舰船间激光通信系统视轴捕获技术

宋延嵩，赵馨，董科研，常帅，董岩

（1.长春理工大学空间光电技术研究所，长春 130022；2.长春理工大学电子信息工程学院，长春 130022）

舰船间激光通信系统视轴捕获技术

宋延嵩1，赵馨1，董科研1，常帅1，董岩2

（1.长春理工大学空间光电技术研究所，长春 130022；2.长春理工大学电子信息工程学院，长春 130022）

空间激光通信逐渐成为舰船间通信新型手段，但捕跟问题是舰船间激光通信最大的难点，阐述了舰船间激光通信捕获特点，分析了舰船间激光通信捕获系统的组成、工作原理和捕获策略，并着重研究捕获概率和捕获时间的影响因素，通过理论建模分析，优化捕获系统中的参数，包括捕获概率、捕获不确定区域，以及捕获时间等。结合具体使用器件对捕获系统参数进行了设计，并通过野外舰船间试验对其进行测试，实验结果测试捕获概率优于98%，不确定区域大小为26mrad，捕获时间优于30s。

舰船激光通信；不确定区域；捕获时间；捕获概率

舰船间常用的通信手段主要有旗语、无线电通信，但上述通信模式经常受到距离、频带、干扰、保密等限制，在某些情况下不能进行正常通信。空间激光通信具有信息容量大、保密性好、抗干扰能力强等特点［1-4］，将成为今后舰船间主要通信方式之一。由于激光通信系统是“点对点”通信，舰船间存在相对运动和姿态晃动，在通信开始前实现两个“点”之间的精密对准（即通信视轴捕获）难度较大。本文重点研究舰船间激光通信视轴捕获技术。研究视轴指向与扫描原理，对系统捕获概率、捕获时间的因素影响进行了详细分析，建立了以全球定位系统（GPS）［5-8］、惯性导航器件（INS）为核心组成的舰船间激光通信系统视轴捕获原理与捕获模型［9-13］；结合具体实际参数对舰载激光通信系统的不确定区域、捕获概率、捕获时间等关键捕获参数进行了分析；在实际舰船间开展激光通信演示实验，对捕获系统的性能指标进行了验证。

1 舰船间激光通信捕获系统模型

1.1 系统组成

舰船间激光通信系统捕获前，需已知舰船的当前位置、姿态等参数。在捕获系统设计时以GPS与INS为核心器件，对实时输出的舰船位置、姿态参数进行数据处理，获得视轴初始指向的方位角与俯仰角。因此，捕获系统的基本组成包括GPS、INS、转台、光学天线计算机系统、射频电台等，其组成关系如图1所示：

图1 视轴捕获系统组成原理框图

图1中双天线GPS/INS组合系统能够提供动态、静态环境时的舰船位置、姿态、速度等参数。在捕获开始前需要通过PDL数传电台双方互传位置信息，一旦己方接收到对方发送的位置信息，再结合INS提供的姿态（航向角、俯仰角、横滚角），可以解算出己方视轴指向对方需要从零位开始旋转的方位角与俯仰角，驱动两轴四框架转台带动光学天线指向不确定区域（FOU），最终通过天线扫描即可实现双方视轴互相捕获。

1.2 视轴指向原理

视轴指向核心是解算双方视轴互指的方位角与俯仰角，可通过四元代数理论或坐标转换矩阵进行建模实现。坐标矩阵理论相对较成熟，根据舰船激光通信系统特点，需要用到WGS-84坐标系、北东天坐标系、载体坐标系、视轴坐标系，其过程如图2所示。

图2 载舰终端系统旋转角解算过程

WGS-84坐标通过GPS系统获得，主要获得舰船的瞬时位置坐标，由于舰船运动及GPS系统特点，其数据更新率在5Hz即可，由WGS-84坐标转换到北东天坐标需要已知实时经纬度、高程值。由地理坐标转换到载体坐标需要已知瞬时舰船姿态三个值，通过INS系统获得；由载体坐标到视轴坐标需要已知两个坐标系三轴之间夹角，可在系统安装时通过测量仪器获得。

1.3 视轴扫描原理

视轴扫描模式有多种，有凝视模式、凝视/扫描模式、扫描/扫描模式等，具体扫描方式又分为光栅矩形扫描、螺旋扫描、矩形螺旋扫描、玫瑰形扫描等。每种模式和方法都有各自的特点和应用场合，对于舰船激光通信系统，由于信标光光束的束散角大于其捕获不确定区域，故采用凝视/扫描模式；同时矩形螺旋扫描方式结合了光栅矩形扫描和螺旋扫描方式的优点，能够实现从高到低的概率扫描，且较容易实现，也更容易设计扫描区域、增量和重叠等而成为舰船间激光通信系统的首选扫描方式。

2 捕获概率与捕获时间

2.1 捕获概率

捕获概率模型可描述为：

式中，Parea为与不确定区域大小有关的因素，Pdet为对信标的探测概率，Pred为两个临近扫描区域的重复系数。从上式可以看出，捕获概率由三方面的因素决定。

（1）视场捕获概率的确定与捕获不确定区域大小、视轴旋转角概率密度函数有关，初始开环偏差在俯仰和方位的均值为零，并在两个方向上独立分布的高斯随机变量。设高斯分布在俯仰和方位两个方向上的标准方差分别为σv和σh，并二者相等，即σv=σh=σ0，则可以得到下式：

江大亮跟吉平平做完爱后，不知怎么了的，满脑子都是肖点点的影子，总也驱赶不走，越不想她，肖点点的影子越清淅。

式中，θv为俯仰角偏差，θh为方位角偏差，FOU为不确定区域大小。上式可简化成在幅度上的瑞利分布，极角为1/2π的均匀分布，在极坐标内用积分方式可表示为：

影响σ0的主要因素有：视轴校准误差、舰船位置误差、舰船姿态角误差、转台执行误差，平台振动抑制残差等。

（2）舰船PAT粗跟踪系统使用面阵CCD作为捕获器件对信标光进行捕获。CCD的噪声是影响捕获的主要因素，其噪声主要包括暗电流噪声、热噪声、背景噪声、散弹噪声和读出噪声等。从噪声中探测信号主要受到探测概率与虚警率的影响。其中，虚警率定义为噪声电流大于设定阈值电流在噪声电流概率密度下的区域，可表示为：

式中，erfc(x)是互补误差函数，In为CCD的探测器均方噪声电流，It为阈值电流。当信号出现时，被检测概率pd定义为在信号峰值的瞬间接近于信号加噪声超过阈值It的几率：

由上式可以获得特定探测概率Pd所需要的峰值信号对均方根噪声之比Is/In，图3给出两种信号关系。其中虚线是噪声的概率密度分布，实线部分则是信号与噪声叠加后的概率密度分布。当取不同幅度的阈值（对应不同信噪比）作为判定有无目标的准则时，其虚警率pe（图中网格部分）和探测率Pd（图中斜线部分）相应发生变化。

图3 探测率、虚警率与信噪比阈值

为满足获取最大探测率和最小的虚警率，当探测率大于99%，虚警率小于1%时，可以求得最小信噪比要求为5，综合考虑不确定等因素影响，根据经验可以将舰船激光通信中对粗信标探测时的信噪比设为6或7，则可以满足要求。

（3）根据经验重复系数一般可设为10%～20%，可满足舰船天线扫描覆盖99%以上的不确定区域。本系统取15%。

2.2 捕获时间

捕获时间主要由三个因素决定，一是系统初始预热时间，二是伺服转台初始旋转时间，三是扫描时间。

（1）系统初始预热时间主要是GPS，INS等位置和姿态传感器上电到正常工作时间，此时间较固定，一般优于10s，当信息终断后重新开始正常工作所需要时间更短（由于GPS系统中预存星历信息），一般优于5s。

（2）伺服转台初始旋转时间：按最大旋转角度φ和旋转角速度ω进行估算，初始选择时间为：

（3）扫描时间：动态激光通信系统采用凝视/扫描模式，在这种模式下，发射终端信标光束散角可以覆盖不确定区域，接收端只需扫描不确定区域大小即可。捕获时间取决于不确定区域所张的角度与接收视场角的比值和在每个扫描点所停留的时间。此种方法的捕获时间为：

式中，θunc为不确定区域；θfov为接收视场角；Tdwell为发射端驻留时间；Nt为发送端扫描区域数（本系统Nt=1）。ε=(1-k)2，k为重复系数。

3 实例分析

3.1 静态标校

载舰系统安装前需要进行静态标校，标校是完成载体坐标系三个坐标轴与GPS/INS系统的坐标系三个轴平行，且GPS主天线尽量靠近载体坐标系原点。具体方法如下：INS系统将两轴四框架转台调平，以GPS主天线为圆心建立北东天坐标系，GPS系统可以测量出基线的方位角。在远场设置已知光源点，使光源点成像在接收CCD视场中心，应用两点间距离公式可以求出视轴的方位角，将上述两个方位角做差，控制粗跟踪转台旋转角为此差值，完成标校。此方法的标校精度是由GPS/INS姿态角测量精度、平台转向误差及坐标已知点与天线视轴的距离共同决定的。

3.2 不确定区域大小及其影响误差

载舰终端器件选择及其各个部分精度：GPS系统位置精度10～15m；GPS/INS组合系统，定向精度2mrad（基线长3m）、横滚俯仰精度1mrad；转台转动执行误差（指向精度）0.5mrad（1σ）；坐标已知固定点距离光端机平台L＝10km；振动残差100urad（1σ），粗信标光接收视场角为20mrad。表1给出计算后的各个误差值大小。

表1 各个误差值大小，均为1σ

上述误差均为随机误差，所以总误差为4.3mrad，由公式（4）可知，相应不确定区域大小为总误差的6倍，即25.8mrad，取26mrad。上述总误差及不确定区域大小的确定与GPS/INS的定位定姿精度密切相关，提高器件的精度，相应的总精度提高，不确定区域大小降低。

3.3 捕获时间

（1）系统初始化时间为10s；（2）视轴方位旋转角范围为±178°，俯仰为-5°～95°，角转速为15°/s，相应初始旋转时间最大为18s；（3）经计算扫描时使用2× 2扫描矩阵，扫描时间为1.6s。所以总捕获时间为30s。如在实际工作时，两个通信天线时实时的指向不确定区域的，在严格的时间统一下开始天线扫描，则捕获时间较短。

3.4 实验测试

根据上述舰船间激光通信系统视轴捕获系统组成及算法原理建立了实际的视轴捕获系统，并在两个舰船间开展了激光通信系统演示实验。实验过程如下列图所示。

图4 舰船间激光通信演示实验

图5 舰船间激光通信实验路线

在激光通信演示实验进行的同时，对视轴捕获系统性能进行了验证，结果表明整个捕获系统的原理算法是正确的，完成了既定的捕获功能，系统整体捕获概率达到98%以上，捕获时间优于30s，与系统设计指标相符合。

4 结论

本文对舰船间激光通信系统视轴捕获技术作了详细研究，包括系统组成、工作原理等。对影响捕获概率和捕获时间的因素进行了相应分析，着重分析了捕获不确定区域、接收端信噪比大小、扫描模式等对捕获概率与时间的影响。通过实例确定载舰系统不确定区域大小为26mrad，对应捕获概率优于98%，捕获时间为30s。同时针对舰船平台的特点提出了一种简单可行的视轴标校方法，标校精度为3mrad。根据设计时选用的GPS、INS器件参数及转台参数等对舰船间激光通信系统的捕获性能参数进行了分析，并在实际舰船通信实验对性能参数进行了验证，结果表明设计参数与实验结果达到了很好的符合。系统实现视轴高概率、快速的捕获要求，为舰船间激光通信捕获系统顺利进行提供了保障。

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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

长春理工大学青年科学基金项目（XQNJJ-2013-22）

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