光束发散角控制方法、激光发射系统、终端及存储介质与流程

1.本发明涉及激光通信技术领域，尤其涉及一种光束发散角控制方法、激光发射系统、终端及存储介质。


背景技术：

2.星间光通信是卫星间实现信息高速安全传输的重要手段，其中星间链路的建立主要依赖于瞄准、捕获、跟踪技术。而传统的瞄准、捕获、跟踪技术，其发射激光的光束发散角是固定不变的。但是对于星间链路来说，需要光束发散角灵活可变的信标光、信号光以建立卫星间的光通信。
3.在现有技术中，虽然也提供了能够实现发射激光的光束发散角可变的技术方案，但是其光束发散角的可变倍数范围较小，大概在数十倍左右。现有技术所实现的光束发散角的调整范围较小，无法适用于卫星间光通信。
4.基于此，如何提供一种适用于卫星间光通信的光束发散角的控制方案成为亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种光束发散角控制方法、激光发射系统、终端及存储介质，旨在解决现有技术中光束发散角的可变范围无法适用于卫星间光通信的技术问题。
6.为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种光束发散角控制方法，其方法包括：获取第一卫星和第二卫星之间的实时链路距离；基于所述实时链路距离，确定所述第一卫星向所述第二卫星发射的激光光束的目标光束发散角；根据所述目标光束发散角，调整设置于所述第一卫星的激光发射装置的发射天线主镜和发射天线次镜之间的距离，以使所述第一卫星的激光发射装置生成并发射所述目标光束发散角对应的目标激光光束。
7.可选地，根据所述目标光束发散角，调整设置于所述第一卫星的激光发射装置的发射天线主镜和发射天线次镜之间的距离，具体包括：根据所述目标光束发散角，控制所述激光发射装置的发射天线次镜移动，以调整所述发射天线主镜和发射天线次镜之间的距离；其中，所述发射天线主镜设置于所述激光发射装置的激光光源和所述发射天线次镜之间。
8.可选地，获取第一卫星和第二卫星之间的实时链路距离，具体包括：分别获取所述第一卫星、所述第二卫星的轨道运动信息；根据所述第一卫星的轨道运动信息和所述第二卫星的轨道运动信息，分别确定所述第一卫星和第二卫星的实时位置信息；
根据所述第一卫星和所述第二卫星的实时位置信息，确定所述第一卫星和所述第二卫星之间的实时链路距离。
9.可选地，基于所述实时链路距离，确定第一卫星向第二卫星发射的激光光束的目标光束发散角，具体包括：确定所述第一卫星与所述第二卫星之间的通信阶段；其中，所述通信阶段包括：通信链路建立阶段、通信链路维持阶段；根据所述通信阶段以及所述实时链路距离，确定所述第一卫星向所述第二卫星发射的激光光束的目标光束发散角。
10.可选地，根据所述通信阶段以及所述实时链路距离，确定所述第一卫星向所述第二卫星发射的激光光束的目标光束发散角，具体包括：获取所述第二卫星的姿态误差、载荷指向误差、定位误差；根据所述第二卫星的姿态误差、载荷指向误差、定位误差以及所述实时链路距离，确定所述第一卫星向所述第二卫星发射的激光光束的待定光束发散角；根据所述通信阶段以及所述待定光束发散角，对所述待定光束发散角进行调整，以得到所述第一卫星向所述第二卫星发射的激光光束的目标光束发散角。
11.为了实现上述目的，本发明实施例还提供了一种激光发射系统，所述系统包括：激光发射装置、处理器；所述处理器用于基于第一卫星和第二卫星之间的实时链路距离，确定所述第一卫星向所述第二卫星发射的激光光束的目标光束发散角；所述激光发射装置设置于所述第一卫星，用于生成并发射激光光束；所述处理器用于根据所述目标光束发散角，调整所述激光发射装置的发射天线主镜和发射天线次镜之间的距离，以使所述激光发射装置生成并发射所述目标光束发散角对应的目标激光光束。
12.可选地，所述处理器具体用于：根据所述目标光束发散角，控制所述激光发射装置的发射天线次镜移动，以调整所述发射天线主镜和发射天线次镜之间的距离；其中，所述发射天线主镜设置于所述激光发射装置的激光光源和所述发射天线次镜之间。
13.可选地，所述处理器具体用于：分别获取所述第一卫星、所述第二卫星的轨道运动信息；分别根据所述第一卫星的轨道运动信息和所述第二卫星的轨道运动信息，确定所述第一卫星和第二卫星的实时位置信息；根据所述第一卫星和所述第二卫星的实时位置信息，确定所述第一卫星和所述第二卫星之间的实时链路距离。
14.可选地，所述处理器具体用于：确定所述第一卫星与所述第二卫星之间的通信阶段；其中，所述通信阶段包括：通信链路建立阶段、通信链路维持阶段；根据所述通信阶段以及所述实时链路距离，确定所述第一卫星向所述第二卫星发射的激光光束的目标光束发散角。
15.可选地，所述处理器具体用于：获取所述第二卫星的姿态误差、载荷指向误差、定位误差；根据所述第二卫星的姿态误差、载荷指向误差、定位误差以及所述实时链路距离，确定所述第一卫星向所述第二卫星发射的激光光束的待定光束发散角；根据所述通信阶段以及所述待定光束发散角，对所述待定光束发散角进行调整，以得到所述第一卫星向所述第二卫星发射的激光光束的目标光束发散角。
16.可选地，所述激光发射系统还包括：用于安装所述发射天线次镜的位移装置；所述处理器用于控制所述位移装置移动，以使安装于所述位移装置的所述发射天线次镜移动。
17.为了实现上述目的，本发明实施例还提供了一种终端，其包括：处理器和存储器；所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如上任意一项所述的光束发散角控制方法中的步骤。
18.为了实现上述目的，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上任意一项所述的光束发散角控制方法中的步骤。
19.本发明通过卫星间的实时链路距离确定目标光束发散角，然后通过控制调整发射天线主镜和发射天线次镜的距离，以生成并发射目标光束发散角对应的目标激光光束，实现了卫星间光通信中光束发散角的动态调整，适用于不同星光间通信不同的需求；并且，通过调整发射天线主镜和发射天线次镜的距离，可以实现光束发散角大范围连续变化，光束发散角的可变倍数由原来的十倍左右增加千倍、万倍，能够适用于卫星间光通信。
附图说明
20.图1为本发明实施例提供的激光发射装置的结构示意图；图2为本发明实施例提供的光束发散角控制方法的流程图；图3为本发明实施例提供的步骤s201的流程图；图4为本发明实施例提供的步骤s202的流程图；图5为本发明实施例提供的光束发散角控制方法的另一流程图；图6为本发明实施例提供的激光发射系统的结构示意图；图7为本发明实施例提供的终端的结构示意图。
具体实施方式
21.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
22.星间光通信是卫星间时间信息高速安全传输的重要手段。卫星之间的通信链路的建立需要光束发散角灵活可变的信号光、信标光。一部分是因为星间光通信的通信链路建立阶段，不同的两卫星间的相对角的不确定度导致对激光光束的光束发散角的需求不同；另一部分是因为星间光通信的通信链路具有较高的动态特性，包括大跟踪角度范围、快跟踪角度范围、大链路距离变化范围等。
23.而现有技术所实现的激光光束的光束发散角的可变范围较小，并不能适用于星间光通信。例如：专利cn1457154a提出了一种光束发散角可变的无光纤激光通信光端机及其控制方法，通过调节光源位置，使瞄准时光束发散角（20-30毫弧度）约为通信时（1.5-2.5毫弧度）的10倍；专利cn101210818a提出了一种基于精密位移器的高精度可变束散角激光发射装置，通过调节光源位置，可使光束发散角由100微弧度增加至1000微弧度，用以地面不同的终端测试，束散角可变倍数约为10倍；专利cn206411290u提出了一种无线光通信天线的变发散角发射装置，通过改变透镜组焦距，使光束发散角改变。由于变焦镜头组的变化倍数有限（约为十倍或数十倍左右），而光束发散角反比于透镜组焦距，因此束散角可变倍数约为十倍或数十倍。
24.基于此，本发明实施例提供了一种光束发散角控制方法、激光发射系统、终端及存储介质，以解决上述技术问题。
25.图1为本发明实施例提供的激光发射装置的结构示意图。如图1所示，激光发射装置100至少包括：激光光源110、准直扩束镜120、激光发射天线130；其中，激光发射天线130至少包括：发射天线主镜131、发射天线次镜132，发射天线主镜131设置于激光光源110和发射天线次镜132之间，激光发射天线130的光轴在同一水平线上。激光光源110发射激光光束，通过准直扩束镜120对激光光束进行准直扩束，准直扩束后的激光光束经过发射天线次镜131反射后，再通过发射天线主镜132反射，最终出射得到自由空间中。
26.在本发明的一些实施例中，发射天线可以采用离轴三反等其他反射式、折反式、折射式天线结构，其天线结构更加紧凑，减少占用的空间资源。
27.上述激光发射装置安装于星间光通信系统的各个卫星上，用于实现各个卫星之间的光通信。
28.图2为本发明实施例提供的光束发散角控制方法的流程图，如图2所示，本发明实施例提供的光束发散角控制方法至少可以包括以下步骤：s201，获取第一卫星和第二卫星之间的实时链路距离。
29.本发明实施例提供的光束发散角控制方法适用于星间光通信系统，星间光通信系统由多个卫星组成。其中，上述第一卫星和第二卫星为星间光通信系统中进行通信的任意两个卫星。
30.在本发明实施例中，第一卫星为发射激光光束的卫星，第二卫星为接收激光光束的卫星。可以理解的是，第二卫星也可以为发射激光光束的卫星，第一卫星为接收激光光束的卫星，根据实际情况可以进行调整。
31.图3为本发明实施例提供的步骤s201的流程图，如图3所示，步骤s201至少可以包括以下步骤：s301，分别获取第一卫星、第二卫星的轨道运动信息。
32.其中，轨道运行信息可以通过gps、北斗卫星导航系统获得，至少包括卫星的坐标信息。
33.s302，根据第一卫星的轨道运动信息和第二卫星的轨道运行信息，分别确定第一卫星和第二卫星的实时位置信息。
34.s303，根据第一卫星和第二卫星的实时位置信息，确定第一卫星和第二卫星之间的实时链路距离。
35.s202，基于实时链路距离，确定第一卫星向第二卫星发射的激光光束的目标光束发散角。
36.图4为本发明实施例提供的步骤s202的流程图，如图4所示，步骤s202至少可以包括以下步骤：s401，确定第一卫星和第二卫星之间的通信阶段。
37.其中，通信阶段包括：通信链路建立阶段、通信链路维持阶段。
38.在实现星光间通信的过程中，首先要进行通信链路建立，再对建立后的通信链路进行维持，如图5所示。第一卫星和第二卫星之间的通信阶段可以包括：通信链路建立阶段、通信链路维持阶段。
39.s402，根据通信阶段以及实时链路距离，确定第一卫星向第二卫星发射的激光光束的目标光束发散角。
40.具体地，可以先获取第二卫星的姿态误差、载荷指向误差、定位误差；然后根据第二卫星的姿态误差、载荷指向误差、定位误差以及实时链路距离，确定第一卫星向第二卫星发射的激光光束的待定光束发散角；再根据通信阶段以及待定光束发散角，对待定光束发散角进行调整，以得到第一卫星向第二卫星发射的激光光束的目标光束发散角。
41.进一步地，确定第一卫星向第二卫星发射的激光光束的待定光束发散角，可以通过以下公式实现：；其中，为待定光束发散角；为第二卫星的姿态误差；为第二卫星的载荷指向误差；为第二卫星的定位误差；为实时链路距离；为其他因素引起的误差（例如平台振动）。
42.在本发明实施例中，通信链路建立阶段和通信链路维持阶段，其第二卫星的姿态误差、载荷指向误差是不同的。在通信链路建立阶段，其第二卫星的姿态误差、载荷指向误差较大，而在通信链路建立之后可以确定第二卫星的目标方向。
43.因此，在通信链路建立以后可以对通信链路建立阶段所获取的第二卫星的姿态误差、载荷指向误差进行重新标定，标定后的第二卫星的姿态误差、载荷指向误差相较于通信链路建立阶段较小。
44.故，上述实施例中获取的第二卫星的姿态误差、载荷指向误差、定位误差，可以是根据通信阶段获取的第二卫星的姿态误差、载荷指向误差、定位误差。
45.更进一步地，在通信阶段为通信链路建立阶段的情况下，确定待定光束发散角是否大于或等于第一预设阈值；在待定光束发散角大于或等于第一预设阈值的情况下，将第一预设阈值作为上述目标光束发散角；在待定光束发散角小于第一预设阈值且大于第二预设阈值的情况下，将待定光束发散角作为上述目标光束发散角；在待定光束发散角小于第二预设阈值的情况下，将第二预设阈值作为上述目标光束发散角。
46.进一步地，在通信阶段为通信链路维持阶段的情况下，确定待定光束发散角是否小于或等于第二预设阈值；在待定光束发散角小于或等于第二预设阈值的情况下，将第二预设阈值作为目标光束发散角；在待定光束发散角大于第二预设阈值且小于第一预设阈值
的情况下，将该待定光束发散角作为目标光束发散角；在待定光束发散角大于第一预设阈值的情况下，将第一预设阈值作为目标光束发散角。
47.在本发明实施例中，其中，上述第一预设阈值为激光发射装置的最大激光光束发散角，第二预设阈值为激光发射装置的最小激光光束发散角。
48.在本发明实施例中，通过实时链路距离等信息并结合端机发射束散角的第一预设阈值、第二预设阈值确定目标光束发散角，能够适用于卫星间通信的不同阶段，能够尽可能的降低通信链路建立和维持的难度。
49.s203，根据目标光束发散角，调整设置于第一卫星的激光发射装置的发射天线主镜和发射天线次镜之间的距离，以使第一卫星的激光发射装置生成并发射该目标光束发散角对应的目标激光光束。
50.在本发明实施例中，可以根据目标光束发散角，调整发射天线主镜和发射天线次镜之间的距离，从而使得调整后的激光发射装置能够生成并发射该目标光束发散角对应的目标激光光束。
51.通过本发明实施例提供的光束发散角控制方法，可以基于卫星间的实时链路距离确定目标光束发散角，然后通过控制调整发射天线主镜和发射天线次镜的距离，以生成并发射目标光束发散角对应的目标激光光束，实现了卫星间光通信的动态调整；并且，通过调整发射天线主镜和发射天线次镜的距离，可以实现光束发散角大范围连续变化，光束发散角的可变倍数由原来的十倍左右增加千倍、万倍，能够适用于卫星间光通信。
52.在本发明的一些实施例中，可以根据目标光束发散角，控制激光发射装置的发射天线次镜移动，以调整发射天线主镜和发射天线次镜之间的距离。
53.在本发明实施例中，通过控制激光发射装置的发射天线次镜移动以调整发射天线主镜和发射天线次镜之间的距离，相对于通过控制发射天线主镜以调整发射天线主镜和发射天线次镜之间的距离，光束发散角的可变倍数更大，能够进一步扩大光束发散角的可变倍数。
54.基于上述光束发散角控制方法，本发明实施例还提供了一种激光发射系统。如图6所示，该激光发射系统至少包括：激光发射装置100、处理器200、位移装置300。
55.其中，激光发射装置100至少包括：激光光源110、准直扩束镜120、激光发射天线130；其中，激光发射天线130至少包括：发射天线主镜131、发射天线次镜132，发射天线主镜131设置于激光光源110和发射天线次镜132之间，激光发射天线130的光轴在同一水平线上。上述实施例中已对激光发射装置100进行详细阐述，在此不再加以赘述。需要说明的是，该激光发射装置100设置于第一卫星。
56.位移装置300与处理器100之间通过有线通信和/或无线通信的方式连接。如图6所示，发射天线次镜132安装于位移装置300，能够随位移装置300的移动而变换位置，以实现发射天线主镜131和发射天线次镜132之间的距离变化。
57.处理器200用于处理器用于基于第一卫星和第二卫星之间的实时链路距离，确定第一卫星向第二卫星发射的激光光束的光束发散角；以及用于根据光束发散角，调整激光发射装置的天线主镜和天线次镜之间的距离，以使激光发射装置生成并发射光束发散角对应的目标激光光束。
58.进一步地，处理器具体用于：根据光束发散角，控制激光发射装置的天线次镜移
动，以调整天线主镜和天线次镜之间的距离。
59.进一步地，处理器具体用于：分别获取第一卫星、第二卫星的轨道运动信息；分别根据第一卫星的轨道运动信息和第二卫星的轨道运动信息，确定第一卫星和第二卫星的实时位置信息；根据第一卫星和第二卫星的实时位置信息，确定第一卫星和第二卫星之间的实时链路距离。
60.更进一步地，处理器具体用于：确定第一卫星与第二卫星之间的通信阶段；其中，通信阶段包括：通信链路建立阶段、通信链路维持阶段；根据通信阶段以及实时链路距离，确定第一卫星向第二卫星发射的激光光束的光束发散角。
61.再进一步地，处理器具体用于：获取第二卫星的姿态误差、载荷指向误差、定位误差；根据第二卫星的姿态误差、载荷指向误差、定位误差以及实时链路距离，确定第一卫星向第二卫星发射的激光光束的待定光束发散角；根据通信阶段以及待定光束发散角，对待定光束发散角进行调整，以得到第一卫星向第二卫星发射的激光光束的光束发散角。
62.在本发明实施例提供的激光发射系统中，具体实现方案请参照上述光束发散角控制方法，在这里不再一一陈述。
63.基于上述光束发散角控制方法，本发明实施例还提供了一种终端，如图7所示，其包括至少一个处理器（processor）70；显示屏71；以及存储器（memory）72，还可以包括通信接口（communications interface）77和总线74。其中，处理器70、显示屏71、存储器72和通信接口77可以通过总线74完成相互间的通信。显示屏71设置为显示初始设置模式中预设的用户引导界面。通信接口73可以传输信息。处理器70可以调用存储器72中的逻辑指令，以执行上述实施例中的方法。
64.此外，上述的存储器72中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
65.存储器72作为一种计算机可读存储介质，可设置为存储软件程序、计算机可执行程序，如本公开实施例中的方法对应的程序指令或模块。处理器70通过运行存储在存储器72中的软件程序、指令或模块，从而执行功能应用以及数据处理，即实现上述实施例中的方法。
66.存储器72可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器72可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器。例如，u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等多种可以存储程序代码的介质，也可以是暂态存储介质。
67.基于上述光束发散角控制方法，本发明实施例还提供了一种所述计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上任意一项所述的光束发散角控制方法中的步骤。
68.此外，上述存储介质以及终端中的多条指令处理器加载并执行的具体过程在上述方法中已经详细说明，在这里就不再一一陈述。
69.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有
的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
70.当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件（如处理器，控制器等）来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的计算机可读存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的计算机可读存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。
71.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。