激光星間鏈路快速捕獲技術(shù)綜述

林益明 程竟爽 何善寶 王海紅

(1 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

激光星間鏈路(以下簡稱激光鏈路)具有精密測距與高速數(shù)傳能力等特點，已成功應(yīng)用于遙感衛(wèi)星與中繼衛(wèi)星以及中繼衛(wèi)星之間的信息傳輸[1-2]。隨著我國導(dǎo)航衛(wèi)星全球組網(wǎng)的深入開展，激光鏈路將成為未來導(dǎo)航星座構(gòu)建星間鏈路物理層的優(yōu)選方式[3-4]。導(dǎo)航星座激光鏈路對建鏈時間要求很嚴(yán)(如采用時分體制的星間鏈路方案分配給單一鏈路的時隙小于10 s[5])，目前尚無應(yīng)用于導(dǎo)航星座激光鏈路的快速捕獲技術(shù)；而已有的激光鏈路捕獲技術(shù)所需的捕獲時間長達(dá)數(shù)十秒到上百秒[6-7]，難以滿足快速捕獲要求。因此，有必要在對現(xiàn)有激光鏈路捕獲技術(shù)進(jìn)行調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，研究適合導(dǎo)航星座激光鏈路的快速捕獲技術(shù)。

激光鏈路的建立過程一般分為初始指向、捕獲與跟蹤3個階段[8]，而其快速捕獲的實現(xiàn)依賴于初始指向階段激光星間終端(以下簡稱激光終端)的高精度指向和捕獲階段激光鏈路的快速掃描捕獲。要提高激光終端的初始指向精度，就需要建立合理的激光終端指向誤差模型，并采用合適的在軌標(biāo)定方法對模型參數(shù)做出準(zhǔn)確估計；要縮短激光鏈路的掃描捕獲時間，就需要優(yōu)化掃描捕獲過程的相關(guān)參數(shù)，并針對中斷恢復(fù)等特殊工況研究快速重捕獲方法。

本文首先介紹激光終端的組成、工作原理及激光鏈路的建立流程，然后分別從激光終端指向誤差分析與建模、激光終端指向誤差在軌標(biāo)定、激光鏈路掃描捕獲參數(shù)優(yōu)化以及激光鏈路中斷恢復(fù)重捕獲4個方面對國內(nèi)外激光星間鏈路快速捕獲技術(shù)進(jìn)行綜述，最后結(jié)合導(dǎo)航星座星間鏈路的特點提出研究建議，以促進(jìn)激光鏈路快速捕獲技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為我國導(dǎo)航星座激光星間鏈路快速捕獲的工程實現(xiàn)提供參考。

1 激光終端組成與工作原理

目前，激光終端按照其工作原理的不同可分為機(jī)械式激光終端和非機(jī)械式終端兩類，其中機(jī)械式終端已成功在軌應(yīng)用，而非機(jī)械式終端則處于地面研制階段，尚未在軌應(yīng)用，本文著重介紹機(jī)械式終端。典型機(jī)械式激光終端的組成如圖1所示[9]。

激光終端的信標(biāo)光路包括接收與發(fā)射光路兩部分。其中，接收光路一般由布置在光學(xué)平臺上的望遠(yuǎn)鏡、粗指向機(jī)構(gòu)平面反射鏡、精指向機(jī)構(gòu)快速反射鏡及光學(xué)中繼元件、圖像傳感器等元件及其光路部分構(gòu)成，而發(fā)射光路一般由信標(biāo)光源、預(yù)指向機(jī)構(gòu)快速反射鏡、光路中繼元件、精指向機(jī)構(gòu)快速反射鏡、望遠(yuǎn)鏡和粗指向機(jī)構(gòu)平面反射鏡等元件及其光路部分構(gòu)成，其中信標(biāo)光源位置與激光終端具體設(shè)計相關(guān)。激光終端控制電路控制各指向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，使得入射光沿接收光路傳輸并在圖像傳感器上成像，而出射光則沿發(fā)射光路傳輸并指向特定位置。

激光終端之間建立激光鏈路時，采用的捕獲模式有凝視/凝視、掃描/凝視、掃描/掃描等模式，其中以掃描/凝視模式最為常見。參考?xì)W洲航天局(ESA)半導(dǎo)體激光星間鏈路實驗(SILEX)項目中歐洲通信衛(wèi)星阿蒂米斯(ARTEMIS)與法國近地軌道對地觀測衛(wèi)星斯波特-4(SPOT-4)激光星間鏈路的建立過程[6]，激光終端之間采用掃描/凝視模式建立鏈路的典型捕獲時序如圖2所示。

圖1 機(jī)械式激光終端組成Fig.1 Configuration of mechanical laser communications terminal

圖2 基于凝視/掃描模式的激光終端捕獲時序Fig.2 Acquisition timeline for laser terminals based on stare/scan mode

2 激光終端高精度初始指向

激光終端初始指向是指激光終端根據(jù)雙方所處平臺的軌道和姿態(tài)信息，驅(qū)動自身指向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，使得自身視軸能夠指向?qū)Ψ轿恢肹6,8]。激光終端指向誤差則是指激光終端自身的視軸指向向量(真實指向)與視線向量(期望指向)之間的誤差。激光終端的高精度初始指向是實現(xiàn)激光星間鏈路快速捕獲的前提。實現(xiàn)高精度初始指向的主要手段之一是在對激光終端指向誤差的影響因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立激光終端指向誤差模型，通過在軌標(biāo)定估計模型參數(shù)，進(jìn)而修正激光終端指向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動角度，提高激光終端的初始指向精度。

2.1 指向誤差分析與建模

激光終端初始指向誤差一般由激光終端所在衛(wèi)星平臺的姿態(tài)與軌道誤差、終端與平臺間的安裝與振動誤差、終端自身指向誤差等部分組成。其中，與星敏感器[10-11]、對地觀測相機(jī)[12-13]等被動成像系統(tǒng)不同，激光終端自身指向誤差的影響因素除包含終端軸系誤差、內(nèi)部元件安裝及力與熱形變誤差、傳感器測量誤差以外，還包括終端控制系統(tǒng)誤差、終端指向機(jī)構(gòu)執(zhí)行誤差、終端收發(fā)光軸一致性誤差等多種因素。因此，需要研究激光終端的物理運(yùn)行機(jī)理或進(jìn)行系統(tǒng)辨識，明確激光終端的指向誤差與各誤差因素之間的關(guān)系，從而建立適合激光終端的指向誤差模型。

與地面望遠(yuǎn)鏡[14]、光電跟蹤系統(tǒng)[15]等類似，激光終端指向誤差建模方法一般包括分項修正法和球諧函數(shù)法兩類。基于分項修正法的建模過程包括：

(1)依據(jù)終端物理機(jī)制，將激光終端表述為一個包括平臺、基座、方位與俯仰軸系的多體系統(tǒng)，建立各體及相應(yīng)光學(xué)元件的局部坐標(biāo)系。

(2)利用射線追蹤法和坐標(biāo)變換關(guān)系，建立終端輸入輸出光向量之間的關(guān)系，有

(1)

(3)在此基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)中各因素對指向誤差的影響，表示為各局部坐標(biāo)系之間額外的誤差變換矩陣，得到激光終端最終指向誤差與終端轉(zhuǎn)動角度之間的關(guān)系，建立指向誤差模型。將各誤差因素的變換矩陣代入式(1)，有

(2)

基于球諧函數(shù)法的建模過程則是依據(jù)歷史數(shù)據(jù)，利用包含若干階次球諧函數(shù)的多項式對球面上的任意指向誤差函數(shù)進(jìn)行擬合。與球諧函數(shù)法相比，利用分項修正法建立的模型中各參數(shù)具有明確的物理意義，模型的穩(wěn)定性較好，因而該方法在激光終端指向誤差建模中較為常用。

2009年，美國Aerospace公司Fields等人針對德國X頻段陸地合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星(TerraSAR-X)與美國近場紅外實驗衛(wèi)星(NFIRE)之間開展的激光通信試驗中，NFIRE上搭載的激光終端建立了該終端的指向誤差模型[16]。對該模型參數(shù)估計后修正終端指向誤差，使得該終端的不確定區(qū)域由2000 μrad下降到200 μrad左右。上述模型考慮了終端軸系誤差、內(nèi)部光學(xué)元件安裝誤差、圖像傳感器測量誤差等收發(fā)共用光路中的部分誤差因素對指向誤差的影響，但未涉及激光光源、預(yù)指向機(jī)構(gòu)安裝誤差等預(yù)指向光路部分誤差及收發(fā)光路一致性誤差的影響。國內(nèi)部分學(xué)者也針對激光終端指向誤差建模進(jìn)行了研究。2012-2017年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的于思源等人對潛望式激光終端中影響指向誤差的機(jī)械軸系誤差、終端發(fā)射光路元件安裝誤差及粗指向機(jī)構(gòu)定位角誤差等誤差因素進(jìn)行了分析，建立了包含上述誤差因素的終端指向誤差模型[17-20]，并應(yīng)用于星地激光鏈路的終端指向誤差修正上[19-20]，使得終端出射光束瞄準(zhǔn)角度由8000 μrad縮小到800 μrad以內(nèi)，星地鏈路平均捕獲時間由40 s減小到5 s以內(nèi)。另外，長春理工大學(xué)的趙馨等人也針對空間激光鏈路建立了包含外部安裝誤差的指向誤差模型[21]。

綜上，基于分項修正法建立的參數(shù)模型是描述激光終端指向誤差的主要模型，建模時主要考慮的誤差因素包括終端軸系誤差、內(nèi)部光學(xué)元件安裝誤差、圖像傳感器測量誤差等收發(fā)共用光路中的部分誤差因素，但存在未考慮發(fā)射光路的自有誤差，這導(dǎo)致模型考慮的誤差因素還不夠全面，且誤差項對非線性誤差因素影響的描述不夠準(zhǔn)確，使得最終修正后初始指向的精度提升有限。因此，需建立誤差因素更加全面，對非線性誤差因素影響描述更為準(zhǔn)確的終端指向誤差模型。應(yīng)考慮在原有指向誤差模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮收發(fā)光路一致性誤差、發(fā)射光路誤差等誤差因素的影響，增加相應(yīng)的誤差項；同時引入半?yún)?shù)模型[15]、誤差相似度理論[22]描述非線性誤差、未參數(shù)化建模誤差等誤差因素的影響。

2.2 指向誤差在軌標(biāo)定

激光終端指向誤差在軌標(biāo)定是指通過一定的實驗手段獲取激光終端指向誤差在軌觀測數(shù)據(jù)，利用參數(shù)估計方法獲取指向誤差模型各參數(shù)的有效值。由于激光終端在發(fā)射段及在軌運(yùn)行段所經(jīng)歷的環(huán)境，導(dǎo)致指向誤差模型各項參數(shù)偏離地面標(biāo)定初始值，為了獲取各項參數(shù)的變化，需要在地面標(biāo)定的基礎(chǔ)上利用在軌觀測數(shù)據(jù)對各項參數(shù)進(jìn)行再標(biāo)定[23]。

在軌標(biāo)定時觀測方程的一般形式有

Y=F(Θ)+E

(3)

式中：Y為在軌觀測數(shù)據(jù)，E為觀測噪聲。該觀測方程的線性化形式為

Y=AΘ+E

(4)

式中：A為指向誤差模型線性化后的觀測矩陣。

根據(jù)在軌標(biāo)定時參考信標(biāo)光源的不同，在軌觀測數(shù)據(jù)的獲取方法主要有對地觀測法[6,19]、恒星觀測法[6-7,20]、鏈路觀測法[16]及終端自檢法[24]等。不同在軌觀測數(shù)據(jù)獲取方法的特點見表1。

表1 不同在軌觀測數(shù)據(jù)獲取方法的特點比較

標(biāo)定過程中，在軌觀測數(shù)據(jù)反映的指向誤差的可觀測性影響了參數(shù)估計結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了提高指向誤差的可觀測性，一般需要設(shè)計合理的誤差激勵軌跡。通過優(yōu)化設(shè)計單一激勵軌跡以同時激勵多項誤差或設(shè)計多條激勵軌跡，每條軌跡只激勵指向誤差因素集合的部分子集[25]。一般采用航天器載體機(jī)動[23,26-27]的方式實現(xiàn)激勵軌跡，但該方式需要改變載體姿態(tài)，占用其正常工作時間，實際工程上較少采用，如美德合作的地球重力場反演和氣候?qū)嶒炐l(wèi)星(GRACE)在軌運(yùn)行期間，僅進(jìn)行了一次以K頻段測距系統(tǒng)(KBR)標(biāo)定為目的的航天器載體機(jī)動過程[28]。

獲取在軌觀測數(shù)據(jù)后，需要利用一定的參數(shù)估計方法對激光終端指向誤差模型參數(shù)進(jìn)行估計。目前，對于非時變或變化緩慢的參數(shù)，其參數(shù)估計方法主要是最小二乘(類)法及其改進(jìn)算法，而時變參數(shù)的估計方法主要是利用卡爾曼濾波算法及其擴(kuò)展算法，如擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)和無跡濾波(UF)等。上述參數(shù)估計方法在傳感器標(biāo)定[29-32]中得到廣泛應(yīng)用。

可以看出，目前存在多種激光終端在軌觀測數(shù)據(jù)獲取方式，但沒有一種方式能夠獲取全面反映各項指向誤差的在軌觀測數(shù)據(jù)；一般通過載體機(jī)動實現(xiàn)指向誤差的誤差激勵以改善可觀測性；激光鏈路終端指向誤差模型中不同誤差參數(shù)的變化規(guī)律不盡相同，每種參數(shù)估計方法也各有其特點。因此，需要結(jié)合不同數(shù)據(jù)獲取方式的特點提出一種能夠全面反映各項指向誤差且與實際工況接近的在軌觀測數(shù)據(jù)的獲取方法，充分利用終端自身指向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)無需載體機(jī)動的誤差激勵。另外，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同誤差參數(shù)的變化規(guī)律和數(shù)據(jù)處理的實時性需求，選取適宜的批處理或?qū)崟r參數(shù)估計方法。

3 激光鏈路快速掃描捕獲

激光星間鏈路的掃描捕獲是指鏈路終端完成初始指向后，采取一定的掃描捕獲算法，在捕獲不確定區(qū)域內(nèi)搜索對方終端，直至對方終端進(jìn)入本方捕獲視場，并被本方終端有效識別。捕獲時間長短是衡量掃描捕獲優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。激光終端快速掃描捕獲的研究工作包括掃描捕獲過程的參數(shù)優(yōu)化，以及鏈路中斷恢復(fù)過程的重捕獲等。

3.1 掃描捕獲參數(shù)優(yōu)化

激光星間鏈路快速掃描捕獲的參數(shù)優(yōu)化就是針對特定的捕獲不確定區(qū)域，在優(yōu)選捕獲模式、掃描方式、波束形狀特性、信號響應(yīng)方式的基礎(chǔ)上，優(yōu)化波束角、掃描范圍、掃描間距、掃描點滯留時間、重疊系數(shù)及掃描場次等參數(shù)，以實現(xiàn)給定捕獲概率要求下捕獲時間最短的目標(biāo)。

1983年，美國麻省理工大學(xué)林肯實驗室的Hove等人提出多探測器條件下的并行照射和串行照射兩種捕獲模式，但未分析掃描方式與參數(shù)設(shè)置[33]。2000年，以色列Ben-Gurion大學(xué)的Scheinfeild等人提出了應(yīng)用于衛(wèi)星激光通信的4種捕獲模式[34]，即：凝視/凝視模式、凝視/掃描模式、掃描/凝視模式及掃描/掃描模式，并在文獻(xiàn)[35]中進(jìn)一步比較分析了螺旋式掃描、光柵掃描、李薩如圖形掃描及玫瑰形掃描等掃描方式的特點，但未優(yōu)化不同掃描方式下的各項掃描參數(shù)。2002-2005年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)于思源等建立了星間激光通信中單場捕獲的理論模型[36]，分析了凝視/掃描模式、圓形高斯光束、螺旋式掃描方式下掃描范圍、掃描間距等掃描參數(shù)設(shè)置對捕獲時間的影響，并針對終端指向不確定區(qū)域為非對稱區(qū)域的情況優(yōu)選了掃描方式[37]。2009年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳興林等提出有效覆蓋因子概念以表征單個光束投影的覆蓋率，并優(yōu)化了掃描間距、重疊系數(shù)等參數(shù)[38]。2011-2012年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)李鑫針對不同終端信號響應(yīng)方式進(jìn)一步優(yōu)化了掃描捕獲參數(shù)[39]，并針對無信標(biāo)多場捕獲掃描問題優(yōu)化了掃描范圍與掃描場次等參數(shù)，實現(xiàn)了平均總捕獲時間最短的目標(biāo)[40]。

需要指出的是，文獻(xiàn)[36-40]的優(yōu)化工作均是在指向誤差服從均值為零的高斯分布的假設(shè)下開展的，尚未對指向誤差服從其他分布的工況優(yōu)化。而事實上，鏈路終端中指向的系統(tǒng)誤差不可避免，零均值只是一種理想狀況。因此，為了使優(yōu)化更加貼近實際情況，需要針對指向誤差服從非零均值分布的情況開展優(yōu)化工作，優(yōu)化相應(yīng)的掃描捕獲參數(shù)。

3.2 中斷恢復(fù)重捕獲

激光鏈路中斷是指激光終端在經(jīng)歷擾動后捕獲不確定區(qū)域逐漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致對方終端超出本方光束覆蓋范圍(或捕獲視場)而被動中斷。此時，需要通過一定的捕獲方法使得本方恢復(fù)與對方終端鏈路。初始捕獲過程的所用方法沒有充分利用中斷恢復(fù)過程的已知信息，難以滿足更加苛刻的捕獲時間要求，需要改進(jìn)捕獲方式或算法，以縮短捕獲時間。目前，激光星間鏈路中斷恢復(fù)重捕獲方法的研究主要集中在兩個方面：一是重捕獲不確定區(qū)域估計算法的改進(jìn)，二是重捕獲掃描捕獲參數(shù)的優(yōu)化。

重捕獲不確定區(qū)域的估計算法，目前主要有濾波估計算法和有限記憶改進(jìn)型濾波估計算法。2003年，美國噴氣推進(jìn)試驗室(JPL)的Lee等針對星地激光鏈路捕獲不穩(wěn)定的問題，提出了利用慣性傳感器數(shù)據(jù)輔助的濾波估計算法[41]，能夠在信標(biāo)光中斷時間小于3 s的工況維持鏈路通信。但該算法需要額外的輔助數(shù)據(jù)，且難以適應(yīng)更長時間的中斷過程。2015年，中國科學(xué)院白帥提出了鏈路短時中斷快速恢復(fù)的有限記憶改進(jìn)型濾波算法[42]，能夠在5 s的無光期后實現(xiàn)1 s的重捕獲。但該算法在鏈路中斷時間較長的情況下效果較差。

在重捕獲掃描捕獲參數(shù)優(yōu)化方面，有關(guān)學(xué)者研究了螺旋掃描方式與“反G形”掃描方式的特點。螺旋掃描方式從鏈路中斷中心點處掃描，重捕獲概率高，但重疊系數(shù)較大，耗費(fèi)時間較長。2014年，德國應(yīng)用空間技術(shù)與微重力中心的Ales等提出了“反G形”的掃描方式，指出“反G形”掃描方式重疊系數(shù)小，適用于重捕獲掃描不確定區(qū)域與波束角相近的工況，但在重捕獲掃描不確定區(qū)域較大時捕獲時間較長[43]。

因此，需要結(jié)合重捕獲可利用信息的特點，研究開發(fā)有效的、適用于長時間鏈路中斷恢復(fù)的重捕獲算法，優(yōu)化重捕獲過程的掃描捕獲參數(shù)。

4 導(dǎo)航星座激光鏈路研究建議

導(dǎo)航星座及其建立的星間鏈路網(wǎng)絡(luò)具有以下特點：

(1)導(dǎo)航衛(wèi)星具備高精度星歷；

(2)與目前試驗的“點對點”鏈路不同，導(dǎo)航星座建立鏈路時，單一衛(wèi)星與多顆衛(wèi)星之間建立“一點對多點”鏈路，形成一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)成激光鏈路網(wǎng)絡(luò)；

(3)星座具有自主導(dǎo)航等特殊工作模式，該模式下，星座依靠存儲星歷信息建立與維持激光鏈路，依靠鏈路測距與時間比對實現(xiàn)星座自主定軌與時間同步。

針對導(dǎo)航星座激光鏈路的上述特點，考慮從以下幾個方面開展激光鏈路快速捕獲技術(shù)研究：

(1)充分利用導(dǎo)航衛(wèi)星的高精度星歷，減小由衛(wèi)星軌道誤差引起的激光終端指向誤差，優(yōu)化初始指向不確定區(qū)域；

(2)針對“一點對多點”鏈路終端的指向誤差模型；目前，已有多種針對“一點對多點”鏈路終端開展設(shè)計的激光終端(如一對多機(jī)械式終端[44-45]、光學(xué)相控陣式終端[46-47])出現(xiàn)，這些終端的結(jié)構(gòu)與工作原理與當(dāng)前的機(jī)械式終端存在較大差異，需要建立針對性指向誤差模型；

(3)適應(yīng)“一點對多點”鏈路的標(biāo)定方法：利用多條激光鏈路共用同一衛(wèi)星平臺的特點，分析不同鏈路終端指向之間的相關(guān)性，同時借鑒多場相機(jī)組標(biāo)定[48]思想，改進(jìn)現(xiàn)有的激光終端標(biāo)定方法；

(4)適應(yīng)多個終端的標(biāo)定體制：在原有單星單一終端在軌標(biāo)定的基礎(chǔ)上，開展基準(zhǔn)星標(biāo)定、整網(wǎng)標(biāo)定等體制的研究，結(jié)合傳感器“多跳標(biāo)定”[49]的思路，實現(xiàn)多個激光終端的快速自主標(biāo)定；

(5)導(dǎo)航星座自主導(dǎo)航期間激光鏈路捕獲技術(shù)：自主導(dǎo)航期間可利用信息降級，可利用標(biāo)定源減少，需要分析可利用信息等級下降后對激光終端指向誤差的影響分析，針對性優(yōu)化掃描捕獲參數(shù)。

5 結(jié)束語

本文通過對國內(nèi)外激光星間鏈路快速捕獲技術(shù)的綜述，提出了導(dǎo)航星座激光鏈路研究建議。未來導(dǎo)航星座激光星間鏈路對快速捕獲技術(shù)提出了苛刻要求。一方面有必要在現(xiàn)有鏈路快速捕獲技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮改善激光終端指向誤差模型，完善指向誤差在軌標(biāo)定方法，優(yōu)化激光鏈路掃描捕獲參數(shù)，并開展激光鏈路重捕獲研究。另一方面，結(jié)合導(dǎo)航星座衛(wèi)星具備精密星歷、多鏈路組網(wǎng)、具備自主導(dǎo)航模式等特點，針對“一點對多點”鏈路的終端指向誤差建模、在軌標(biāo)定方法與體制及自主導(dǎo)航期間的鏈路快速捕獲技術(shù)開展研究。

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