基于GPS的无线激光通信终端间快速指向系统设计

基于GPS的无线激光通信终端间快速指向系统设计
朱廷华;曹阳;江金群;叶钧;马志豪;孙钰伶
【摘要】为减少无线激光通信的捕获对准时间,快速建立激光通信链路,将全球定位系统(GPS)技术应用于无线激光通信的初始指向.激光通信终端双方接收GPS位置信息并发送至对端,通过坐标转换矩阵对GPS位置信息解算得到方位及俯仰角;依据解算得到的角度和自身姿态信息,进一步计算出需调整的旋转误差角度;通过控制二维转台旋转实现具有一定精度的快速指向.外场实验结果表明:GPS辅助指向系统通过控制转台指向误差在4.05°范围内,可以实现无线激光通信链路的快速捕获和对准,且具有较高的精度,验证了系统的有效性与实用性.%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 with in 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.
【期刊名称】《传感器与微系统》
【年(卷),期】2017(036)012
【总页数】3页(P84-86)
【关键词】无线激光通信;全球定位系统;坐标转换;捕获对准
【作者】朱廷华;曹阳;江金群;叶钧;马志豪;孙钰伶
【作者单位】重庆理工大学电气与电子工程学院,重庆400054;重庆理工大学电气
与电子工程学院,重庆400054;重庆理工大学电气与电子工程学院,重庆400054;重
庆理工大学电气与电子工程学院,重庆400054;重庆理工大学电气与电子工程学院,
重庆400054;重庆理工大学电气与电子工程学院,重庆400054
【正文语种】中文
【中图分类】TN929
无线激光通信设备是指一种点对点全双工的无线传输设备，以激光作为信息载体，以空气作为传输媒介，又叫自由空间光(free space optical，FSO)通信或无线光
通信,具有高带宽、无需频谱许可、保密性好等优点，目前已成为无线通信技术领
域中最有潜力的通信方式之一[1,2]。

但在FSO系统中，由于存在通信双方的距离，激光束窄、发散角小，加之背景光源的干扰，大气衰减严重，大气信道随机性强等因素，延长了激光通信链路建立的时间[3，4]。

精准、快速的终端捕获、跟踪和对准(acquiring,pointing,tracking,APT)技术是通信链路建立及保持的关键。

无线激光通信终端间为建立激光信号链路，需要双方先发射信标光，再进行指向、捕获和跟踪，通常由于无线激光通信终端的空间位置未知，因此，需要对信标光进行扫描，时间成本较大。

目前，相关文献的捕获时间的优化扫描算法仅适用于小范
围的不确定区域，本文分析了全球定位系统(global positioning system,GPS)应
用于无线激光通信初始指向的原理，给出了GPS辅助指向系统的结构和误差控制
方法，较大地压缩了通信链路建立的时间。

由GPS获取的激光终端所在的位置信息，通过变换坐标系、计算相对位置坐标，
得到光学天线所需要调整的方位角和俯仰角，大幅减小捕获不确定区域，缩短了激光捕获扫描时间。

1)大地坐标与空间直角坐标的转换
利用GPS获取的基于宽带全球卫星通信(wide-band global satellite,WGS)—84
坐标系下的经度、纬度、高程值转换为直角坐标值，即由大地坐标(B,L,H)与空间
直角坐标(X,Y,Z)之间转换关系进行转换[5]
式中 N=为椭球面卯酉圈曲率半径；a为椭球长半轴，b为短半轴WGS—84系中
a=6 378 137 m，b=6 356 752.314 2 m；e2=(a2-b2)/a2为参考椭球第一偏心率平方。

大地坐标系到空间直角坐标系转换如图1所示。

以O为地心，空间中两点P和Q的GPS坐标分别为P(B0,L0,H0)和Q(B1,L1,H1),根据式(1)可分别计算出点P和Q对应的地心空间直角坐标(X0,Y0,Z0)和
(X1,Y1,Z1)[6]。

2)WGS—84坐标与北东天坐标的转换
宽带全球卫星通信WGS—84坐标转换到北东天坐标，以测站点P为原点，根据GPS测出的经纬度和高程值进行转换，WGS—84坐标与北东天坐标的转换矩阵
为[6]
则PQ在北东天坐标系中的坐标为
即通过式(4)将通信终端Q的坐标转换成以P为坐标原点的平台坐标系下的坐标
设通信平台坐标系与参心坐标系对应坐标轴之间的夹角分别是通信平台的横滚角α、俯仰角β和航向角γ。

根据式(5)可以将Q的坐标转换成以P为坐标原点的参心坐
标系下的坐标
水平方向和俯仰方向上的指向角可由式(6)计算
规定方位角MYmoveyaw以真北方向为基准零点，顺时针为正，范围(-180°～180°)；俯仰角MYmovepitch以水平面为基准零点，向上为正，范围(-90°～90°)。

基于GPS辅助指向是实现无线激光通信链路快速建立的基础，在激光通信开始前，需要将激光通信天线视轴引入到粗跟踪的视场，以便完成激光通信终端间的捕获和精确对准[7]。

系统结构如图2所示，包括GPS接收模块、无线通信模块、姿态传感器[8]、电机驱动模块以及核心控制器STM32。

A,B两端的指向工作原理相同，其中以A端指向为例，其工作过程如下：
1)根据GPS接收模块，A,B两端可确定自身的空间位置坐标；
2)通过433 MHz无线通信模块(通信距离大于5 km),B端将自身的GPS空间位置坐标传输给A端；
3)根据式(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主控器输出PWM信号控制电机驱动模块，进而使二维转台旋转相应的角度[9]到粗跟踪视场。

如图3，将A,B激光通信终端置于二轴转台上，B端的激光通信天线上安装CCD
镜头，并与其激光通信天线同轴；A端的激光通信天线上安装氦氖激光器，并与其激光通信天线同轴。

为保证捕获信光标的可行性，采用宽视场的CCD镜头，其焦距为30 mm，视场约为160 mrad 120 mrad，垂直方向上1 pixel对应的视场约为234.4 μrad，水平方向上1 pixel对应的视场约为274.9 μrad。

测试原理和方案如下：1)测试初始条件，A端的空间位置固定，A端天线视轴指南位置随机化，而B端的空间位置随机，并将其视轴指向A端；2)测试开始后，A,B 端进行无线通信，A端完成GPS的辅助指向；3)指向完成后，已知CCD的1 pixel对应方位和俯仰角大小，根据B端CCD接收的信标光偏离视场中心的像素
值，可确定指向的误差大小或精度。

外场实验:A端位于重庆理工大学汽车科技馆四楼(固定点)，在B端重庆理工大学第一实验楼D栋5楼设置5个目标点(动态点)。

在B端选取5点，各点GPS坐标如表1所示。

针对B端以上5个坐标点为指向目标，根据GPS坐标解算出A点与各点间的指向角，由于A端激光通信终端初始p空间位置确定，B端的空间位置不同，造成指向误差角度调整值及捕获时间不同。

为了对该指向系统的精度误差进行准确分析，多次测试了转台转动的方位角和俯仰角的角度值与实际值之间的指向误差，取其中一段数据为例，可得到方位角和俯仰角的指向误差,如图4(a)可以看出：方位角指向误差范围在(-3.1°,3.1°)之间波动；图4(b)可以看出：俯仰角指向误差范围在(-2.6°,2.6°)之间。

数据结果表明：指向系统的稳定性较好，通信终端相对运动的位置与姿态改变时，系统可以实现视轴的实时指向，具有较高的指向精度。

由图5(a)可知，方位角的调整角度在(-180°,180°)范围内，转台在正、负方向上旋转相同角度时需要的时间基本相同，且转台的指向时间随着调整角度的增大也相应增加，方位角调整角度为180°时的指向时间最长为6.9 s。

由图5(b)可知，俯仰角的调整角度在(-90°,90°)范围，随着调整角度增大其指向时间均匀增加，且俯仰角调整角度为90°时指向时间最长为4.2 s。

通过对以上数据分析可知，该指向系统可以实现通信终端视轴的快速指向。

提出了将GPS技术应用于无线激光通信的初始指向，通过坐标解算得到观测点与目标点的初始指向角，根据角度值控制二维转台的旋转，不断调整误差角度，进行固定端点间捕获实验，实验结果显示：转台指向误差δ主要由方位角误差和俯仰角误差组成，即δ==4.05°。

可知在无线激光通信中，GPS辅助指向系统通过对转台指向误差的控制可极大地减少激光通信链路的建立时间，实现无线激光通信链路
的快速捕获与对准。

【相关文献】
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