朱廷華， 曹 陽(yáng)， 江金群， 葉 鈞， 馬志豪， 孫鈺伶

(重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶 400054)

基于GPS的無(wú)線激光通信終端間快速指向系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

朱廷華， 曹 陽(yáng)， 江金群， 葉 鈞， 馬志豪， 孫鈺伶

(重慶理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，重慶400054)

為減少無(wú)線激光通信的捕獲對(duì)準(zhǔn)時(shí)間，快速建立激光通信鏈路，將全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)應(yīng)用于無(wú)線激光通信的初始指向。激光通信終端雙方接收GPS位置信息并發(fā)送至對(duì)端，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣對(duì)GPS位置信息解算得到方位及俯仰角；依據(jù)解算得到的角度和自身姿態(tài)信息，進(jìn)一步計(jì)算出需調(diào)整的旋轉(zhuǎn)誤差角度；通過控制二維轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)具有一定精度的快速指向。外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：GPS輔助指向系統(tǒng)通過控制轉(zhuǎn)臺(tái)指向誤差在4.05°范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線激光通信鏈路的快速捕獲和對(duì)準(zhǔn)，且具有較高的精度，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性與實(shí)用性。

無(wú)線激光通信； 全球定位系統(tǒng)； 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換； 捕獲對(duì)準(zhǔn)

0 引 言

無(wú)線激光通信設(shè)備是指一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)全雙工的無(wú)線傳輸設(shè)備，以激光作為信息載體，以空氣作為傳輸媒介，又叫自由空間光(free space optical，F(xiàn)SO)通信或無(wú)線光通信,具有高帶寬、無(wú)需頻譜許可、保密性好等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域中最有潛力的通信方式之一[1,2]。但在FSO系統(tǒng)中，由于存在通信雙方的距離，激光束窄、發(fā)散角小，加之背景光源的干擾，大氣衰減嚴(yán)重，大氣信道隨機(jī)性強(qiáng)等因素，延長(zhǎng)了激光通信鏈路建立的時(shí)間[3，4]。精準(zhǔn)、快速的終端捕獲、跟蹤和對(duì)準(zhǔn)(acquiring,pointing,tracking,APT)技術(shù)是通信鏈路建立及保持的關(guān)鍵。

無(wú)線激光通信終端間為建立激光信號(hào)鏈路，需要雙方先發(fā)射信標(biāo)光，再進(jìn)行指向、捕獲和跟蹤，通常由于無(wú)線激光通信終端的空間位置未知，因此，需要對(duì)信標(biāo)光進(jìn)行掃描，時(shí)間成本較大。目前，相關(guān)文獻(xiàn)的捕獲時(shí)間的優(yōu)化掃描算法僅適用于小范圍的不確定區(qū)域，本文分析了全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)應(yīng)用于無(wú)線激光通信初始指向的原理，給出了GPS輔助指向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和誤差控制方法，較大地壓縮了通信鏈路建立的時(shí)間。

1 GPS坐標(biāo)解算原理

由GPS獲取的激光終端所在的位置信息，通過變換坐標(biāo)系、計(jì)算相對(duì)位置坐標(biāo)，得到光學(xué)天線所需要調(diào)整的方位角和俯仰角，大幅減小捕獲不確定區(qū)域，縮短了激光捕獲掃描時(shí)間。

1)大地坐標(biāo)與空間直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

利用GPS獲取的基于寬帶全球衛(wèi)星通信(wide-band global satellite,WGS)—84坐標(biāo)系下的經(jīng)度、緯度、高程值轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)值，即由大地坐標(biāo)(B,L,H)與空間直角坐標(biāo)(X,Y,Z)之間轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換[5]

(1)

圖1 大地坐標(biāo)系到空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

以O(shè)為地心，空間中兩點(diǎn)P和Q的GPS坐標(biāo)分別為P(B0,L0,H0)和Q(B1,L1,H1),根據(jù)式(1)可分別計(jì)算出點(diǎn)P和Q對(duì)應(yīng)的地心空間直角坐標(biāo)(X0,Y0,Z0)和(X1,Y1,Z1)[6]。

2)WGS—84坐標(biāo)與北東天坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

寬帶全球衛(wèi)星通信WGS—84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到北東天坐標(biāo)，以測(cè)站點(diǎn)P為原點(diǎn)，根據(jù)GPS測(cè)出的經(jīng)緯度和高程值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，WGS—84坐標(biāo)與北東天坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換矩陣為[6]

(2)

則PQ在北東天坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

(3)

即通過式(4)將通信終端Q的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成以P為坐標(biāo)原點(diǎn)的平臺(tái)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)

(4)

設(shè)通信平臺(tái)坐標(biāo)系與參心坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸之間的夾角分別是通信平臺(tái)的橫滾角α、俯仰角β和航向角γ。根據(jù)式(5)可以將Q的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成以P為坐標(biāo)原點(diǎn)的參心坐標(biāo)系下的坐標(biāo)

(5)

水平方向和俯仰方向上的指向角可由式(6)計(jì)算

(6)

規(guī)定方位角MYmoveyaw以真北方向?yàn)榛鶞?zhǔn)零點(diǎn)，順時(shí)針為正，范圍(-180°～180°)；俯仰角MYmovepitch以水平面為基準(zhǔn)零點(diǎn)，向上為正，范圍(-90°～90°)。

2 基于GPS的輔助指向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于GPS輔助指向是實(shí)現(xiàn)無(wú)線激光通信鏈路快速建立的基礎(chǔ)，在激光通信開始前，需要將激光通信天線視軸引入到粗跟蹤的視場(chǎng)，以便完成激光通信終端間的捕獲和精確對(duì)準(zhǔn)[7]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括GPS接收模塊、無(wú)線通信模塊、姿態(tài)傳感器[8]、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及核心控制器STM32。

圖2 GPS輔助指向系統(tǒng)組成

A,B兩端的指向工作原理相同，其中以A端指向?yàn)槔?，其工作過程如下：

1)根據(jù)GPS接收模塊，A,B兩端可確定自身的空間位置坐標(biāo)；

2)通過433 MHz無(wú)線通信模塊(通信距離大于5 km),B端將自身的GPS空間位置坐標(biāo)傳輸給A端；

3)根據(jù)式(1)～式(6)，A端的STM32主控器解算得到方位角和俯仰角的指向值；

4)A端的STM32主控器輸出PWM信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而使二維轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度[9]到粗跟蹤視場(chǎng)。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

如圖3，將A,B激光通信終端置于二軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，B端的激光通信天線上安裝CCD鏡頭，并與其激光通信天線同軸；A端的激光通信天線上安裝氦氖激光器，并與其激光通信天線同軸。為保證捕獲信光標(biāo)的可行性，采用寬視場(chǎng)的CCD鏡頭，其焦距為30 mm，視場(chǎng)約為160 mrad 120 mrad，垂直方向上1 pixel對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)約為234.4 μrad，水平方向上1 pixel對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)約為274.9 μrad。

測(cè)試原理和方案如下：1)測(cè)試初始條件，A端的空間位置固定，A端天線視軸指南位置隨機(jī)化，而B端的空間位置隨機(jī)，并將其視軸指向A端；2)測(cè)試開始后，A,B端進(jìn)行無(wú)線通信，A端完成GPS的輔助指向；3)指向完成后，已知CCD的1 pixel對(duì)應(yīng)方位和俯仰角大小，根據(jù)B端CCD接收的信標(biāo)光偏離視場(chǎng)中心的像素值，可確定指向的誤差大小或精度。

圖3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

外場(chǎng)實(shí)驗(yàn):A端位于重慶理工大學(xué)汽車科技館四樓(固定點(diǎn))，在B端重慶理工大學(xué)第一實(shí)驗(yàn)樓D棟5樓設(shè)置5個(gè)目標(biāo)點(diǎn)(動(dòng)態(tài)點(diǎn))。在B端選取5點(diǎn)，各點(diǎn)GPS坐標(biāo)如表1所示。針對(duì)B端以上5個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)為指向目標(biāo)，根據(jù)GPS坐標(biāo)解算出A點(diǎn)與各點(diǎn)間的指向角，由于A端激光通信終端初始p空間位置確定，B端的空間位置不同，造成指向誤差角度調(diào)整值及捕獲時(shí)間不同。

表1 B端不同點(diǎn)的GPS位置實(shí)測(cè)坐標(biāo)

為了對(duì)該指向系統(tǒng)的精度誤差進(jìn)行準(zhǔn)確分析，多次測(cè)試了轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的方位角和俯仰角的角度值與實(shí)際值之間的指向誤差，取其中一段數(shù)據(jù)為例，可得到方位角和俯仰角的指向誤差,如圖4(a)可以看出：方位角指向誤差范圍在(-3.1°,3.1°)之間波動(dòng)；圖4(b)可以看出：俯仰角指向誤差范圍在(-2.6°,2.6°)之間。 數(shù)據(jù)結(jié)果表明：指向系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，通信終端相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位置與姿態(tài)改變時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)視軸的實(shí)時(shí)指向，具有較高的指向精度。

圖4 指向誤差

由圖5(a)可知，方位角的調(diào)整角度在(-180°,180°)范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)臺(tái)在正、負(fù)方向上旋轉(zhuǎn)相同角度時(shí)需要的時(shí)間基本相同，且轉(zhuǎn)臺(tái)的指向時(shí)間隨著調(diào)整角度的增大也相應(yīng)增加，方位角調(diào)整角度為180°時(shí)的指向時(shí)間最長(zhǎng)為6.9 s。由圖5(b)可知，俯仰角的調(diào)整角度在(-90°,90°)范圍，隨著調(diào)整角度增大其指向時(shí)間均勻增加，且俯仰角調(diào)整角度為90°時(shí)指向時(shí)間最長(zhǎng)為4.2 s。通過對(duì)以上數(shù)據(jù)分析可知，該指向系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)通信終端視軸的快速指向。

圖5 指向時(shí)間

4 結(jié) 論

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DesignoffastpointingsystembetweenwirelesslasercommunicationterminalsbasedonGPS*

ZHU Ting-hua, CAO Yang, JIANG Jin-qun, YE Jun, MA Zhi-hao, SUN Yu-ling

(SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China)

In order to reduce acquisition and alignment time of wireless laser communication,fastly build laser communication link,global positioning system(GPS) technology is applied in initial pointing of wireless laser communication.Azimuth angle and pitch angles is obtained by calculating GPS positional information with coordinate transform matrix after laser communication terminal both receive GPS positional information and send to opposite terminal,calculate rotation error angle needed to adjust according to the calculated angles and the attitude information.By controlling rotation of two-dimensional turntable to realize fast pointing with certain precision.Outfeild experimental result have comfirms that GPS-aided pointing system by controlling the turntable error within 4.05°can realize fast acquisition of wireless laser communication links and alignment and has high precision,and validity and practicability of this system is verified.

wireless laser communication; global positioning system(GPS); coordinate transformation;acquisition and alignment

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0084—03

TN 929

A

1000—9787(2017)12—0084—03

2017—10—25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61205106)；博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014MM552329)

朱廷華(1997-)，男，本科，專業(yè)方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。