飞机间激光通信捕获过程中动态补偿算法研究

赵义武，娄岩，韩成，姜会林，佟首峰

（长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林长春130022）

飞机间激光通信捕获过程中动态补偿算法研究

赵义武，娄岩，韩成，姜会林，佟首峰

（长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林长春130022）

为有效地消除飞机间相对速度对捕获性能的影响，从阐明相对速度对捕获过程的影响机理入手，根据测量得到飞机平台的运动和振动数据，推导出动态补偿公式，提出了基于动态补偿的空间激光通信捕获算法，并对捕获算法的性能进行了对比分析。结果表明：相对速度严重影响捕获统计覆盖率；为了满足捕获统计覆盖率的要求，采用普通的捕获算法所需要的最大捕获时间和平均捕获时间明显增加；基于动态补偿的捕获算法能大大改善捕获系统的性能，提高捕获概率，减少捕获时间。

通信技术；空间激光通信；捕获不确定区域；捕获时间；捕获概率

0　引言

自由空间激光通信具有信息容量大、传输速率高、信道隐蔽性好、抗干扰能力强、电子对抗能力强、系统功耗低、体积小、质量轻、相对性价比高等一系列优点［1-4］，是传统的射频和微波通信的重要补充。同时，在通信性能和应用领域方面都有新的扩展，适应现代军事和商业通信技术发展的趋势和要求，在军用与民用领域都得到广泛重视。对准、捕获、跟踪系统是自由空间激光通信系统的重要组成部分，也是进行激光通信的前提和保证。由于飞机平台具有强振动和强扰动特性，同时还受到较大的相对速度、强天空背景光和大气信道等因素的影响，所以，对准、捕获、跟踪技术成为飞机间空间激光通信系统中最复杂、最困难的技术之一［5］。

对于飞机间空间激光通信系统，由于两个搭载平台的位置和姿态都不确定，需要对飞机的位置和姿态进行实时测量和解算。但是，由于测量设备的精度有限，导致两飞机进行初始指向误差较大，进而捕获不确定区域较大［6］。为了捕获信标光光斑，必须采用适当的方法对捕获不确定区域进行扫描。关于空间激光通信捕获技术，赵雪等采用了GPS/INS组合导航系统来完成静态水平链路无线激光通信初始捕获的对准定位［7］；左韬等提出了基于GPS坐标解算实现星地激光通信初始捕获的方法［8］；王利辉等针对卫星激光通信过程中初始捕获产生的相对运动偏移误差，建立了星间激光通信的相对运动补偿模型［9］。由于飞机平台的运动特性，在进行复合光栅螺旋扫描时，两飞机间的相对运动速度是影响捕获系统性能的一个主要因素。文献［6］和文献［10］对飞机与卫星间相对速度对激光通信捕获性能的影响及抑制算法进行了分析和介绍，但对补偿算法的描述比较简单，没有给出根据测量工具得到的数据进行补偿的详细方法。

本文针对飞机间激光通信，分析了相对速度对捕获系统的影响，给出了详细的补偿算法，并对补偿算法的性能进行了仿真分析。

1　相对速度对捕获过程的影响

在两飞机进行空间激光通信的过程中，执行开环捕获的飞机，其位置和姿态不断变化，为此需要通过角度传感器实时获取通信平台的姿态数据，以补偿平台姿态变化对捕获性能的影响，并通过设置相邻扫描区域间的重叠区进一步提高捕获性能。此外，平台位置的变化将改变捕获不确定区域的位置，为此，需要增大捕获不确定区域。在系统参数不变的情况下，捕获不确定区域的增大会导致捕获时间的增加，而捕获时间的增加又会降低系统的捕获概率。为了减少捕获时间，提高捕获概率，可以增大接收视场角和信标光的束散角，但这会使通信终端的设计难度增加，并带来其他问题。在不改变通信终端其他参数的前提下，可以通过分析两个平台间相对速度与扫描路径的关系，调整原有的扫描路径，使整个扫描区域朝着相对速度矢量方向偏移。

由于两架飞机间进行空间激光通信链路相对较短，导致相对运动角速率较大，进而每秒由相对速度引起的视轴偏差较大，这大大增加了捕获不确定区域，降低了捕获概率。为改善捕获系统的性能，在扫描捕获的过程中进行复合光栅螺旋扫描时，需要采用动态补偿方法，实时调整扫描捕获路径。

2　基于动态补偿的捕获算法

根据文献［11］可以计算运动通信终端的初始指向角度。设第1终端在对应的第1载体坐标系中的坐标为A=（0，0，0）T.根据（1）式可以计算第1终端和第2终端在第1载体坐标系中的速度，式中A1如（2）式所示，其中α1、β1、γ1分别为第1终端在东北天坐标系下的横滚角、俯仰角和航向角。由于第1载体坐标系的x轴方向为第1终端前进方向的右方，y轴方向为第1终端的前进方向，z轴方向与x轴和y轴垂直且构成右手系，所以第1终端在第1载体坐标系中的速度为

式中：e、n、u分别表示东向、北向和天向。

为了计算第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度，将第1终端和第2终端当前空间位置垂直投影到第1载体坐标系的Oxy面上，投影点分别为O=A=（0，0）T和B1=（x12，y12）T，连接此二投影点得到一个平面矢量a1，规定当a1为0时，即第2终端在第1载体坐标系中的当前位置在z轴上时，第1终端在水平方向的补偿从x轴正向开始，如图1所示。

将第1终端和第2终端分别运动1 s后的空间位置垂直投影到第1载体坐标系的Oxy面上，投影点分别为，连接此二投影点得到另一个平面矢量a2，规定当a2为0时，即第2终端在第1载体坐标系中运动1 s后的位置在过第1终端运动1 s后的位置并与z轴平行的直线上时，第1终端在水平方向补偿到x轴正向结束。计算矢量a1和a2的夹角，得到第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度值如（3）式所示。

图1　水平方向补偿角度值示意图Fig.1 Compensation angle in horizontal direction

如果a1不为0且a2为0，那么a1与x轴正向的夹角如（5）式所示。当大于0时，第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度方向为顺时针方向。当小于0时，第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度方向为逆时针方向。当为0时，第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度为0°或180°.

如果a1和a2都不为0，那么将第1终端当前指向第2终端的方向平行移动到第1终端运动1 s后的位置，得到如（6）式所示的直线。

下面分两种情况进行讨论。

1）（6）式表示的直线斜率大于或等于0.

如果B1在第1象限，即都大于或等于0，且不同时为0，那么将第2终端运动1 s后的位置B0在第1载体坐标系的Oxy面上的垂直投影点B2代入（6）式。若f1（B2）大于0，那么第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度方向为逆时针方向。若f1（B2）小于0，那么第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度方向为顺时针方向。若f1（B2）等于0，那么第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度为0°或180°.

如果B1在第3象限，即都小于或等于0，且不同时为0，那么将第2终端运动1 s后的位置在第1载体坐标系的Oxy面上的垂直投影点B2代入（6）式。若f1（B2）大于0，那么第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度方向为顺时针方向。若f1（B2）小于0，那么第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度方向为逆时针方向。若f1（B2）等于0，那么第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度为0°或180°.

2）（6）式表示的直线斜率小于0.

如果B1在第2象限，即小于0且大于0，那么将B2代入（6）式中。若f1（B2）大于0，那么第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度方向为顺时针方向。若f1（B2）小于0，那么第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度方向为逆时针方向。若f1（B2）等于0，那么第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度为0°或180°.

如果B1在第4象限，即大于0且小于0，那么将B2代入（6）式。若f1（B2）大于0，那么第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度方向为逆时针方向。若f1（B2）小于0，那么第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度方向为顺时针方向。若f1（B2）等于0，那么第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度为0°或180°.

图2　水平方向补偿角度方向示意图Fig.2 Direction of compensation angle in horizontal direction

综合以上情况，如图2所示，做如（7）式所示的直线，将B2代入（7）式。若f（B2）大于0，那么第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度方向为逆时针方向。若f（B2）小于0，那么第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度方向为顺时针方向。若f（B2）等于0，那么第1终端在水平方向每秒需要补偿的角度为0°或180°.

对于第1终端在俯仰方向每秒需要补偿的角度值及其方向，如图3所示。将第1终端和第2终端当前空间位置A和B垂直投影到第1载体坐标系的Oxy面上，投影点分别为A=（0，0，0）T和，连接此二投影点，得到空间矢量b1.

图3　在俯仰方向补偿角度值和方向示意图Fig.3 Value and direction of compensation angle in pitch direction

计算第1终端和第2终端当前空间位置的连线矢量AB与矢量b1的夹角θ1.若b1不为0时，θ1如（8）式所示。若b1为0，则当大于0时θ1为90°，当小于0时θ1为-90°.

将第1终端和第2终端分别运动1 s后的空间位置A0和B0垂直投影到第1载体坐标系的Oxy面上，连接此二投影点，得到空间矢量b2.计算第1终端和第2终端分别运动1 s后的空间位置A0和B0的连线矢量A0B0与矢量b2的夹角θ2.若b2不为0， θ2如（9）式所示。若b2为0，则当大于0时 θ2为90°，当小于0时θ2为-90°.

根据相同的原理和方法可以计算第2终端在水平和俯仰方向每秒需要补偿的角度值及其方向。

3　基于动态补偿的捕获算法性能分析

捕获概率和捕获时间是空间激光通信捕获系统的两个主要性能指标。下面对基于动态补偿的捕获算法的捕获概率和捕获时间进行分析。

在空间激光通信系统进行捕获过程中，由于两个通信终端的相对速度引起视轴的移动，导致捕获不确定区域的变化。根据捕获概率和统计捕获覆盖率之间的关系［6］可知，相对速度主要影响捕获统计覆盖率。为此，本文只分析相对速度对捕获统计覆盖率的影响。在飞机间激光通信系统中，如果不考虑相对速度的影响，设两个通信终端完成初始对准后，在水平和俯仰方向上，初始对准误差的标准差分别为4 mrad和1 mrad.在此基础上，根据文献［6］可知，通信终端的捕获不确定区域为25 mrad时，一个通信终端的捕获统计覆盖率优于99.5%，所以两个通信终端总的捕获统计覆盖率优于99%.

对于空间激光通信系统，捕获时间可以分为最大捕获时间和平均捕获时间。为了计算捕获时间，假设重叠系数为0.15，接收视场角为10 mrad，根据文献［6］可知，通信终端完全覆盖一次捕获不确定区域共需要9步。假设完全覆盖一次捕获不确定区域的时间为4 s，那么两个通信终端进行光栅螺旋扫描的最大捕获时间约为36 s.不考虑相对速度的影响，根据文献［6］将捕获不确定区域分成9个子区域，平均捕获时间约为12 s.

如果考虑搭载平台的相对速度对捕获系统性能的影响，根据野外通信试验获得的通信平台的数据，计算得到在水平方向和俯仰方向每秒需要补偿的角度分别为1.4 mrad和0.3 mrad.忽略俯仰方向上的补偿角度，如果按照最大捕获时间为36 s计算，捕获不确定区域要增加50.4 mrad，在这种条件下，捕获不确定区域如果仍然为25 mrad，那么，通信终端的捕获统计覆盖率将小于70%.要满足一个通信终端的捕获统计覆盖率优于99.5%，捕获不确定区域应约为75 mrad，在这种条件下，最大捕获时间为312 s.如果按照平均捕获时间12 s计算，捕获不确定区域要增加16.8 mrad，在这种条件下，捕获不确定区域如果仍然为25 mrad，那么，通信终端的捕获统计覆盖率将小于90%.要满足一个通信终端的捕获统计覆盖率优于99.5%，捕获不确定区域应约为42 mrad，在这种条件下，平均捕获时间约为104 s.

综合以上情况，为了满足一个通信终端的捕获统计覆盖率优于99.5%，不采用补偿算法和采用补偿算法的性能对比如表1所示。

如果采用基于动态补偿的捕获算法，根据计算得到的补偿角度，实时调整扫描路径，捕获不确定区域的大小几乎没有变化，只是根据相对速度进行移动，因此，最大捕获时间和平均捕获时间基本不变。

表1　不采用和采用补偿算法的性能对比表Tab.1 Performance comparison with and without compensation algorithm

4　结论

对于飞机间空间激光通信系统，为了进行快速高概率的捕获，必须消除平台间相对速度对捕获系统的影响。基于动态补偿的捕获算法，根据测量得到的飞机平台的运动和振动数据，计算在水平方向和俯仰方向每秒需要补偿的角度值和方向。通过对比分析可知，基于动态补偿的捕获算法可以大大改善捕获系统的性能，提高捕获统计覆盖率，减少最大捕获时间和平均捕获时间。

本文提出的动态补偿方法，不仅适用于飞机间激光通信捕获过程，还可以推广应用到任意两个互相可视的运动终端间激光通信捕获过程中，例如卫星对卫星、卫星对飞机、卫星对地面（海面）平台、飞机对地面（海面）平台间激光通信。

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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

国家自然科学基金项目（91338116）

赵义武（1973—），男，副教授。E-mail：719731551@qq.com；娄岩（1981—），女，讲师。E-mail：louyan2008@126.com