潜望式光通信终端反射镜安装误差补偿方法研究

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1、载人航天2011年第3期基础研究潜望式光通信终端反射镜安装误差补偿方法研究谭立英吴世臣于思源柳青峰(哈尔滨工业大学)摘要通过精瞄镜控制矩阵和反射镜误差矩阵，建立了潜望式光通信终端出射光束传输的数学模型，提出一种精瞄镜控制算法用于抑制潜望式光通信终端反射镜安装机械误差对终端瞄准系统造成的影响，达到补偿光通信终端反射镜安装机械误差的目的。仿真实验结果表明，在不提高反射镜安装机械精度的前提下，通过对偏转镜的控制，使反射镜安装误差得到良好的补偿效果，光通信终端的瞄准精度得到显著提高。关键词卫星光通信精瞄镜安装误差补偿方法分类号V443．1文献

2、标识码A文章编号1674—5825(2011)03—0054—041引言完成对粗瞄机构平面镜安装误差的补偿。与微波通信相比，卫星光通信技术具有信息量大、传输速率高、隐蔽性强，抗干扰能力强等特点【l】。能够实现卫星间的直接通信，是实现高数据率空间信息保密通信的最优方案之一回。空间光束瞄准、捕获、跟踪(PAT)技术是实现长距离空间光通信的关键技术，关系到是否能成功建立空间光通信链路以及通信质量的好坏plo对于潜望镜式结构光通信终端，粗瞄机构45。反射镜安装困难，引入误差较大，将严重影响光通信终端瞄准子系统工作的精度和瞄准、捕获的成功率，为

3、弥补这种误差的影响，对PAT系统精瞄镜进行相应的控制补偿是十分必要的。目前，光通信终端普遍采用复合轴结构，即粗瞄机构完成低带宽大范围瞄准，而精瞄机构对粗瞄机构的残差进行高带宽小范围的精确瞄准，粗、精瞄机构协同工作，共同实现了通信终端的高精度、小型化。系统中的机械安装误差将导致终端瞄准精度的下降，鉴于这些误差对于卫星光通信瞄准过程中的严重影响，对于这些误差的补偿就变得十分必要了。本文利用通信终端中的精瞄机构，通过对压电陶瓷偏转镜实时控制，在不增加系统硬件需求的情况下2精瞄镜控制模型如图l，为典型的潜望镜式激光通信终端发射光路，在该发射光

4、路中出射光束由LD激光器出射，经过准直望远镜，精瞄控制镜，分束片1，望远镜系统，潜望镜式粗瞄机构将通信光束发射向接收终端。粗瞄机构通过转动机构可以使出射光束指向空域中感兴趣的方向，同时对精瞄镜进行小角度的调节可以实现出射光束在小角度范围内的机动和修正。在计算前，这里首先对终端基准坐标系进行定义，由LD出光方向为终端基准坐标系z轴，由精瞄镜中心指向分数片1中心的方向为基准坐标系XX来稿日期：20lo-ll-03；修回日期：2011_04-15。作者简介：谭立英(1957．03一)，女，博士。教授．主要从事卫星光通信技术研究工作。54图1

5、PAT系统工作原理图基础研究载人航天2011年第3期轴，Y轴成右手系方向。在终端基准坐标系内，精瞄镜处于初始状态时的反射面法线矢量为：面mjo----[vT／20一、／丁／2]7，所以初始状态下精瞄镜的反射传输矩阵为：『1％=l1(1)1在压电陶瓷驱动下，精瞄镜平面在终端基准坐标系中首先矢量[01O]1转动一个小的角度妒。，然后在精瞄镜镜面内绕与矢量[010]‘垂直的矢量【、／丁／2o、／丁／2】转动亿，以改变反射面的法线矢量方向。由矢量旋转公式以及几何光学反射镜反射矩阵公式可以得到精瞄镜的反射传输矩阵为：l弛一订吼1l硎=一、厂r吼

6、1、／rF吼1订蛾一弛1。·Icos％一sin0Az■曲(3)8in％cos％l其中曼(吼z)，S，(％)分别为绕z轴、X轴的矢量旋转矩阵，吼。，％分别为方位轴、俯仰轴相对于基准坐标系的转动角度。组成终端发射光学通道的光学器件：精瞄镜(压电陶瓷二维偏转镜)、分束片1、收发合一式光学望远天线、安装着两个反射镜的粗瞄机构。由此可知，LD发射通道的光束传输模型为：Am=乙。ALV=如。瓦z。k‘如‘‰‘A∞(4)其中，％、瓦z为安装于粗瞄机构内的两个反射镜的传输矩阵；k为出射光路中光学望远天线的传输矩阵；月九为分柬片1的反射传输矩阵；巩D为

7、发射光学通道的传输矩阵；‰为精瞄镜控制矩阵，其形式如公式(1)所示。(2)4精瞄镜补偿误差控制模型公式(2)为光通信终端发射子系统二维偏转镜(精瞄镜)的反射传输矩阵，从中可以看出，入射到精瞄镜上的光束，反射后的矢量指向方向由精瞄镜的工作状态决定，改变精瞄镜的二维转动角度值，就可以改变反射后的信标光束指向，所以可将公式(2)称为精瞄镜的控制矩阵。3发射通道的光学传输模型半导体激光器射出的信标光束经准直系统整形后，成为一条平行光束进入终端发射光学通道。在终端基本坐标系内，理想LD出射的信标光束矢量为-+，一TALD=【001J。按照建立星

8、间激光链路的要求，信标光束应沿着粗瞄机构出射光阑法线方向射出，即沿着终端光学系统主光轴方向出射。所以出射信标光束在终端基本坐标系内的光束矢量为：—'-'A,=Sz(OAz)·&(％)·A曲=cos吼zsin0Az-sin