宋延嵩，趙馨，董科研，常帥，董巖

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)空間光電技術(shù)研究所，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

艦船間激光通信系統(tǒng)視軸捕獲技術(shù)

宋延嵩1，趙馨1，董科研1，常帥1，董巖2

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)空間光電技術(shù)研究所，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)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(diǎn)，闡述了艦船間激光通信捕獲特點(diǎn)，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(shí)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(shí)間等。結(jié)合具體使用器件對(duì)捕獲系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過野外艦船間試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)試捕獲概率優(yōu)于98%，不確定區(qū)域大小為26mrad，捕獲時(shí)間優(yōu)于30s。

艦船激光通信；不確定區(qū)域；捕獲時(shí)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(jìn)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(qiáng)等特點(diǎn)［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(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信，艦船間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)晃動(dòng)，在通信開始前實(shí)現(xiàn)兩個(gè)“點(diǎn)”之間的精密對(duì)準(zhǔn)（即通信視軸捕獲）難度較大。本文重點(diǎn)研究艦船間激光通信視軸捕獲技術(shù)。研究視軸指向與掃描原理，對(duì)系統(tǒng)捕獲概率、捕獲時(shí)間的因素影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，建立了以全球定位系統(tǒng)（GPS）［5-8］、慣性導(dǎo)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(jié)合具體實(shí)際參數(shù)對(duì)艦載激光通信系統(tǒng)的不確定區(qū)域、捕獲概率、捕獲時(shí)間等關(guān)鍵捕獲參數(shù)進(jìn)行了分析；在實(shí)際艦船間開展激光通信演示實(shí)驗(yàn)，對(duì)捕獲系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)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(dāng)前位置、姿態(tài)等參數(shù)。在捕獲系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)以GPS與INS為核心器件，對(duì)實(shí)時(shí)輸出的艦船位置、姿態(tài)參數(shù)進(jìn)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(zhuǎn)臺(tái)、光學(xué)天線計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、射頻電臺(tái)等，其組成關(guān)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(dòng)態(tài)、靜態(tài)環(huán)境時(shí)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(tái)雙方互傳位置信息，一旦己方接收到對(duì)方發(fā)送的位置信息，再結(jié)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?qū)Ψ叫枰獜牧阄婚_始旋轉(zhuǎn)的方位角與俯仰角，驅(qū)動(dòng)兩軸四框架轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)光學(xué)天線指向不確定區(qū)域（FOU），最終通過天線掃描即可實(shí)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(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)。坐標(biāo)矩陣?yán)碚撓鄬?duì)較成熟，根據(jù)艦船激光通信系統(tǒng)特點(diǎn)，需要用到WGS-84坐標(biāo)系、北東天坐標(biāo)系、載體坐標(biāo)系、視軸坐標(biāo)系，其過程如圖2所示。

圖2 載艦終端系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)角解算過程

WGS-84坐標(biāo)通過GPS系統(tǒng)獲得，主要獲得艦船的瞬時(shí)位置坐標(biāo)，由于艦船運(yùn)動(dòng)及GPS系統(tǒng)特點(diǎn)，其數(shù)據(jù)更新率在5Hz即可，由WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到北東天坐標(biāo)需要已知實(shí)時(shí)經(jīng)緯度、高程值。由地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到載體坐標(biāo)需要已知瞬時(shí)艦船姿態(tài)三個(gè)值，通過INS系統(tǒng)獲得；由載體坐標(biāo)到視軸坐標(biāo)需要已知兩個(gè)坐標(biāo)系三軸之間夾角，可在系統(tǒng)安裝時(shí)通過測(cè)量?jī)x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(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)于艦船激光通信系統(tǒng)，由于信標(biāo)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(shí)矩形螺旋掃描方式結(jié)合了光柵矩形掃描和螺旋掃描方式的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)從高到低的概率掃描，且較容易實(shí)現(xiàn)，也更容易設(shè)計(jì)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(shí)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(guān)的因素，Pdet為對(duì)信標(biāo)的探測(cè)概率，Pred為兩個(gè)臨近掃描區(qū)域的重復(fù)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(chǎng)捕獲概率的確定與捕獲不確定區(qū)域大小、視軸旋轉(zhuǎn)角概率密度函數(shù)有關(guān)，初始開環(huán)偏差在俯仰和方位的均值為零，并在兩個(gè)方向上獨(dú)立分布的高斯隨機(jī)變量。設(shè)高斯分布在俯仰和方位兩個(gè)方向上的標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)點(diǎn)的影子，總也驅(qū)趕不走，越不想她，肖點(diǎn)點(diǎn)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(jiǎn)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(biāo)內(nèi)用積分方式可表示為：

影響σ0的主要因素有：視軸校準(zhǔn)誤差、艦船位置誤差、艦船姿態(tài)角誤差、轉(zhuǎn)臺(tái)執(zhí)行誤差，平臺(tái)振動(dòng)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(duì)信標(biāo)光進(jìn)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(cè)信號(hào)主要受到探測(cè)概率與虛警率的影響。其中，虛警率定義為噪聲電流大于設(shè)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(bǔ)誤差函數(shù)，In為CCD的探測(cè)器均方噪聲電流，It為閾值電流。當(dāng)信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，被檢測(cè)概率pd定義為在信號(hào)峰值的瞬間接近于信號(hào)加噪聲超過閾值It的幾率：

由上式可以獲得特定探測(cè)概率Pd所需要的峰值信號(hào)對(duì)均方根噪聲之比Is/In，圖3給出兩種信號(hào)關(guān)系。其中虛線是噪聲的概率密度分布，實(shí)線部分則是信號(hào)與噪聲疊加后的概率密度分布。當(dāng)取不同幅度的閾值（對(duì)應(yīng)不同信噪比）作為判定有無目標(biāo)的準(zhǔn)則時(shí)，其虛警率pe（圖中網(wǎng)格部分）和探測(cè)率Pd（圖中斜線部分）相應(yīng)發(fā)生變化。

圖3 探測(cè)率、虛警率與信噪比閾值

為滿足獲取最大探測(cè)率和最小的虛警率，當(dāng)探測(cè)率大于99%，虛警率小于1%時(shí)，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(yàn)可以將艦船激光通信中對(duì)粗信標(biāo)探測(cè)時(shí)的信噪比設(shè)為6或7，則可以滿足要求。

（3）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)重復(fù)系數(shù)一般可設(shè)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(shí)間

捕獲時(shí)間主要由三個(gè)因素決定，一是系統(tǒng)初始預(yù)熱時(shí)間，二是伺服轉(zhuǎn)臺(tái)初始旋轉(zhuǎn)時(shí)間，三是掃描時(shí)間。

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

（2）伺服轉(zhuǎn)臺(tái)初始旋轉(zhuǎn)時(shí)間：按最大旋轉(zhuǎn)角度φ和旋轉(zhuǎn)角速度ω進(jìn)行估算，初始選擇時(shí)間為：

（3）掃描時(shí)間：動(dòng)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(biāo)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(shí)間取決于不確定區(qū)域所張的角度與接收視場(chǎng)角的比值和在每個(gè)掃描點(diǎn)所停留的時(shí)間。此種方法的捕獲時(shí)間為：

式中，θunc為不確定區(qū)域；θfov為接收視場(chǎng)角；Tdwell為發(fā)射端駐留時(shí)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(fù)系數(shù)。

3 實(shí)例分析

3.1 靜態(tài)標(biāo)校

載艦系統(tǒng)安裝前需要進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)校，標(biāo)校是完成載體坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸與GPS/INS系統(tǒng)的坐標(biāo)系三個(gè)軸平行，且GPS主天線盡量靠近載體坐標(biāo)系原點(diǎn)。具體方法如下：INS系統(tǒng)將兩軸四框架轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)平，以GPS主天線為圓心建立北東天坐標(biāo)系，GPS系統(tǒng)可以測(cè)量出基線的方位角。在遠(yuǎn)場(chǎng)設(shè)置已知光源點(diǎn)，使光源點(diǎn)成像在接收CCD視場(chǎng)中心，應(yīng)用兩點(diǎn)間距離公式可以求出視軸的方位角，將上述兩個(gè)方位角做差，控制粗跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角為此差值，完成標(biāo)校。此方法的標(biāo)校精度是由GPS/INS姿態(tài)角測(cè)量精度、平臺(tái)轉(zhuǎn)向誤差及坐標(biāo)已知點(diǎn)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(gè)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(zhǎng)3m）、橫滾俯仰精度1mrad；轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)執(zhí)行誤差（指向精度）0.5mrad（1σ）；坐標(biāo)已知固定點(diǎn)距離光端機(jī)平臺(tái)L＝10km；振動(dòng)殘差100urad（1σ），粗信標(biāo)光接收視場(chǎng)角為20mrad。表1給出計(jì)算后的各個(gè)誤差值大小。

表1 各個(gè)誤差值大小，均為1σ

上述誤差均為隨機(jī)誤差，所以總誤差為4.3mrad，由公式（4）可知，相應(yīng)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(guān)，提高器件的精度，相應(yīng)的總精度提高，不確定區(qū)域大小降低。

3.3 捕獲時(shí)間

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

3.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)際的視軸捕獲系統(tǒng)，并在兩個(gè)艦船間開展了激光通信系統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程如下列圖所示。

圖4 艦船間激光通信演示實(shí)驗(yàn)

圖5 艦船間激光通信實(shí)驗(yàn)路線

在激光通信演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的同時(shí)，對(duì)視軸捕獲系統(tǒng)性能進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明整個(gè)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(dá)到98%以上，捕獲時(shí)間優(yōu)于30s，與系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)相符合。

4 結(jié)論

本文對(duì)艦船間激光通信系統(tǒng)視軸捕獲技術(shù)作了詳細(xì)研究，包括系統(tǒng)組成、工作原理等。對(duì)影響捕獲概率和捕獲時(shí)間的因素進(jìn)行了相應(yīng)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(duì)捕獲概率與時(shí)間的影響。通過實(shí)例確定載艦系統(tǒng)不確定區(qū)域大小為26mrad，對(duì)應(yīng)捕獲概率優(yōu)于98%，捕獲時(shí)間為30s。同時(shí)針對(duì)艦船平臺(tái)的特點(diǎn)提出了一種簡(jiǎn)單可行的視軸標(biāo)校方法，標(biāo)校精度為3mrad。根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)選用的GPS、INS器件參數(shù)及轉(zhuǎn)臺(tái)參數(shù)等對(duì)艦船間激光通信系統(tǒng)的捕獲性能參數(shù)進(jìn)行了分析，并在實(shí)際艦船通信實(shí)驗(yàn)對(duì)性能參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了很好的符合。系統(tǒng)實(shí)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(jìn)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(zhǎng)春理工大學(xué)青年科學(xué)基金項(xiàng)目（XQNJJ-2013-22）

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