朱廷華， 曹 陽， 江金群， 葉 鈞， 馬志豪， 孫鈺伶

(重慶理工大學 電氣與電子工程學院，重慶 400054)

基于GPS的無線激光通信終端間快速指向系統(tǒng)設(shè)計*

朱廷華， 曹 陽， 江金群， 葉 鈞， 馬志豪， 孫鈺伶

(重慶理工大學電氣與電子工程學院，重慶400054)

為減少無線激光通信的捕獲對準時間，快速建立激光通信鏈路，將全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)應用于無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)送至對端，通過坐標轉(zhuǎn)換矩陣對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，進一步計算出需調(diào)整的旋轉(zhuǎn)誤差角度；通過控制二維轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)具有一定精度的快速指向。外場實驗結(jié)果表明：GPS輔助指向系統(tǒng)通過控制轉(zhuǎn)臺指向誤差在4.05°范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)無線激光通信鏈路的快速捕獲和對準，且具有較高的精度，驗證了系統(tǒng)的有效性與實用性。

無線激光通信； 全球定位系統(tǒng)； 坐標轉(zhuǎn)換； 捕獲對準

0 引 言

無線激光通信設(shè)備是指一種點對點全雙工的無線傳輸設(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)通信或無線光通信,具有高帶寬、無需頻譜許可、保密性好等優(yōu)點，目前已成為無線通信技術(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，大氣衰減嚴重，大氣信道隨機性強等因素，延長了激光通信鏈路建立的時間[3，4]。精準、快速的終端捕獲、跟蹤和對準(acquiring,pointing,tracking,APT)技術(shù)是通信鏈路建立及保持的關(guān)鍵。

無線激光通信終端間為建立激光信號鏈路，需要雙方先發(fā)射信標光，再進行指向、捕獲和跟蹤，通常由于無線激光通信終端的空間位置未知，因此，需要對信標光進行掃描，時間成本較大。目前，相關(guān)文獻的捕獲時間的優(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)應用于無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間。

1 GPS坐標解算原理

由GPS獲取的激光終端所在的位置信息，通過變換坐標系、計算相對位置坐標，得到光學天線所需要調(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間。

1)大地坐標與空間直角坐標的轉(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坐標系下的經(jīng)度、緯度、高程值轉(zhuǎn)換為直角坐標值，即由大地坐標(B,L,H)與空間直角坐標(X,Y,Z)之間轉(zhuǎn)換關(guān)系進行轉(zhuǎn)換[5]

(1)

圖1 大地坐標系到空間直角坐標系的轉(zhuǎn)換

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

2)WGS—84坐標與北東天坐標的轉(zhuǎn)換

寬帶全球衛(wèi)星通信WGS—84坐標轉(zhuǎn)換到北東天坐標，以測站點P為原點，根據(jù)GPS測出的經(jīng)緯度和高程值進行轉(zhuǎn)換，WGS—84坐標與北東天坐標的轉(zhuǎn)換矩陣為[6]

(2)

則PQ在北東天坐標系中的坐標為

(3)

即通過式(4)將通信終端Q的坐標轉(zhuǎn)換成以P為坐標原點的平臺坐標系下的坐標

(4)

設(shè)通信平臺坐標系與參心坐標系對應坐標軸之間的夾角分別是通信平臺的橫滾角α、俯仰角β和航向角γ。根據(jù)式(5)可以將Q的坐標轉(zhuǎn)換成以P為坐標原點的參心坐標系下的坐標

(5)

水平方向和俯仰方向上的指向角可由式(6)計算

(6)

規(guī)定方位角MYmoveyaw以真北方向為基準零點，順時針為正，范圍(-180°～180°)；俯仰角MYmovepitch以水平面為基準零點，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輔助指向是實現(xiàn)無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，以便完成激光通信終端間的捕獲和精確對準[7]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括GPS接收模塊、無線通信模塊、姿態(tài)傳感器[8]、電機驅(qū)動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端指向為例，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；

2)通過433 MHz無線通信模塊(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信號控制電機驅(qū)動模塊，進而使二維轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)相應的角度[9]到粗跟蹤視場。

3 實驗與分析

如圖3，將A,B激光通信終端置于二軸轉(zhuǎn)臺上，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。為保證捕獲信光標的可行性，采用寬視場的CCD鏡頭，其焦距為30 mm，視場約為160 mrad 120 mrad，垂直方向上1 pixel對應的視場約為234.4 μrad，水平方向上1 pixel對應的視場約為274.9 μrad。

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

圖3 實驗環(huán)境

外場實驗:A端位于重慶理工大學汽車科技館四樓(固定點)，在B端重慶理工大學第一實驗樓D棟5樓設(shè)置5個目標點(動態(tài)點)。在B端選取5點，各點GPS坐標如表1所示。針對B端以上5個坐標點為指向目標，根據(jù)GPS坐標解算出A點與各點間的指向角，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)整值及捕獲時間不同。

表1 B端不同點的GPS位置實測坐標

為了對該指向系統(tǒng)的精度誤差進行準確分析，多次測試了轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的方位角和俯仰角的角度值與實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；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，通信終端相對運動的位置與姿態(tài)改變時，系統(tǒng)可以實現(xiàn)視軸的實時指向，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)臺在正、負方向上旋轉(zhuǎn)相同角度時需要的時間基本相同，且轉(zhuǎn)臺的指向時間隨著調(diào)整角度的增大也相應增加，方位角調(diào)整角度為180°時的指向時間最長為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間均勻增加，且俯仰角調(diào)整角度為90°時指向時間最長為4.2 s。通過對以上數(shù)據(jù)分析可知，該指向系統(tǒng)可以實現(xiàn)通信終端視軸的快速指向。

圖5 指向時間

4 結(jié) 論

[1] 王 佳.光纖通信與空間光通信技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.

[2] Barnes J W,Lemke L,Foch R,et al.Aviatr-aerial vehicle for in-situ and airborne titan reconnaissance a titan airplane mission concept[J].Experimental Astronomy,2012,33(1):55-127.

[3] 羅 彤.星間光通信ATP中捕獲,跟蹤技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學,2005.

[4] 趙 馨,王世峰,佟首峰,等.飛機—地面間激光通信天線的初始對準[J].光學精密工程,2008,16(7):1190-1195.

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[8] 吳文升,姚定忠,裴海龍.基于GPS/INS的機載三維激光測控系統(tǒng)的設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(7):91-94,99.

[9] 張亞娟,裘祖榮,李杏華,等.基于PSD的激光跟蹤坐標測量系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(7):116-119.

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

國家自然科學基金資助項目(61205106)；博士后科學基金資助項目(2014MM552329)

朱廷華(1997-)，男，本科，專業(yè)方向為嵌入式系統(tǒng)。