0，那么將第2終端運動1 s后的位置在第1載體坐標系的Oxy面上的垂直投影點B2代入（6）式。若f1（B2）大于0，那么第1終端在水平方向每秒需要補償的角度方向為順時針方向。若f1（B2）小于0，那么第1終端在水平方向每秒需要補償的角度方向為逆時針方向。若f1（B2）等于0，那么第1終端在水平方向每秒需要補償的角度為0°或180°.

2）（6）式表示的直線斜率小于0.

如果B1在第2象限，即小于0且大于0，那么將B2代入（6）式中。若f1（B2）大于0，那么第1終端在水平方向每秒需要補償的角度方向為順時針方向。若f1（B2）小于0，那么第1終端在水平方向每秒需要補償的角度方向為逆時針方向。若f1（B2）等于0，那么第1終端在水平方向每秒需要補償的角度為0°或180°.

如果B1在第4象限，即大于0且小于0，那么將B2代入（6）式。若f1（B2）大于0，那么第1終端在水平方向每秒需要補償的角度方向為逆時針方向。若f1（B2）小于0，那么第1終端在水平方向每秒需要補償的角度方向為順時針方向。若f1（B2）等于0，那么第1終端在水平方向每秒需要補償的角度為0°或180°.

圖2　水平方向補償角度方向示意圖Fig.2 Direction of compensation angle in horizontal direction

綜合以上情況，如圖2所示，做如（7）式所示的直線，將B2代入（7）式。若f（B2）大于0，那么第1終端在水平方向每秒需要補償的角度方向為逆時針方向。若f（B2）小于0，那么第1終端在水平方向每秒需要補償的角度方向為順時針方向。若f（B2）等于0，那么第1終端在水平方向每秒需要補償的角度為0°或180°.

對于第1終端在俯仰方向每秒需要補償的角度值及其方向，如圖3所示。將第1終端和第2終端當前空間位置A和B垂直投影到第1載體坐標系的Oxy面上，投影點分別為A=（0，0，0）T和，連接此二投影點，得到空間矢量b1.

圖3　在俯仰方向補償角度值和方向示意圖Fig.3 Value and direction of compensation angle in pitch direction

計算第1終端和第2終端當前空間位置的連線矢量AB與矢量b1的夾角θ1.若b1不為0時，θ1如（8）式所示。若b1為0，則當大于0時θ1為90°，當小于0時θ1為-90°.

將第1終端和第2終端分別運動1 s后的空間位置A0和B0垂直投影到第1載體坐標系的Oxy面上，連接此二投影點，得到空間矢量b2.計算第1終端和第2終端分別運動1 s后的空間位置A0和B0的連線矢量A0B0與矢量b2的夾角θ2.若b2不為0， θ2如（9）式所示。若b2為0，則當大于0時 θ2為90°，當小于0時θ2為-90°.

根據相同的原理和方法可以計算第2終端在水平和俯仰方向每秒需要補償的角度值及其方向。

3　基于動態補償的捕獲算法性能分析

捕獲概率和捕獲時間是空間激光通信捕獲系統的兩個主要性能指標。下面對基于動態補償的捕獲算法的捕獲概率和捕獲時間進行分析。

在空間激光通信系統進行捕獲過程中，由于兩個通信終端的相對速度引起視軸的移動，導致捕獲不確定區域的變化。根據捕獲概率和統計捕獲覆蓋率之間的關系［6］可知，相對速度主要影響捕獲統計覆蓋率。為此，本文只分析相對速度對捕獲統計覆蓋率的影響。在飛機間激光通信系統中，如果不考慮相對速度的影響，設兩個通信終端完成初始對準后，在水平和俯仰方向上，初始對準誤差的標準差分別為4 mrad和1 mrad.在此基礎上，根據文獻［6］可知，通信終端的捕獲不確定區域為25 mrad時，一個通信終端的捕獲統計覆蓋率優于99.5%，所以兩個通信終端總的捕獲統計覆蓋率優于99%.

對于空間激光通信系統，捕獲時間可以分為最大捕獲時間和平均捕獲時間。為了計算捕獲時間，假設重疊系數為0.15，接收視場角為10 mrad，根據文獻［6］可知，通信終端完全覆蓋一次捕獲不確定區域共需要9步。假設完全覆蓋一次捕獲不確定區域的時間為4 s，那么兩個通信終端進行光柵螺旋掃描的最大捕獲時間約為36 s.不考慮相對速度的影響，根據文獻［6］將捕獲不確定區域分成9個子區域，平均捕獲時間約為12 s.

如果考慮搭載平臺的相對速度對捕獲系統性能的影響，根據野外通信試驗獲得的通信平臺的數據，計算得到在水平方向和俯仰方向每秒需要補償的角度分別為1.4 mrad和0.3 mrad.忽略俯仰方向上的補償角度，如果按照最大捕獲時間為36 s計算，捕獲不確定區域要增加50.4 mrad，在這種條件下，捕獲不確定區域如果仍然為25 mrad，那么，通信終端的捕獲統計覆蓋率將小于70%.要滿足一個通信終端的捕獲統計覆蓋率優于99.5%，捕獲不確定區域應約為75 mrad，在這種條件下，最大捕獲時間為312 s.如果按照平均捕獲時間12 s計算，捕獲不確定區域要增加16.8 mrad，在這種條件下，捕獲不確定區域如果仍然為25 mrad，那么，通信終端的捕獲統計覆蓋率將小于90%.要滿足一個通信終端的捕獲統計覆蓋率優于99.5%，捕獲不確定區域應約為42 mrad，在這種條件下，平均捕獲時間約為104 s.

綜合以上情況，為了滿足一個通信終端的捕獲統計覆蓋率優于99.5%，不采用補償算法和采用補償算法的性能對比如表1所示。

如果采用基于動態補償的捕獲算法，根據計算得到的補償角度，實時調整掃描路徑，捕獲不確定區域的大小幾乎沒有變化，只是根據相對速度進行移動，因此，最大捕獲時間和平均捕獲時間基本不變。

表1　不采用和采用補償算法的性能對比表Tab.1 Performance comparison with and without compensation algorithm

4　結論

對于飛機間空間激光通信系統，為了進行快速高概率的捕獲，必須消除平臺間相對速度對捕獲系統的影響?；趧討B補償的捕獲算法，根據測量得到的飛機平臺的運動和振動數據，計算在水平方向和俯仰方向每秒需要補償的角度值和方向。通過對比分析可知，基于動態補償的捕獲算法可以大大改善捕獲系統的性能，提高捕獲統計覆蓋率，減少最大捕獲時間和平均捕獲時間。

本文提出的動態補償方法，不僅適用于飛機間激光通信捕獲過程，還可以推廣應用到任意兩個互相可視的運動終端間激光通信捕獲過程中，例如衛星對衛星、衛星對飛機、衛星對地面（海面）平臺、飛機對地面（海面）平臺間激光通信。

（

）

［1］胡貞，姜會林，佟首峰，等.空間激光通信終端ATP技術與系統研究［J］.兵工學報，2011，32（6）：752-757. HU Zhen，JIANG Hui-lin，TONG Shou-feng，et al.Research on ATP system technology of laser communication terminal in space［J］.Acta Armamentarii，2011，32（6）：752-757.（in Chinese）

［2］婁巖，陳純毅，姜會林，等.星地斜程大氣信道激光通信可通率研究［J］.兵工學報，2011，32（11）：1378-1383. LOU Yan，CHEN Chun-yi，JIANG Hui-lin，et al.Research on available probability for satellite-to-ground laser communication in slant path atmospheric turbulence［J］.Acta Armamentarii，2011，32（11）：1378-1383.（in Chinese）

［3］姜會林，胡源，丁瑩，等.空間激光通信組網光學原理研究［J］.光學學報，2012，32（10）：48-52. JIANG Hui-lin，HU Yuan，DING Ying，et al.Optical principle research of space laser communication network［J］.Acta Optica Sinica，2012，32（10）：48-52.（in Chinese）

［4］Gregory M，Heine F，Kampfner H，et al.Coherent inter-satellite and satellite-ground laser links［J］.Proceedings of SPIE，2011，7923：792303.

［5］姜會林，劉志剛，佟首峰，等.機載激光通信環境適應性及關鍵技術分析［J］.紅外與激光工程，2007，36（S）：299-302. JIANG Hui-lin，LIU Zhi-gang，TONG Shou-feng，et al.Analysis for the environmental adaptation and key technologies of airborne laser communication system［J］.Infrared and Laser Engineering，2007，36（S）：299-302.（in Chinese）

［6］韓成，白寶興，楊華民，等.機動平臺與衛星間激光通信捕獲系統仿真研究［J］.系統仿真學報，2009，21（18）：5923-5926. HAN Cheng，BAI Bao-xing，YANG Hua-min，et al.Study and simulation of laser communication acquisition system in mobile platform-to-satellite［J］.Journal of System Simulation，2009，21（18）：5923-5926.（in Chinese）

［7］趙雪，母一寧，姜非歐，等.GPS/INS技術在靜態激光通信初始捕獲中的應用［J］.激光與紅外，2012，42（5）：505-509. ZHAO Xue，MU Yi-ning，JIANG Fei-ou，et al.Application of GPS/INS technology in the initial capture of static laser communication［J］.Laser&Infrared，2012，42（5）：505-509.（in Chinese）

［8］左韜，艾勇，聶桂根，等.基于GPS的星地激光通信捕獲對準研究［J］.光電子·激光，2010，21（8）：1184-1188. ZUO Tao，AI Yong，NIE Gui-gen，et al.Research on acquisition and pointing in optical communication between satellite and ground station based on GPS［J］.Journal of Optoelectronics Laser，2010，21（8）：1184-1188.（in Chinese）

［9］王利輝，孟立新，李詠豪，等.星間激光通信不確定區域掃描補償技術研究［J］.光通信研究，2012，172（4）：64-66. WANG Li-hui，MENG Li-xin，LI Yong-hao，et al.Research on compensation technology for uncertain region scanning in intersatellite laser communications［J］.Study on Optical Communications，2012，172（4）：64-66.（in Chinese）

［10］韓成，白寶興，趙馨，等.自由空間激光通信捕獲控制系統［J］.紅外與激光工程，2009，38（1）：91-95. HAN Cheng，BAI Bao-xing，ZHAO Xin，et al.Acquisition control system of free space laser communication［J］.Infrared and Laser Engineering，2009，38（1）：91-95.（in Chinese）

［11］韓成，佟首峰，陳展東，等.GPS/INS系統誤差對空間激光通信對準算法的影響分析［J］.紅外與激光工程，2009，38（4）：650-654. HAN Cheng，TONG Shou-feng，CHEN Zhan-dong，et al.Analysis of influence of GPS/INS system errors on pointing algorithm in space optical communication［J］.Infrared and Laser Engineering，2009，38（4）：650-654.（in Chinese）

Research on Dynamic Compensation Algorithm of Acquisition Process of Laser Communication Between Aircrafts

ZHAO Yi-wu，LOU Yan，HAN Cheng，JIANG Hui-lin，TONG Shou-feng
（NUERC of Space and Optoelectronics Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，Jilin，China）

In order to effectively eliminate the influence of relative velocity between aircrafts on acquisition performance，the mechanism of influence of relative velocity on acquisition process is described.According to the measured data of aircraft motion and vibration，the dynamic compensation formulas are derived，an acquisition algorithm based on dynamic compensation in space laser communication is proposed，and the acquisition performance of the algorithm is analyzed.The results show that the relative velocity has a seriouse influence on the statistical coverage of acquisition.In order to meet the statistical coverage of acquisition，the maximum acquisition time and average acquisition time of common algorithms are significantly increased.The acquisition algorithm could greatly improve the performance of acquisition system by increasing the acquisition probability and reducing the acquisition time.

communication technology；space laser communication；acquisition uncertainty region；acquisition time；acquisition probability

TN929.12

A

1000-1093（2015）01-0117-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.01.017

2014-03-10

國家自然科學基金項目（91338116）

趙義武（1973—），男，副教授。E-mail：719731551@qq.com；婁巖（1981—），女，講師。E-mail：louyan2008@126.com