无线通信-无线激光通信收发天线快速对准系统设计

无线激光通信收发天线快速对准系统设计

于坤，王旭，张瑜

（河南师范大学物理与信息工程学院，新乡 453007）

摘 要：在无线激光通信系统的发射和接收天线上安装GPS接收装置，通过GPS定位来实现发射天线和接收天线的快速对准，解决了无线激光通信系统天线对准难的问题。对设计移动无线激光通信系统也具有重要的指导意义。

关键词：GPS，无线激光通信，差分定位，ATP

中图分类号：TP202 文献标识码：A

Design of fast Alignment system for the transceivers of wireless laser communication

YUN Kun,WANG Xu,ZHANG Yu

(College of Physics & Information Engineering,Henan Normal University,Xinxiang 453007,China) Abstract: The GPS sensor is installed in the emission and receiving antenna of wireless laser communication.The incorporation of GPS sensors provides the reference information to establish alignment between two antennas,the difficult problem is solved. This provides a basis for designing the moving wireless laser communication system.

key words :GPS;wireless laser communication,;differential GPS,ATP

1 引 言

无线激光通信是光纤通信和微波通信的完美结合，它利用自由空间中传播的激光作为信息载体, 提供了两个通信节点之间视距内的、无线和大容量的快速连接方式。目前无线激光通信系统的应用主要包括三方面：近地大气激光通信，地对星激光通信，星对星激光通信。无线激光通信具有容量大、造价低、施工便捷迅速、无需频谱许可、抗干扰能力强、组网灵活方便等优点，有着较为广泛的应用空间，因此世界各国都在竞相研究这一技术[1]。

在近距离无线激光通信时，通常用望远镜和红光笔来实现收发天线的对准。这种方法不仅费时而且对准精度不高。在远距离无线激光通信时，收发天线的对准就更加困难。目前还尚未报道有效的手段来实现天线的快速对准。本文提出了一种在收发天线端分别安装GPS接收设备，利用GPS接收设备获取收发天线的三维坐标、速度等信息。从而实现收发天线的快速对准的方法。使无线激光通信的机动性进一步得到了提高。

2 GPS及ATP 原理

2.1 GPS定位原理

全球卫星定位系统不但可以实时提供目标的三维位置、三维速度以及高精度的时间信息,同时GPS定位技术还具有定位速度快、使用成本低的显著优点,目前已经形成了相当规模的产业,成为了目前世界上应用范围最广泛、实用性最强的集全球精密授时、测距、导航、定位于一体的综合性大型系统。

GPS定位分为单点定位和差分定位（相对定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，定位精度不高。差分定位是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，测量精度较高[2]。在无线激光通信系统中，由于是收发天线两点之间的对准，要求定位精度相对较高，因此选择差分全球定位系统。文献[2]较为详细的报道了差分定位的计算方法，本文的重点放在如何实现收发天线的对准上。

2.2 ATP工作原理

目前商用的无线激光通信系统多为自适应跟踪（Acquisition,Tracking and Pointing）系统，ATP系统不仅容易实现天线的对准，而且能够有效抑制光斑的闪烁和漂移，保证在天线振动或者受大气湍流影响的条件下能够实现天线的实时对准，有利于提高系统的稳定性。

基金项目：河南省科技攻关项目（2007510009），河南师范大学院士专项基金

四象限光电探测器

入射光

数据处理系统

驱动单元CPU

图1 ATP系统原理图

ATP 系统的工作原理是在接收端探测发射端发出的信标光,并对之进行捕获、跟踪和瞄准后返回一信标光到发射端,借以完成点对点的锁定,在两端之间建立通信链接[3]。之后，双方用通信光束开始传输数据,实现通信。图1给出了ATP系统的原理图。

在视距范围外，如果不知道收发天线的坐标和方位，即使带有ATP的系统，收发天线也很难实现快速对准。而通过GPS和ATP的结合可以解决这一问题。

3 设计方案及计算

3.1 通信链路建立

图2给出了无线激光通信示意图，收发天线装有相同的GPS接收器和数据处理系统以及无线电对发装置。GPS接收器首先得到收发天线的坐标、高度、时钟、速度等信息，然后通过无线电设备交换数据。数据处理系统通过计算得到收发天线的俯仰角度、方位角度、收发天线之间的距离、以及应该发送的激光功率等信息。数据可以通过显示屏显示出来，也可以直接导入ATP控制系统中。对于手动调节的系统，可以根据得到的数据进行手动调节建立通信链路。对于ATP系统，这些数据可以直接输入到ATP系统，ATP系统根据这些数据迅速调节收发天线的俯仰角和方位角，实现粗对准。然后发射天线发射信标光，ATP根据信标光实现收发天线的精确对准。如果接收机探测不到信标光，系统将再次进入图3所示的循环当中，直至系统实现精确对准。图3给出了通信链路建立的流程。流程图中的时钟同步和速度主要针对移动无线激光通信，比如地对星以及星际之间的通信。

图2 无线激光通信示意图

3.2数据处理系统

由于无线激光通信系统受天气及传输距离的影响比较大，到达接收端的激光功率将会严重衰减，光斑也会变的很大。所以在处理数据时必须考虑大气因素的影响。数据处理系统主要依据以下公式[1] [4]