專利名稱：衛(wèi)星軌跡光學模擬裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型與激光通信有關，特別是一種衛(wèi)星軌跡光學模擬裝置。該裝置將用于在地面實驗室內(nèi)對衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)進行有關跟瞄參數(shù)的測試和性能驗證與評估等，也可為衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)的研制提供一種新技術實施可能性的實驗分析結(jié)果。
背景技術：
空間光通信技術比射頻無線電技術具有諸多優(yōu)勢以及發(fā)展的巨大潛力，已取得了通信領域眾多專家學者的共識?？臻g光通信技術是指利用激光光束作為信息載體，實現(xiàn)兩個應用空間目標之間的通信。應用空間目標包括同步軌道、中軌道、低軌道等衛(wèi)星或其它航天航空飛行器光學終端。這里所說的軌道是指低軌(500-1500公里，指離地球表面的高度，下同)，中軌(3000-25000公里)和同步軌道(36,000公里)等。目前星間光通信系統(tǒng)是空間光通信技術重點發(fā)展的研究方向之一。歐洲航天署SILEX(半導體激光星間連接實驗)計劃已于2001年11月實現(xiàn)了高軌——低軌衛(wèi)星之間光學數(shù)據(jù)連接，傳輸?shù)膱D像信息非常清晰，這極大地激發(fā)起人們對衛(wèi)星光通信研究的新興趣。
由于星間激光通信系統(tǒng)在飛行在軌測試之前，必須經(jīng)過一個在地面上模擬軌道運行環(huán)境下的參數(shù)測試和驗證階段，因此在地面實驗室內(nèi)，必須具備的一個重要的環(huán)節(jié)是創(chuàng)建一個能夠模擬衛(wèi)星運行軌跡的裝置。該裝置同衛(wèi)星微波通信系統(tǒng)中已有的裝置在功能上有所不同，原因在于光束寬度較窄，在空間實現(xiàn)對準、跟蹤及通信等過程相對較難。因此在目前無直接可利用產(chǎn)品的情況下，重點開展衛(wèi)星光學軌跡模擬新型裝置的研發(fā)工作，是非常重要的，也是必要的，將用于模擬兩顆衛(wèi)星之間光通信中的跟蹤和瞄準過程。
在已有的實現(xiàn)衛(wèi)星軌跡模擬裝置的技術方案中，在先技術(G.Planche，et al.，SILEX final ground testing and in flightperformances assessment.Proc.SPIE Vol.3615，PP64-77)采用由電機直接拖動衛(wèi)星光學通信系統(tǒng)運動的方案，即衛(wèi)星光學通信系統(tǒng)將按已設計好的空間軌跡數(shù)據(jù)來模擬實際的空間運動，用于測試和驗證兩顆衛(wèi)星之間有關的跟瞄特征參數(shù)。該方法可以模擬的衛(wèi)星實際運行狀態(tài)為處于不同軌道的兩顆衛(wèi)星同時繞地球運動，或者其中之一運動，另一顆衛(wèi)星保持相對靜止兩種情況。因此當其中的一個運動著(或靜止)衛(wèi)星上的光學通信系統(tǒng)發(fā)出信標光束，能被另一顆運動著(或靜止)衛(wèi)星上的光學通信系統(tǒng)接收，此時可以完成兩個衛(wèi)星光學通信系統(tǒng)之間的撲獲及跟瞄等參數(shù)測試。由于該方案是直接由電機驅(qū)動衛(wèi)星光學通信系統(tǒng)運動，因此占地面積較大，機械運動多，同時模擬復雜的衛(wèi)星運行軌跡較難。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型要解決的技術問題在于克服上述現(xiàn)有技術的困難，提供一種衛(wèi)星軌跡光學模擬裝置，以實現(xiàn)在地面實驗室內(nèi)對衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)進行有關跟瞄參數(shù)的測試和性能驗證與評估。
本實用新型的基本思想是采用光學器件的方法，即控制雙棱鏡旋轉(zhuǎn)的工作方式，來模擬衛(wèi)星光通信系統(tǒng)信標光束的掃描運動，從而代替兩顆衛(wèi)星之間的相對運動。此方法的核心內(nèi)容是維持兩個待測試的衛(wèi)星光學通信系統(tǒng)不運動，而使衛(wèi)星光通信系統(tǒng)發(fā)出的激光束，通過旋轉(zhuǎn)的雙棱鏡產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，以光束偏轉(zhuǎn)角度的變化來代表兩個待測試的衛(wèi)星光學通信系統(tǒng)在空間中的運動。借助于這個新思路，來模擬兩顆衛(wèi)星光通信系統(tǒng)之間的跟瞄過程。
本實用新型的基本原理是在模擬同步軌道衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星光學通信系統(tǒng)之間的跟瞄和通信過程中，由于低軌衛(wèi)星沿其自身運動軌道上運行，使得同步衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星之間的連線和同步衛(wèi)星與地心連線的夾角也在變化。在上述空間兩顆衛(wèi)星之間可視通信的范圍內(nèi)，設以同步衛(wèi)星與地心的連線為對稱軸，經(jīng)過計算得出，該夾角的變化范圍在±15°之間。
本實用新型裝置采用兩個棱鏡的主截面平行同向放置，并假設兩棱鏡的頂角和尺寸相同。圖1(a)表示兩棱鏡的主截面重合，且兩棱鏡的頂角的方向相同，為同一方向的情況。此時將產(chǎn)生最大的偏向角δ，為兩棱鏡分別所產(chǎn)生的偏向角之和。圖1(b)代表兩棱鏡的相對轉(zhuǎn)角為180°，仍維持兩主截面重合，頂角方向相反的情況。顯然，這時的組合雙棱鏡相當于平行玻璃板，偏向角δ＝0。圖1(c)表示兩棱鏡同圖1(a)比較，同時轉(zhuǎn)動的角度為180°，此時將產(chǎn)生和圖1(a)中方向相反的最大偏向角度(+δ)。
雙棱鏡產(chǎn)生的偏向角可表示為δ=2(n-1)αcos(Φ2)---(1)]]>其中α，Φ分別表示兩棱鏡的頂角和兩棱鏡相對轉(zhuǎn)過的角度，n為兩棱鏡的折射率。由此可見，組合后的雙棱鏡的總偏向角δ決定于棱鏡的折射率、棱鏡頂角及兩個棱鏡的主截面之間的相對角度。
如果要求雙棱鏡系統(tǒng)能夠產(chǎn)生的空間偏轉(zhuǎn)角度范圍在±15°之間，根據(jù)上面公式(1)，可以求出雙棱鏡的頂角值為14°左右(BK玻璃材料)。由于高低軌衛(wèi)星之間連線的角度變化范圍在±15°之間，因此采用上述雙棱鏡的旋轉(zhuǎn)方法，能夠模擬出該角度的變化情況。
本實用新型的具體技術解決方案如下一種用于同步衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星之間跟瞄過程的參數(shù)測試的衛(wèi)星軌跡光學模擬裝置，其特點是該裝置由光學組件、機電系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)三部分組成光學組件，在其光路行進方向上設有棱鏡和棱鏡，所述棱鏡由BK玻璃制成，其頂角為14°，兩棱鏡的主截面平行同向放置在固定部件上；機電系統(tǒng)，由電機組、機械傳動結(jié)構(gòu)、角位移傳感器和伺服電機控制系統(tǒng)組成；所說的電機組包含兩個電機，所說的機械傳動結(jié)構(gòu)包含兩個齒輪組，該固定部件與齒輪組形成被驅(qū)動關系。
計算機控制系統(tǒng)使具有軌道數(shù)據(jù)庫、軌道數(shù)據(jù)處理程序和光學模擬裝置控制程序的計算機控制系統(tǒng)；該計算機控制系統(tǒng)與伺服電機控制系統(tǒng)相連，雙棱鏡置于傳動機構(gòu)之上，雙棱鏡位于專用光學通信系統(tǒng)和被測試光學通信系統(tǒng)的光路中。
所述的伺服電機控制系統(tǒng)分別由差分電路和電機控制電路構(gòu)成。
所述的電機組的一電機與雙棱鏡形成驅(qū)動關系，使雙棱鏡同方向旋轉(zhuǎn)。
所述的電機組的一電機驅(qū)動雙棱鏡統(tǒng)一旋轉(zhuǎn)，另一電機可驅(qū)動雙棱鏡作相對旋轉(zhuǎn)。
所述的衛(wèi)星軌跡光學模擬裝置，還設有第三電機、第三齒輪組、第三固定部件、角位移傳感器和第三伺服電機控制系統(tǒng)，可驅(qū)動雙棱鏡整體地公轉(zhuǎn)，其方向垂直于雙棱鏡自身旋轉(zhuǎn)的方向。
本實用新型裝置的優(yōu)點本實用新型可以用于同步衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星之間跟瞄過程的參數(shù)測試。對于在地面實驗室內(nèi)，如何判斷衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)在實際搭載衛(wèi)星平臺，即在軌測試之前，有關性能指標能否達到設計要求這一關鍵問題，本實用新型裝置將提供一種新的跟瞄參數(shù)的驗證方法。該方案控制結(jié)構(gòu)簡單，實用性強，具有控制精度高、可以產(chǎn)生二維運動軌跡、機械運動較少、占地面積小等特點。而且其設計技術可以通過轉(zhuǎn)化、改進，比較適合于作為衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)設計中采用的一種新的粗跟瞄結(jié)構(gòu)，因此對未來的衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)的總體設計也將產(chǎn)生十分重要的影響，并具有十分重要的應用價值。
與此同時，本實用新型所產(chǎn)生激光光束偏轉(zhuǎn)掃描的工作方式，同傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)鏡(轉(zhuǎn)動的平面鏡)結(jié)構(gòu)的技術方案相比，也具有結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢。轉(zhuǎn)鏡結(jié)構(gòu)是利用光學反射原理，即將激光束投射在全反鏡上面，通過控制反射鏡與激光束的夾角，來模擬光束從一個衛(wèi)星終端發(fā)射到另一個光學終端接收的整個過程。其技術特點是激光器的軸線方向與反射光方向垂直。由于需要將激光器和轉(zhuǎn)鏡結(jié)構(gòu)等整個模擬系統(tǒng)安裝在同一個伺服系統(tǒng)上，將占用較大空間，同時較難模擬相對復雜衛(wèi)星運行軌跡情況，因此本實用新型可以替代傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)鏡結(jié)構(gòu)。


圖1為光束經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的雙棱鏡產(chǎn)生偏角的示意圖圖2為本實用新型衛(wèi)星軌道光學模擬裝置的最佳實施例結(jié)構(gòu)示意圖圖3伺服電機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖圖4機械傳動裝置6的結(jié)構(gòu)示意圖圖5本實用新型衛(wèi)星軌道光學模擬裝置實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖圖6本實用新型衛(wèi)星軌道光學模擬裝置實施例2的械傳動裝置(6)的結(jié)構(gòu)示意圖圖7本實用新型衛(wèi)星軌道光學模擬裝置實施例3的結(jié)構(gòu)示意圖圖8本實用新型衛(wèi)星軌道光學模擬裝置實施例4的結(jié)構(gòu)示意圖圖9為本實用新型衛(wèi)星軌道光學模擬裝置實施例5的結(jié)構(gòu)示意圖具體實施方式
先請參見圖2，圖2是本實用新型衛(wèi)星軌道光學模擬裝置最佳實施例結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本實用新型衛(wèi)星軌道光學模擬裝置衛(wèi)星軌跡光學模擬裝置，其特征在于該裝置由光學組件、機電系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)三部分組成光學組件，在其光路行進方向上設有棱鏡1和棱鏡2；機電系統(tǒng)，由電機組5、機械傳動結(jié)構(gòu)6、角位移傳感器7和伺服電機控制系統(tǒng)3，4組成；計算機控制系統(tǒng)8具有軌道數(shù)據(jù)庫、軌道數(shù)據(jù)處理程序和光學模擬裝置控制程序；該實施例采用兩個電機5分別驅(qū)動雙棱鏡1，2的旋轉(zhuǎn)，即一個電機51驅(qū)動雙棱鏡1旋轉(zhuǎn)，而另一個電機52驅(qū)動雙棱鏡2旋轉(zhuǎn)，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。由已知的衛(wèi)星軌跡數(shù)據(jù)構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過軌道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序處理，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入計算機控制系統(tǒng)8，由光學模擬裝置控制程序產(chǎn)生控制命令，將數(shù)據(jù)送入伺服電機控制系統(tǒng)3和4中的差分電路31，然后經(jīng)電機控制電路32產(chǎn)生電機控制信號，分別控制電機51，52轉(zhuǎn)動、經(jīng)機械傳動機構(gòu)6的齒輪組61，齒輪組62，把電機轉(zhuǎn)動信息傳給棱鏡1，棱鏡2，并分別驅(qū)動棱鏡1，棱鏡2的旋轉(zhuǎn)。同時兩個角位移傳感器71，72將雙棱鏡轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動信息反饋給伺服電機控制系統(tǒng)3、4，由伺服電機控制系統(tǒng)3，4中的差分電路31，將角度反饋信息與已有角度數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果再送入電機控制電路32產(chǎn)生新的控制電機命令，完成對雙棱鏡1，2的準確驅(qū)動，達到所需的轉(zhuǎn)動角度控制，由此構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，以減少來自系統(tǒng)內(nèi)外的隨機干擾等因素的影響。參見附圖2，3，圖4。
實施例2使用電機組5控制雙棱鏡1，2旋轉(zhuǎn)的方案，即電機51控制雙棱鏡1，2的統(tǒng)一同向旋轉(zhuǎn)，電機52控制雙棱鏡1，2作相反方向旋轉(zhuǎn)，選用新的機械傳動機構(gòu)，即新的齒輪組61，62，啟動新的光學模擬裝置控制程序部分，并選用閉環(huán)控制系統(tǒng)。見附圖5、6。
實施例3采用電機組5分別驅(qū)動雙棱鏡1，2的方案，即電機51驅(qū)動雙棱鏡1旋轉(zhuǎn)，而電機52驅(qū)動雙棱鏡2旋轉(zhuǎn)，裝置中沒有角位移傳感器7，其它同最佳實施例，由此構(gòu)成開環(huán)的控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，可以用于演示，見圖7。
實施例4使用電機組5控制雙棱鏡1，2旋轉(zhuǎn)的方案，即電機51控制雙棱鏡1，2的統(tǒng)一旋轉(zhuǎn)，電機52控制雙棱鏡1，2之間的相對旋轉(zhuǎn)，選用新的機械傳動機構(gòu)，即新的齒輪組61，62，及固定部件63，64)，啟動新的光學模擬裝置控制程序部分，裝置中沒有角位移傳感器7，其它同實施例2，選用開環(huán)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，可以用于演示，見附圖8。
實施例5為了擴大角度掃描范圍，使用第三個電機53驅(qū)動雙棱鏡1，2的整體旋轉(zhuǎn)，方向為雙棱鏡1，2自身旋轉(zhuǎn)方向的垂直方向，增加新的齒輪組53，該齒輪組53與棱鏡1，2之間有一固定部件，增加一個角位移傳感器73，伺服電機控制系統(tǒng)11，啟動新的光學模擬裝置控制程序部分，其余部分同最佳實施例，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，見圖9。
綜上所述，本實用新型裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，實用性強，具有控制精度高、可以產(chǎn)生二維運動軌跡、機械運動較少、占地面積小等特點。
權(quán)利要求1.一種用于同步衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星之間跟瞄過程的參數(shù)測試的衛(wèi)星軌跡光學模擬裝置，其特征在于該裝置由光學組件、機電系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)三部分組成光學組件，在其光路行進方向上設有棱鏡(1)和棱鏡(2)，所述棱鏡由BK玻璃制成，其頂角為14°，兩棱鏡的主截面平行同向放置在固定部件(63、64)上；機電系統(tǒng)，由電機組(5)、機械傳動結(jié)構(gòu)(6)、角位移傳感器(7)和伺服電機控制系統(tǒng)(3，4)組成；所說的電機組(5)包含電機(51)和電機(52)，所說的機械傳動結(jié)構(gòu)(6)包含兩個齒輪組(61，62)，該固定部件(63)與齒輪組(61)形成被驅(qū)動關系，齒輪組(62)與棱鏡(2)安裝在另一固定部件(64)上，該固定部件(64)與齒輪組(62)形成被驅(qū)動關系；該計算機控制系統(tǒng)(8)與伺服電機控制系統(tǒng)(3，4)相連，棱鏡(1)和棱鏡(2)置于傳動結(jié)構(gòu)(6)之上，兩棱鏡(1、2)位于專用光學通信系統(tǒng)和測試光學通信系統(tǒng)的光路中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星軌跡光學模擬裝置，其特征在于所述的伺服電機控制系統(tǒng)(3，4)分別由差分電路(31)和電機控制電路(32)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星軌跡光學模擬裝置，其特征在于所述的電機組(5)的電機(51)與雙棱鏡(1，2)形成驅(qū)動關系，使雙棱鏡(1，2)同方向旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星軌跡光學模擬裝置，其特征在于所述的電機(51)與棱鏡(1)形成驅(qū)動關系，電機(52)與棱鏡(2)形成驅(qū)動關系，裝置中沒有角位移傳感器(7)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星軌跡光學模擬裝置，其特征在于所述的電機組(5)的電機(51)驅(qū)動雙棱鏡(1，2)統(tǒng)一旋轉(zhuǎn)，電機(52)驅(qū)動雙棱鏡(1，2)之間作相對旋轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星軌跡光學模擬裝置，其特征在于還設有第三電機(53)、第三齒輪組、第三固定部件、角位移傳感器(73)和第三伺服電機控制系統(tǒng)(11)，可驅(qū)動雙棱鏡(1，2)整體地公轉(zhuǎn)，其方向垂直于雙棱鏡(1，2)自身旋轉(zhuǎn)的方向。
專利摘要一種用于同步衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星之間跟瞄過程的參數(shù)測試的衛(wèi)星軌跡光學模擬裝置，其特點是該裝置由光學組件、機電系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)三部分組成，可用于在地面實驗室內(nèi)對衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)進行有關跟瞄參數(shù)的測試和性能驗證與評估等方面，同時為衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)的研制提供一種新技術實施方案可能性的實驗分析，本實用新型裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，實用性強，具有控制精度高、可以產(chǎn)生二維運動軌跡、機械運動較少、占地面積小等特點。
文檔編號H04B10/02GK2678258SQ0323212
公開日2005年2月9日 申請日期2003年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月13日
發(fā)明者祖繼鋒, 劉立人, 云茂金, 滕樹云, 欒竹, 孫建鋒 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所