自由空间激光通信系统SILEX的瞄准、捕获、跟踪子系统...doc

自由空间激光通信系统SILEX的瞄准、捕获、跟踪子系统
Toni Tolker Nielsen, European Space Agency
关键词:瞄准,捕获,跟踪,自由空间光通信,空间瞄准机制,精瞄转向镜,D跟踪,高精度瞄准,多体动力学相互影响,微振动。
摘要
欧洲半导体激光器星间链路实验(SILEX, the European Semiconductor laser Intersatellite Link EXperiment)的飞行硬件目前正在进行集成,对实验水平的评估在1994年已经进行,子系统水平的评估正在进行。本论文讲述了设计要求、工程设计和PAT(Pointing Acquisition Tracking)子系统测试。概括描述如下:任务回顾,系统跟踪和瞄准策略,终端设计,PAT子系统要求,PAT装配设计,PAT子系统设计和地面验证途径。
1:SILEX任务
SILEX是ESA(European Space Agency)以MMS(F)作为首席承包商进行的一项任务。SILEX项目的目标是为星间链路建立一个激光通信系统并进行试验。一个终端是1997年发射的位于欧洲地球同步轨道远程通信卫星ARTEMIS(Advanced Relay TEchnology MISsio)上的部分有效载荷,ARTEMIS是ESA以ALENJA SPAZIO(I)作为首席承包商进行的一项任务。配套终端于1997年随法国低轨观测卫星SPOT4发射升空。ES以MMS(F)作为首席承包商进行的一项任务。
在轨实验主要是用两个SILEX终端进行,并被放置于低轨,欧洲的光学地面战(OGS)被放置于Canary岛,但是实验链路同样被于1998年发射的日本星间光通信工程实验卫星(OICETS)确立。
两个SILEX终端将允许通过ARTEMIS以50Mbit/s实时传递SPOT4图片。
图一 SILEX任务方案
2:SILEX终端结构
在早期设计中,为了使得设备研发费用最小化,LEO和GEO终端之间的公共交换被看作是重要因素。因此两个终端在设想上用相同的设备从而极其相似。
跟踪和瞄准策略
在宿主平台抖动干扰下,通过对来自于对面终端的入射光进行弧度测量作为瞄准精度的参考获得了接近1μrad的极高瞄准精度,从而两个终端在通信中形成协同的闭合回路跟踪。
与被跟踪终端所在地一致的跟踪角是当光发射时,然而与被瞄准终端所在地一致的理想的瞄准方向是光要到达的时候,换言之,考虑到参考所谓的瞄准前向角的跟踪,瞄准角必须被抵消(由于相对横向卫星速度和有限的光速)。
捕获策略
在终端进行相互闭合回路跟踪之前,链路必须被确定。姿势导致的误差,连同飞船和终端间结构上的错误排列,比通信光束高出几个量级。因此在星历表上打开回路情况下瞄准通信光束和获得一个点亮对面终端的可接受概率是不可能的。事实上,即使高频抖动,宿主平台上的机械扰动导致的所谓的视线微振动,在开环中并不影响瞄准通信光束。因此,在GEO终端中一束信标光补充进来。
通过在与一束可达到的有限功率合作的配套终端进行可检测限制,信标光束发散角被限制在750μrad。不确定的圆锥是8000μrad,因此有必要用信标光系统性地扫描不确定的圆锥以确定LEO终端被点亮。一旦LEO终端通过信标光束被点亮,它一定检测来光的方向,修订它的视线,开始对GEO终端跟踪和发射LEO通信光束。当GEO检测到来自于LEO终端的通信光束时,它必须停止扫描,修正视线,开始对LEO终端跟踪和发射通信光束。两个终端便在相互封闭环内跟踪。其次应重点注意此策略基于带有信标光束的LEO终端的连续点亮,直到被GEO远程光束代替。
终端设计
设计是基于常平架光学装配,即,全部光学装配被安装在一个安装在两轴常平架上的承载结构的移动部分,所谓的粗瞄装配。LEO终端有一个半球式的瞄准范围,然而由于典型的LEO卫星覆盖,GEO终端被限制在±10º。
光学装配由望远镜和在精确控制的温度环境中地壳均衡地装配在一个高度稳定地光学工作台的包含所有必要的探测器、执行机构、传输机构的光学头组成。
在承载结构的移动部分同样装配着必须在光学头附近如敏感器和执行电子器件或如温度控制器件这样带有高电缆数量的电子器件的电子盒
直接装配在飞船上的电子盒在常平台连接处通过电缆甲胄和电缆外套与移动部分连接。
,即直径8mm、。
根据应用光线路径,光学头的功能会受到破坏,一些作用于通信光束,一些作用于跟瞄功能:捕获路径、跟踪路径、发射路径、接收路径和信标路径。
,这使得另一个同时在接受和发射光