機載無線激光通信對準-捕獲-跟蹤系統及動態飛行試驗研究

李小明，張立中，孟立新，宋延嵩，姜會林（.空間光電技術國家地方聯合工程研究中心，吉林長春30022；2.長春理工大學光電工程學院，吉林長春30022）

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機載無線激光通信對準-捕獲-跟蹤系統及動態飛行試驗研究

李小明1，2，張立中1，孟立新1，宋延嵩1，姜會林1
（1.空間光電技術國家地方聯合工程研究中心，吉林長春130022；2.長春理工大學光電工程學院，吉林長春130022）

摘要：機載無線激光通信具有通信速率高、抗干擾能力強、保密性好、布置靈活等優點，在天地一體化高速信息網絡、軍用保密通信、電磁干擾環境下可靠通信等應用中有著廣闊前景。為解決機載環境下激光通信光軸對準難題，通過對無線激光通信系統特點和Y-12型飛機平臺特性的分析，采用粗、精兩級復合跟蹤方案，設計了由被動減震結合主動抑制的粗跟蹤單元和電磁振鏡精跟蹤單元組成的機載無線激光通信對準、捕獲、跟蹤（PAT）系統。Y-12飛機搭載該系統開展了雙固定翼飛機間遠距離、高速機載激光通信試驗，驗證了所設計的機載無線激光通信PAT系統的跟蹤性能和機載環境適應性。

關鍵詞：通信技術；激光通信；機載平臺；對準、捕獲、跟蹤

0　引言

飛機既是機動靈活的偵查平臺，又是天空地一體化信息網絡的重要傳輸節點。作為偵查平臺，飛機可以搭載多種傳感器，對地、對海、對空獲取豐富偵查信息，并由高速鏈路對外傳輸；通信網絡節點可以作為中繼站，擴大地面、海面網絡的覆蓋范圍或實現天地間信息轉發。隨著探測技術的不斷發展，探測器分辨率的不斷提高，數據量逐步加大，對通信帶寬的要求越來越高，尤其通信的中繼終端，數據量更是成倍的增加。空間無線激光通信技術具有傳輸速率高、保密性好、抗電磁干擾能力強等優勢，是航空平臺對外信息傳輸的一種高效手段，機載無線激光通信技術發展可以大幅提升信息網絡的數據傳輸能力［1-2］。

國外主要的機載平臺激光通信試驗有：1996年美國Thermo Trex（TT）公司進行的飛機對地面站間光通信試驗，飛行高度1.1 km，通信速率1 Gbit/s，通信距離20～30 km.2009年美國麻省理工學院完成的飛機與地面站之間激光通信試驗，飛行高度3.657 km，通信速率2.5 Gbit/s，鏈路距離25 km. 2011年美國 TT公司與美國空軍研究實驗室（AFRL）完成的飛機對飛機激光鏈路通信試驗，通信速率2.5 Gbit/s，通信距離94～132 km［3-4］.在國內，2011年長春理工大學完成雙直升機間高速激光通信試驗，飛行高度600～800 m，速率1.5 Gbit/s，距離17.5 km，誤碼率10-6.

飛機作為高速的運動平臺在擴大通信范圍的同時，也給無線激光通信帶來了很大的難度。飛機位置及姿態實時快速變化以及強烈的振動使得通信光軸的對準十分困難，必須采用對準、捕獲、跟蹤（PAT）系統保證通信光軸高精度對準，為無線激光通信奠定基礎［5］。

1　機載振動環境分析

飛機高速飛行時，平臺振動強烈，低頻擾動幅度大，姿態變化快，隨機性強，振動和擾動的幅度不僅遠大于可靠通信所要求的光軸對準誤差，而且也遠大于開環指向所需要的光軸對準精度。所以機載激光通信系統必須采用PAT系統抑制飛機平臺的振動和擾動，保證通信雙方光軸高精度對準，否則根本無法建立通信鏈路［6］。為了給PAT系統提供必要的設計參數，采用便攜式振動測試儀，配合高精度傳感器對搭載激光通信系統的Y-12飛機振動情況進行了測試，傳感器參數如表1所示，測得的振動情況如圖1所示。

表1　便攜式振動測試儀技術參數Tab.1 Parameters of vibration tester

圖1　Y-12飛機振動測試曲線Fig.1 Vibration test curve of Y-12 plane

從圖1測試曲線中可以看出：飛機諧振點在100 Hz左右，最大振幅約為265 μrad，振動頻率最大1 000 Hz左右，所以飛機的低頻振動比較強烈。

采用慣性導航系統（INS）測量飛機低頻姿態變化，測試結果如圖2和圖3所示。

圖2　INS測得飛機低頻姿態角速度變化Fig.2 Pose variation of plane test by INS

從圖3中可以看出，飛機飛行時，姿態變化較為明顯，最大姿態角速度約為6°/s，最大角加速度約為20°/s2.

圖3　INS測得飛機低頻姿態角加速度變化Fig.3 Acceleration variation of plane test by INS

2　PAT系統功能及主要參數分析

本文的機載無線激光通信PAT系統采用有信標結構，主要工作過程分為初始指向、快速捕獲、精確跟蹤3個主要階段，其工作過程如圖4所示，在PAT系統完成精確跟蹤后，系統即可開始進行動態激光通信。PAT系統跟蹤精度要求為粗跟蹤精度50 μrad（1σ，σ為總體標準差），精跟蹤精度8 μrad（1σ）.

圖4　機載無線激光通信PAT系統工作流程示意圖Fig.4 Working process of PAT system

初始對準不確定區域（FOU）是影響激光通信終端光軸對準的重要參數，如果不確定區域過大，將嚴重制約捕獲時間、捕獲概率。但是，不確定區域的減小受到終端所在平臺姿態控制精度、平臺空間定位精度、伺服轉臺指向精度和穩定精度等限制。對于機載激光通信系統，根據各誤差環節對其捕獲不確定區域分析如表2所示。

表2　不確定區域分析表Tab.2 Analysis of uncertain region

目標出現在捕獲不確定區域的概率為

式中：θv為俯仰方向的角偏差；θh為方位方向的角偏差；″OU為初始對準不確定區。（1）式可簡化成幅度上為瑞利分布、極角為1/（2π）的均勻分布，在極坐標內積分為

粗跟蹤精度主要受系統跟蹤電荷耦合元件（CCD）相機測量誤差、動態滯后誤差、平臺振動抑制殘差影響。動態滯后誤差可表示為

測試表明飛機姿態變化最大速度約為6°/s，角加速度20°/s2，控制系統 Kv設計為6 000，Ka為23 000.系統的滯后誤差為23.5 μrad.分析表明，系統可滿足粗跟蹤精度50 μrad（見表3）的要求，精跟蹤分析見表4.

表3　粗跟蹤精度分析Tab.3 Accuracy analysis of coarse tracking system

表4　精跟蹤精度分析Tab.4 Accuracy analysis of fine tracking system

3　PAT系統設計

3.1系統組成

由于飛機姿態變化范圍大、振動頻率高，要在機載環境下實現通信雙方光軸的高精度對準，不僅需要PAT系統具有高跟蹤帶寬和高跟蹤精度，還要具備較大的跟蹤范圍。因此本文中采用粗、精兩級復合跟蹤方案：1）由跟蹤精度和帶寬都相對低，但跟蹤范圍大的粗跟蹤系統對目標進行粗跟蹤，將目標穩定在精跟蹤系統視場范圍內；2）由跟蹤范圍小，但精度和帶寬較高的精跟蹤單元進行跟蹤，滿足系統高精度跟蹤的要求。研制的機載激光通信PAT系統組成如圖5所示，系統主要由粗跟蹤轉臺、光學基臺（內部有精跟蹤單元等）及其PAT控制單元組成。光學基臺光學原理如圖6所示，主要由信標發射光學天線、粗跟蹤接收光學天線和通信、精跟蹤共用光學天線及相應的光斑檢測單元和控制單元等組成。

圖5　機載激光通信PAT系統組成示意圖Fig.5 Composition of PAT system for airborne laser communication

3.2分系統設計

3.2.1粗跟蹤單元

根據機載平臺振動環境特點，粗跟蹤單元設計為兩軸4框架跟蹤機構［7］，跟蹤機構由內、外環架組成，如圖7所示。

4框架即內方位框架、內俯仰框架、外俯仰框架和外方位框架，內、外環路均包含獨立的方位軸和俯仰軸，為兩軸結構。內、外環之間通過減振器聯接，外環的方位和俯仰運動隨動于內環。粗跟蹤轉臺的穩定精度和跟蹤精度由內環保證，內環采用直驅方式，實現高帶寬的要求。其負載為光學基臺，光學基臺采用整體穩定模式，激光通信組件、精跟蹤組件和粗跟蹤相機安裝在光學基臺上，內環的負載為16 kg.內框架的轉動范圍設計為±5°，因其質量相對較小，運動范圍小，所以可實現優于50 μrad的跟蹤精度。外環框架的設計為方位角±180°、俯仰角±90°的大范圍運動，隨動于內框架，同時抑制風阻、平臺移動或振動等干擾。

圖6　光學基臺光學原理圖Fig.6 Composition of optical system

圖7　兩軸4框架結構示意圖Fig.7 Structure diagram of coarse tracking mechanism

粗跟蹤轉臺采用球形結構設計，可以減少外掛在飛機上時，飛行過程中產生的風阻和風擾力矩。光電轉臺采用動態密封技術，以滿足防雨、防潮和氣密性等環境要求。為了使轉臺內安裝的傳感器在高空有良好的壓力工作環境，轉臺上安裝有泄壓閥，保持高空轉臺內外的壓力平衡。粗跟蹤轉臺的結構和外形如圖8所示。

由于主動伺服系統的伺服帶寬有限，對超出伺服帶寬的高頻振動采用減振器進行被動減振。減振器要具有足夠的衰減能力，并且放大段必須在伺服控制帶寬以內，保證被減振器放大的振動能被主動伺服系統衰減［8］。經過設計，兩軸4框架轉臺的伺服帶寬能達到20 Hz左右［9］，飛機的振動在20 Hz處振動幅度為70 μrad，因此要求減振器在該頻率處的衰減要大于0.35，放大段最高頻率小于20 Hz.最終選擇減振器的衰減率曲線如圖9所示，減振器放大段最高頻率約為10 Hz，20 Hz處衰減為0.3，大于50 Hz后衰減率大于0.1.

圖8　粗跟蹤機構圖Fig.8 Coarse tracking turret

圖9　減振器衰減率曲線Fig.9 Attenuation curve of damper

3.2.2精跟蹤單元

精跟蹤單元的主要作用是在粗跟蹤的基礎上對跟蹤殘差進行進一步主動抑制，提高光軸對準精度［9］。該單元由CCD相機光斑檢測單元、精跟蹤控制單元和振鏡組成，如圖10所示。影響精跟蹤精度的主要誤差源為執行器誤差、光斑檢測誤差、動態滯后誤差、平臺振動殘差。為了提高精跟蹤系統的跟蹤精度，采用CCD相機亞像素細分技術、自動調整積分時間技術實現光斑高精度檢測［10-11］；選用對感興趣窗口隨機讀出（ROI）模式的相機，采用像元合素等技術實現2 000幀頻輸出。

圖10　精跟蹤伺服單元組成圖Fig.10 Structure of fine tracking system

根據系統需求，精跟蹤單元設計的閉環幅頻和相頻特性曲線如圖11所示。從圖11曲線可以看到，系統開環截止頻率333 Hz，相位裕量65.4°，保證了系統的穩定性，同時系統的帶寬和伺服剛度滿足設計要求。

4　系統性能測試及飛行試驗

4.1室內測試

機載轉臺結構裝配完成后，通過掃頻實驗檢驗結構剛度和被動減振效果。使用振動臺對轉臺施加隨機振動激勵，分別測試轉臺外框架、內框架的頻率響應特性，傳感器安裝和測試曲線如圖12和圖13所示，其中4號、5號為外環傳感器，6號、7號為內環傳感器。

圖12　傳感器安裝示意圖Fig.12 Installation instruction of sensors

圖13　隨機共振測試曲線（5～500 Hz）Fig.13 Curves of stochastic resonance（5～500 Hz）

由圖13可見，系統的內環的諧振頻率約為12 Hz，小于伺服系統設計帶寬，外環的振動得到有效衰減。

通過室內動態跟蹤實驗，驗證PAT系統的動態跟蹤性能，為后續開展野外飛行試驗提供保證。測試現場如圖14所示，跟蹤精度測試結果如圖15所示。

室內動態測試表明在模擬機載振動條件下PAT系統粗跟蹤精度50 μrad（最大值），22 μrad（1σ），精跟蹤精度4 μrad（最大值），2 μrad（1σ）.

圖14　機載PAT系統室內測試Fig.14 Indoor testing of PAT system

圖15　PAT系統室內測試精度Fig.15 Indoor test accuracy of PAT system

4.2野外飛行測試

采用兩架Y-12飛機對機載PAT系統性能進行了一系列的飛行試驗和測試。機載PAT試驗系統如圖16所示，系統安裝在安裝支架上，固定在飛機機艙內部，如圖17所示。

為了減小飛機高速飛行時產生的氣動光學效應對系統的影響，對PAT系統安裝處的飛機窗口進行了適應性改造，如圖18所示。機載 PAT系統在10～144 km距離上進行了機載條件下的性能動態測試。

圖19和圖20分別為機載條件下PAT系統的粗跟蹤和精跟蹤誤差，可見粗跟蹤誤差（1σ）：方位軸16.19 μrad，俯仰軸 17.68 μrad；精跟蹤誤差（1σ）：方位軸5.5 μrad，俯仰軸4.4 μrad.

圖16　機載PAT試驗系統Fig.16 PAT experimental system

圖17　機載PAT系統機艙內安裝圖Fig.17 Inside place of PAT system

圖18　雙固定翼飛機激光通信試驗光學窗口Fig.18 Optical windows for experiment

圖19　粗跟蹤精度Fig.19 Tracking accuracy of coarse tracking system

圖20　精跟蹤精度Fig.20 Tracking accuracy of fine tracking system

5　結論

本文通過對飛機平臺特性的測試，針對性地對機載無線激光通信PAT系統的主要參數進行研究與分析，設計了由兩軸4框架粗跟蹤單元、基于壓電陶瓷振鏡的精跟蹤單元組成的機載PAT試驗系統。并采用Y-12飛機在國內首次進行兩架固定翼飛機間距離10～144 km的的遠距離捕獲、跟蹤試驗。試驗表明機載PAT系統在實際機載環境下，粗跟蹤精度優于25 μrad（1σ），精跟蹤精度優于8 μrad（1σ），為機載高速、遠距離無線激光通信提供了保障。

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中圖分類號：TN929.1

文獻標志碼：A

文章編號：1000-1093（2016）06-1044-08

DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2016.06.011

收稿日期：2015-05-11

基金項目：教育部博士點基金項目（20132216110006）

作者簡介：李小明（1984—），男，博士研究生。E-mail：lxmkidd@126.com；姜會林（1945—），男，教授，博士生導師。E-mail：hljiang@cust.edu.cn

Research and Experiment of Pointing/acquisition/tracking System for Airborne Space Laser Communication

LI Xiao-ming1，2，ZHANG Li-zhong1，MENG Li-xin1，SONG Yan-song1，JIANG Hui-lin1
（1.National and Local Joint Engineering Research Center of Space Optoelectronics Technology，Changchun 130022，Jilin，China；2.School of Photoelectric Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，Jilin，China）

Abstract：Airborne space laser communication is characterized by high speed，anti-electromagnetic interference，security and easy assignment.It has been applied in the areas of integrated space-ground communication，networking communication，military communication，reliable communication in anti-electromagnetic environment.The characteristics of airborne laser communication and Y-12 plane are analyzed for aligning the communication optical-axis on airborne platform.Two-stage tracking technology is used to design an airborne pointing，acquisition and tracking（PAT）system for laser communication，which consists of coarse and fine tracking units.The long distance communication experiment of the system carried by Y-12 planes is accomplished.The experiment proves the tracking performance and adaptability of the PAT system.

Key words：communication technology；laser communication；airborne platform；pointing，acquisition and tracking