艦船間激光通信系統(tǒng)視軸捕獲技術

宋延嵩，趙馨，董科研，常帥，董巖

（1.長春理工大學空間光電技術研究所，長春 130022；2.長春理工大學電子信息工程學院，長春 130022）

艦船間激光通信系統(tǒng)視軸捕獲技術

宋延嵩1，趙馨1，董科研1，常帥1，董巖2

（1.長春理工大學空間光電技術研究所，長春 130022；2.長春理工大學電子信息工程學院，長春 130022）

空間激光通信逐漸成為艦船間通信新型手段，但捕跟問題是艦船間激光通信最大的難點，闡述了艦船間激光通信捕獲特點，分析了艦船間激光通信捕獲系統(tǒng)的組成、工作原理和捕獲策略，并著重研究捕獲概率和捕獲時間的影響因素，通過理論建模分析，優(yōu)化捕獲系統(tǒng)中的參數(shù)，包括捕獲概率、捕獲不確定區(qū)域，以及捕獲時間等。結合具體使用器件對捕獲系統(tǒng)參數(shù)進行了設計，并通過野外艦船間試驗對其進行測試，實驗結果測試捕獲概率優(yōu)于98%，不確定區(qū)域大小為26mrad，捕獲時間優(yōu)于30s。

艦船激光通信；不確定區(qū)域；捕獲時間；捕獲概率

艦船間常用的通信手段主要有旗語、無線電通信，但上述通信模式經(jīng)常受到距離、頻帶、干擾、保密等限制，在某些情況下不能進行正常通信?？臻g激光通信具有信息容量大、保密性好、抗干擾能力強等特點［1-4］，將成為今后艦船間主要通信方式之一。由于激光通信系統(tǒng)是“點對點”通信，艦船間存在相對運動和姿態(tài)晃動，在通信開始前實現(xiàn)兩個“點”之間的精密對準（即通信視軸捕獲）難度較大。本文重點研究艦船間激光通信視軸捕獲技術。研究視軸指向與掃描原理，對系統(tǒng)捕獲概率、捕獲時間的因素影響進行了詳細分析，建立了以全球定位系統(tǒng)（GPS）［5-8］、慣性導航器件（INS）為核心組成的艦船間激光通信系統(tǒng)視軸捕獲原理與捕獲模型［9-13］；結合具體實際參數(shù)對艦載激光通信系統(tǒng)的不確定區(qū)域、捕獲概率、捕獲時間等關鍵捕獲參數(shù)進行了分析；在實際艦船間開展激光通信演示實驗，對捕獲系統(tǒng)的性能指標進行了驗證。

1 艦船間激光通信捕獲系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)組成

艦船間激光通信系統(tǒng)捕獲前，需已知艦船的當前位置、姿態(tài)等參數(shù)。在捕獲系統(tǒng)設計時以GPS與INS為核心器件，對實時輸出的艦船位置、姿態(tài)參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理，獲得視軸初始指向的方位角與俯仰角。因此，捕獲系統(tǒng)的基本組成包括GPS、INS、轉臺、光學天線計算機系統(tǒng)、射頻電臺等，其組成關系如圖1所示：

圖1 視軸捕獲系統(tǒng)組成原理框圖

圖1中雙天線GPS/INS組合系統(tǒng)能夠提供動態(tài)、靜態(tài)環(huán)境時的艦船位置、姿態(tài)、速度等參數(shù)。在捕獲開始前需要通過PDL數(shù)傳電臺雙方互傳位置信息，一旦己方接收到對方發(fā)送的位置信息，再結合INS提供的姿態(tài)（航向角、俯仰角、橫滾角），可以解算出己方視軸指向對方需要從零位開始旋轉的方位角與俯仰角，驅動兩軸四框架轉臺帶動光學天線指向不確定區(qū)域（FOU），最終通過天線掃描即可實現(xiàn)雙方視軸互相捕獲。

1.2 視軸指向原理

視軸指向核心是解算雙方視軸互指的方位角與俯仰角，可通過四元代數(shù)理論或坐標轉換矩陣進行建模實現(xiàn)。坐標矩陣理論相對較成熟，根據(jù)艦船激光通信系統(tǒng)特點，需要用到WGS-84坐標系、北東天坐標系、載體坐標系、視軸坐標系，其過程如圖2所示。

圖2 載艦終端系統(tǒng)旋轉角解算過程

WGS-84坐標通過GPS系統(tǒng)獲得，主要獲得艦船的瞬時位置坐標，由于艦船運動及GPS系統(tǒng)特點，其數(shù)據(jù)更新率在5Hz即可，由WGS-84坐標轉換到北東天坐標需要已知實時經(jīng)緯度、高程值。由地理坐標轉換到載體坐標需要已知瞬時艦船姿態(tài)三個值，通過INS系統(tǒng)獲得；由載體坐標到視軸坐標需要已知兩個坐標系三軸之間夾角，可在系統(tǒng)安裝時通過測量儀器獲得。

1.3 視軸掃描原理

視軸掃描模式有多種，有凝視模式、凝視/掃描模式、掃描/掃描模式等，具體掃描方式又分為光柵矩形掃描、螺旋掃描、矩形螺旋掃描、玫瑰形掃描等。每種模式和方法都有各自的特點和應用場合，對于艦船激光通信系統(tǒng)，由于信標光光束的束散角大于其捕獲不確定區(qū)域，故采用凝視/掃描模式；同時矩形螺旋掃描方式結合了光柵矩形掃描和螺旋掃描方式的優(yōu)點，能夠實現(xiàn)從高到低的概率掃描，且較容易實現(xiàn)，也更容易設計掃描區(qū)域、增量和重疊等而成為艦船間激光通信系統(tǒng)的首選掃描方式。

2 捕獲概率與捕獲時間

2.1 捕獲概率

捕獲概率模型可描述為：

式中，Parea為與不確定區(qū)域大小有關的因素，Pdet為對信標的探測概率，Pred為兩個臨近掃描區(qū)域的重復系數(shù)。從上式可以看出，捕獲概率由三方面的因素決定。

（1）視場捕獲概率的確定與捕獲不確定區(qū)域大小、視軸旋轉角概率密度函數(shù)有關，初始開環(huán)偏差在俯仰和方位的均值為零，并在兩個方向上獨立分布的高斯隨機變量。設高斯分布在俯仰和方位兩個方向上的標準方差分別為σv和σh，并二者相等，即σv=σh=σ0，則可以得到下式：

江大亮跟吉平平做完愛后，不知怎么了的，滿腦子都是肖點點的影子，總也驅趕不走，越不想她，肖點點的影子越清淅。

式中，θv為俯仰角偏差，θh為方位角偏差，F(xiàn)OU為不確定區(qū)域大小。上式可簡化成在幅度上的瑞利分布，極角為1/2π的均勻分布，在極坐標內用積分方式可表示為：

影響σ0的主要因素有：視軸校準誤差、艦船位置誤差、艦船姿態(tài)角誤差、轉臺執(zhí)行誤差，平臺振動抑制殘差等。

（2）艦船PAT粗跟蹤系統(tǒng)使用面陣CCD作為捕獲器件對信標光進行捕獲。CCD的噪聲是影響捕獲的主要因素，其噪聲主要包括暗電流噪聲、熱噪聲、背景噪聲、散彈噪聲和讀出噪聲等。從噪聲中探測信號主要受到探測概率與虛警率的影響。其中，虛警率定義為噪聲電流大于設定閾值電流在噪聲電流概率密度下的區(qū)域，可表示為：

式中，erfc(x)是互補誤差函數(shù)，In為CCD的探測器均方噪聲電流，It為閾值電流。當信號出現(xiàn)時，被檢測概率pd定義為在信號峰值的瞬間接近于信號加噪聲超過閾值It的幾率：

由上式可以獲得特定探測概率Pd所需要的峰值信號對均方根噪聲之比Is/In，圖3給出兩種信號關系。其中虛線是噪聲的概率密度分布，實線部分則是信號與噪聲疊加后的概率密度分布。當取不同幅度的閾值（對應不同信噪比）作為判定有無目標的準則時，其虛警率pe（圖中網(wǎng)格部分）和探測率Pd（圖中斜線部分）相應發(fā)生變化。

圖3 探測率、虛警率與信噪比閾值

為滿足獲取最大探測率和最小的虛警率，當探測率大于99%，虛警率小于1%時，可以求得最小信噪比要求為5，綜合考慮不確定等因素影響，根據(jù)經(jīng)驗可以將艦船激光通信中對粗信標探測時的信噪比設為6或7，則可以滿足要求。

（3）根據(jù)經(jīng)驗重復系數(shù)一般可設為10%～20%，可滿足艦船天線掃描覆蓋99%以上的不確定區(qū)域。本系統(tǒng)取15%。

2.2 捕獲時間

捕獲時間主要由三個因素決定，一是系統(tǒng)初始預熱時間，二是伺服轉臺初始旋轉時間，三是掃描時間。

（1）系統(tǒng)初始預熱時間主要是GPS，INS等位置和姿態(tài)傳感器上電到正常工作時間，此時間較固定，一般優(yōu)于10s，當信息終斷后重新開始正常工作所需要時間更短（由于GPS系統(tǒng)中預存星歷信息），一般優(yōu)于5s。

（2）伺服轉臺初始旋轉時間：按最大旋轉角度φ和旋轉角速度ω進行估算，初始選擇時間為：

（3）掃描時間：動態(tài)激光通信系統(tǒng)采用凝視/掃描模式，在這種模式下，發(fā)射終端信標光束散角可以覆蓋不確定區(qū)域，接收端只需掃描不確定區(qū)域大小即可。捕獲時間取決于不確定區(qū)域所張的角度與接收視場角的比值和在每個掃描點所停留的時間。此種方法的捕獲時間為：

式中，θunc為不確定區(qū)域；θfov為接收視場角；Tdwell為發(fā)射端駐留時間；Nt為發(fā)送端掃描區(qū)域數(shù)（本系統(tǒng)Nt=1）。ε=(1-k)2，k為重復系數(shù)。

3 實例分析

3.1 靜態(tài)標校

載艦系統(tǒng)安裝前需要進行靜態(tài)標校，標校是完成載體坐標系三個坐標軸與GPS/INS系統(tǒng)的坐標系三個軸平行，且GPS主天線盡量靠近載體坐標系原點。具體方法如下：INS系統(tǒng)將兩軸四框架轉臺調平，以GPS主天線為圓心建立北東天坐標系，GPS系統(tǒng)可以測量出基線的方位角。在遠場設置已知光源點，使光源點成像在接收CCD視場中心，應用兩點間距離公式可以求出視軸的方位角，將上述兩個方位角做差，控制粗跟蹤轉臺旋轉角為此差值，完成標校。此方法的標校精度是由GPS/INS姿態(tài)角測量精度、平臺轉向誤差及坐標已知點與天線視軸的距離共同決定的。

3.2 不確定區(qū)域大小及其影響誤差

載艦終端器件選擇及其各個部分精度：GPS系統(tǒng)位置精度10～15m；GPS/INS組合系統(tǒng)，定向精度2mrad（基線長3m）、橫滾俯仰精度1mrad；轉臺轉動執(zhí)行誤差（指向精度）0.5mrad（1σ）；坐標已知固定點距離光端機平臺L＝10km；振動殘差100urad（1σ），粗信標光接收視場角為20mrad。表1給出計算后的各個誤差值大小。

表1 各個誤差值大小，均為1σ

上述誤差均為隨機誤差，所以總誤差為4.3mrad，由公式（4）可知，相應不確定區(qū)域大小為總誤差的6倍，即25.8mrad，取26mrad。上述總誤差及不確定區(qū)域大小的確定與GPS/INS的定位定姿精度密切相關，提高器件的精度，相應的總精度提高，不確定區(qū)域大小降低。

3.3 捕獲時間

（1）系統(tǒng)初始化時間為10s；（2）視軸方位旋轉角范圍為±178°，俯仰為-5°～95°，角轉速為15°/s，相應初始旋轉時間最大為18s；（3）經(jīng)計算掃描時使用2× 2掃描矩陣，掃描時間為1.6s。所以總捕獲時間為30s。如在實際工作時，兩個通信天線時實時的指向不確定區(qū)域的，在嚴格的時間統(tǒng)一下開始天線掃描，則捕獲時間較短。

3.4 實驗測試

根據(jù)上述艦船間激光通信系統(tǒng)視軸捕獲系統(tǒng)組成及算法原理建立了實際的視軸捕獲系統(tǒng)，并在兩個艦船間開展了激光通信系統(tǒng)演示實驗。實驗過程如下列圖所示。

圖4 艦船間激光通信演示實驗

圖5 艦船間激光通信實驗路線

在激光通信演示實驗進行的同時，對視軸捕獲系統(tǒng)性能進行了驗證，結果表明整個捕獲系統(tǒng)的原理算法是正確的，完成了既定的捕獲功能，系統(tǒng)整體捕獲概率達到98%以上，捕獲時間優(yōu)于30s，與系統(tǒng)設計指標相符合。

4 結論

本文對艦船間激光通信系統(tǒng)視軸捕獲技術作了詳細研究，包括系統(tǒng)組成、工作原理等。對影響捕獲概率和捕獲時間的因素進行了相應分析，著重分析了捕獲不確定區(qū)域、接收端信噪比大小、掃描模式等對捕獲概率與時間的影響。通過實例確定載艦系統(tǒng)不確定區(qū)域大小為26mrad，對應捕獲概率優(yōu)于98%，捕獲時間為30s。同時針對艦船平臺的特點提出了一種簡單可行的視軸標校方法，標校精度為3mrad。根據(jù)設計時選用的GPS、INS器件參數(shù)及轉臺參數(shù)等對艦船間激光通信系統(tǒng)的捕獲性能參數(shù)進行了分析，并在實際艦船通信實驗對性能參數(shù)進行了驗證，結果表明設計參數(shù)與實驗結果達到了很好的符合。系統(tǒng)實現(xiàn)視軸高概率、快速的捕獲要求，為艦船間激光通信捕獲系統(tǒng)順利進行提供了保障。

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Antenna Capturing Technology for Inter-shipborne Laser Communication System

SONG Yansong1，ZHAO Xin1，DONG Keyan1，CHANG Shuai1，DONG Yan2
（1.Institute of Space Optoelectronic Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Space laser communication has gradually become a new means communication between ships，but catch problem is one of the largest difficulties of laser communication between ships.This paper expounds the characteristics of laser communication between ships captured，analyzed the composition of laser communication between ships capture system，the working principle and capture strategy，and focuses on the acquisition probability and the influence factors of capture time，through the theoretical modeling analysis and optimization of capturing the parameters in the system including the capture probability，capture the uncertain area，as well as the capture time and so on.Combined with the specific use of devices to capture system parameters for the design，and through the field test to validate its between ships，the result of the experiment test acquisition probability is better than 98%，uncertain area size 26mrad，capture time is better than that of 30s.

inter-shipborne laser communication；area of uncertainty；acquisition probability；acquisition time

TN929.1

A

1672-9870（2016）06-0016-04

2016-09-11

長春理工大學青年科學基金項目（XQNJJ-2013-22）

宋延嵩（1983-），男，博士，助理研究員，E-mail：songyansong2006@126.com