[发明专利]基于EC-EKF算法的光学智能天线波束控制方法

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及一种光学智能天线波束控制方法，可用于 对多节点、高速移动性、可靠性和实时性有较高要求的自由空间光通信系统中。

背景技术

无线激光通信，又称自由空间光通信FSO，是指利用激光束作为载波在空间，即大 气、太空或海水中直接进行数据、语音和视频等多种业务双向传送的一种通信方式。它 具有容量大、抗干扰能力强、组网灵活和安全保密性高的等诸多优点，无线激光通信 WLC网络结合了光纤通信大容量和无线通信自组网的双重优势，使得其在几年来受到了 广泛的关注，是公认的未来“宽带+无线”的优良通信方式，具有广阔的应用前景。

由于WLC是一种视距传输系统，因而不太容易在移动通信中建立稳定的链路。如何 精准、快速地实现对较窄信号光的捕获、对准及跟踪，进而建立有效、可靠的通信链路， 是WLC的关键技术之一。现有的针对定点WLC的捕获、对准及跟踪APT技术已较为成熟， 只需要通过人工操作将端机的光学天线安置到固定的位置和角度即可实现对准，从而建 立稳定的通信链路。而移动WLC目前还处在起步阶段，这是因为对于移动特别是室外用 途的高速移动WLC系统，大气效应、目标间相对高速运动、通信终端载荷重量及功率限 制等问题对APT技术的影响将更加显著。

在捕获、对准及跟踪APT系统的研究上，国内外部分学者提出了以下的研究思路：

CapGabrielA.，RefaiHakkiH.等人在“Opticaltrackingandauto-alignment transceiversystem”提出了一种对准方案，即根据移动过程中接收光斑落在位置光电 探测器PSD、电荷耦合元件CCD或四象限探测器QD上的误差信息对万向节或振镜进行 调节，从而实现移动中的对准。但是该方法中存在的不足之处是，其天线采用机械伺服 系统，当目标间相对移动速度较大时，机械转动速率会影响通信进程，且上述方法仅适 用于短距离的慢速通信，而且在持续对准过程中的频繁转动会出现时延，从而导致跟瞄 精度出现误差，影响通信的实时性。

TaoShang，YintangYang等人在“Beamcontrolmethodbasedonomni-directional regularicosahedron-shapedopticalantennaformobilefree-spaceoptical communication”中提出了一种基于正二十面体全向光学智能天线的波束控制方法，该 方法中天线根据本端收到的反馈信息判断目标是否处于发射单元重叠区，从而确定切换 方式，并将该信息反馈给光通路控制器以控制光开关阵列的通断，实现全向的、快速移 动的点对点无线激光通信。但是，该方法存在的不足之处是，需要同时打开多个发射单 元，加大了功率消耗，并且一旦目标移出该覆盖区，链路中断，天线必须被动地等待目 标移动到已打开的发射单元覆盖范围内，重新建立链路，从而导致链路切换时延较长， 降低了通信的实时性和稳定性。

胡贞等人在“空间激光通信终端APT技术与系统研究”(兵工学报,vol.32,no.6, pp.752-757,2011)中对机载空间激光通信APT系统提出了复合轴跟踪系统控制模型。 该模型是在已研制的激光通信终端基础上，利用成熟的光纤通信技术，用部分通信光作 精信标光，对APT精跟踪系统进行了改进。通过半实物模拟实验系统，验证了所设计 APT系统的跟踪性能，结果显示APT系统性能大幅提高，其跟踪误差控制在了2μrad 以内。但是，该模型存在的不足之处是，该系统的光学天线与两轴四框架连在一起，由 计算机控制外框架随动于内框架的两轴四框架基台，只能实现水平和俯仰两个方向的转 动，不利于任意方向信号的接收与发射，从而导致系统捕获跟踪范围降低，对准精度减 小，无法满足高速移动的无线激光通信链路建立的需求。

从以上分析可以看出，传统的APT系统在低速移动情形下能够基本满足通信要求， 但在高速移动情形下，由于天线受机械性能和控制算法的影响，影响APT系统在高速移 动情形下的跟瞄精度，链路的通信性能得不到较好地保证。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于EC-EKF算法的光学智 能天线波束控制方法，以满足三维空间下多节点无线激光通信链路的建立对高速移动 性、可靠性和实时性的要求，提高APT系统在高速移动情形下的跟瞄精度，降低系统功 耗。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：