[发明专利]小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪装置及方法

说明书

小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪装置及方法属于无线光通信技术领域。现有技术尚未实现小型无人机与地面端单向无线光通信。本发明之对准跟踪装置包括地面端和无人机端；无人机端由小型无人机承载；在无人机端中，惯性传感器、成像光学系统安装于二维转台上；跟踪相机安装于成像光学系统焦平面处；惯性传感器、跟踪相机分别与控制器连接；控制器与二维转台、射频通信模块分别连接；在地面端，成像光学系统安装于二维转台上；跟踪相机安装于成像光学系统焦平面处；跟踪相机与控制器连接；控制器与二维转台、射频通信模块分别连接；跟踪辅助光源发光方向朝向无人机端。无人机端、地面端彼此对准跟踪同步动态进行；均包括初始对准、粗跟踪、精跟踪。

技术领域

本发明涉及一种小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪装置及方法，属于无线光通信技术领域。

背景技术

无人机的应用范围很广。在军用方面，当作为空中侦察平台和武器平台时，通过携带不同的装备，能够执行侦察监视、目标定位、通信中继、电子干扰、对地攻击以及攻击损伤有效性评估等任务。在民用方面，无人机可用于航空摄影、气象探测、勘探测绘、环境研究、核辐射探测、通信中继、水灾监视、森林火灾防救、电力线路检查、大型牧场和城区监视等。

通信系统是无人机重要的组成部分，维系着空中的无人机与外界之间的信息交换，如空中无人机之间、空中无人机与地面端之间的信息交换，能够满足无人机起降控制、平台监控、传感器监控、任务执行以及传感器数据传输的需要。随着无人机性能的加强和功能的提升，射频通信在通信速率和通信带宽方面已经不能满足要求，唯有无线光通信方能胜任。

对准、跟踪是无线光通信的一个前提环节，作为通信双方或者通信一方的无人机，必需安装对准跟踪系统，这样才能建立和保持彼此之间的无线光通信。

大型无人机的无线光通信的通信距离为百公里级别，并且，由于其任务需求，其无线光通信多为双向通信，包括空中无人机之间、空中无人机与地面端之间的通信，这就要求其对准跟踪系统应当具有高精度、高稳定性的对准、跟踪能力。为此，要求大型无人机使用的无线光通信对准、跟踪装置能够依次完成初始对准、粗跟踪、精跟踪。如图1所示，二维转台固定在无人机上，主光学系统、信标光发射光学系统、粗跟踪接收光学系统均安装在二维转台上，且三者光轴平行；信标光光源位于信标光发射光学系统焦点；信标光发射光学系统束散角大于主光学系统束散角，粗跟踪接收光学系统视场大于主光学系统视场。GPS定位模块与初始对准控制单元电连接；GPS定位模块采集、记录本身无人机位置信息，并同时传输给初始对准控制单元和对方无人机；同样，初始对准控制单元也实时接收对方无人机位置信息；在处理本身无人机、对方无人机位置信息后，发送控制信号驱动二维转台调整姿态，直到对方无人机进入到本身无人机粗跟踪接收光学系统视场，完成初始对准。

双方无人机中的信标光光源发出的光由信标光发射光学系统作为信标光照向对方无人机，由主光学系统、粗跟踪接收光学系统接收。

粗跟踪相机安装于粗跟踪接收光学系统焦点处；粗跟踪接收光学系统接收来自对方无人机的信标光并成像于粗跟踪相机上，由粗跟踪相机给出双方主光学系统之间的偏移信息，传输给粗跟踪控制单元后，经粗跟踪控制单元计算纠偏调整量，发送控制信号驱动二维转台调整姿态，直到对方主光学系统进入本身无人机主光学系统视场，完成粗跟踪。

主光学系统接收的来自对方无人机的信标光依次由快速倾斜镜1、三波长选择分光片2、两波长选择分光片3的反射，由精跟踪接收光学系统接收；精跟踪相机安装于精跟踪接收光学系统焦点处；精跟踪接收光学系统接收的来自对方无人机的信标光成像于精跟踪相机上，由精跟踪相机给出双方主光学系统之间的微小偏移信息，传输给精跟踪控制单元后，经精跟踪控制单元计算纠偏调整量，发送控制信号驱动快速倾斜镜1调整姿态，直到对方主光学系统与本身无人机主光学系统同轴，完成精跟踪。