基于ec-ekf算法的光學(xué)智能天線(xiàn)波束控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步設(shè)及一種光學(xué)智能天線(xiàn)波束控制方法，可用 于對(duì)多節(jié)點(diǎn)、高速移動(dòng)性、可靠性和實(shí)時(shí)性有較高要求的自由空間光通信系統(tǒng)中。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線(xiàn)激光通信，又稱(chēng)自由空間光通信FS0,是指利用激光束作為載波在空間，即大 氣、太空或海水中直接進(jìn)行數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻等多種業(yè)務(wù)雙向傳送的一種通信方式。它具有 容量大、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活和安全保密性高的等諸多優(yōu)點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)激光通信WLC網(wǎng)絡(luò)結(jié) 合了光纖通信大容量和無(wú)線(xiàn)通信自組網(wǎng)的雙重優(yōu)勢(shì)，使得其在幾年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注， 是公認(rèn)的未來(lái)"寬帶+無(wú)線(xiàn)"的優(yōu)良通信方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 由于WLC是一種視距傳輸系統(tǒng)，因而不太容易在移動(dòng)通信中建立穩(wěn)定的鏈路。如何 精準(zhǔn)、快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)較窄信號(hào)光的捕獲、對(duì)準(zhǔn)及跟蹤，進(jìn)而建立有效、可靠的通信鏈路，是 WLC的關(guān)鍵技術(shù)之一。現(xiàn)有的針對(duì)定點(diǎn)WLC的捕獲、對(duì)準(zhǔn)及跟蹤APT技術(shù)已較為成熟，只需要 通過(guò)人工操作將端機(jī)的光學(xué)天線(xiàn)安置到固定的位置和角度即可實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)，從而建立穩(wěn)定的 通信鏈路。而移動(dòng)WLC目前還處在起步階段，運(yùn)是因?yàn)閷?duì)于移動(dòng)特別是室外用途的高速移動(dòng) WLC系統(tǒng)，大氣效應(yīng)、目標(biāo)間相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)、通信終端載荷重量及功率限制等問(wèn)題對(duì)APT技術(shù) 的影響將更加顯著。
[0004] 在捕獲、對(duì)準(zhǔn)及跟蹤APT系統(tǒng)的研究上，國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者提出了 W下的研究思路：
[0005] Cap Gabriel A .，Refai Hakki H.等人在 "Optical tracking and auto-alig皿ent化ansceiver system"提出了一種對(duì)準(zhǔn)方案，即根據(jù)移動(dòng)過(guò)程中接收光斑落在 位置光電探測(cè)器PSD、電荷禪合元件CCD或四象限探測(cè)器孤上的誤差信息對(duì)萬(wàn)向節(jié)或振鏡進(jìn) 行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)中的對(duì)準(zhǔn)。但是該方法中存在的不足之處是，其天線(xiàn)采用機(jī)械伺服系 統(tǒng)，當(dāng)目標(biāo)間相對(duì)移動(dòng)速度較大時(shí)，機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)速率會(huì)影響通信進(jìn)程，且上述方法僅適用于短 距離的慢速通信，而且在持續(xù)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中的頻繁轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)時(shí)延，從而導(dǎo)致跟瞄精度出現(xiàn) 誤差，影響通信的實(shí)時(shí)性。
[0006] Tao Shang ,Yintang Yang等人在('Beam control method based on omni-direction曰I regul曰r icos曰hedron-sh曰ped optic曰I 曰ntenn曰 for mobile free-sp曰ce optical communication"中提出了一種基于正二十面體全向光學(xué)智能天線(xiàn)的波束控制方 法，該方法中天線(xiàn)根據(jù)本端收到的反饋信息判斷目標(biāo)是否處于發(fā)射單元重疊區(qū)，從而確定 切換方式，并將該信息反饋給光通路控制器W控制光開(kāi)關(guān)陣列的通斷，實(shí)現(xiàn)全向的、快速移 動(dòng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)激光通信。但是，該方法存在的不足之處是，需要同時(shí)打開(kāi)多個(gè)發(fā)射單元， 加大了功率消耗，并且一旦目標(biāo)移出該覆蓋區(qū)，鏈路中斷，天線(xiàn)必須被動(dòng)地等待目標(biāo)移動(dòng)到 已打開(kāi)的發(fā)射單元覆蓋范圍內(nèi)，重新建立鏈路，從而導(dǎo)致鏈路切換時(shí)延較長(zhǎng)，降低了通信的 實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。
[0007] 胡貞等人在"空間激光通信終端APT技術(shù)與系統(tǒng)研究"（兵工學(xué)報(bào)，VOl. 32，no.6， PP. 752-757，2011)中對(duì)機(jī)載空間激光通信APT系統(tǒng)提出了復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)控制模型。該模 型是在已研制的激光通信終端基礎(chǔ)上，利用成熟的光纖通信技術(shù)，用部分通信光作精信標(biāo) 光，對(duì)APT精跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。通過(guò)半實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)APT系統(tǒng)的跟蹤 性能，結(jié)果顯示APT系統(tǒng)性能大幅提高，其跟蹤誤差控制在了化radW內(nèi)。但是，該模型存在 的不足之處是，該系統(tǒng)的光學(xué)天線(xiàn)與兩軸四框架連在一起，由計(jì)算機(jī)控制外框架隨動(dòng)于內(nèi) 框架的兩軸四框架基臺(tái)，只能實(shí)現(xiàn)水平和俯仰兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，不利于任意方向信號(hào)的接 收與發(fā)射，從而導(dǎo)致系統(tǒng)捕獲跟蹤范圍降低，對(duì)準(zhǔn)精度減小，無(wú)法滿(mǎn)足高速移動(dòng)的無(wú)線(xiàn)激光 通信鏈路建立的需求。
[0008] 從W上分析可W看出，傳統(tǒng)的APT系統(tǒng)在低速移動(dòng)情形下能夠基本滿(mǎn)足通信要求， 但在高速移動(dòng)情形下，由于天線(xiàn)受機(jī)械性能和控制算法的影響，影響APT系統(tǒng)在高速移動(dòng)情 形下的跟瞄精度，鏈路的通信性能得不到較好地保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于EC-EKF算法的光學(xué)智 能天線(xiàn)波束控制方法，W滿(mǎn)足=維空間下多節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)激光通信鏈路的建立對(duì)高速移動(dòng)性、 可靠性和實(shí)時(shí)性的要求，提高APT系統(tǒng)在高速移動(dòng)情形下的跟瞄精度，降低系統(tǒng)功耗。
[0010] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0011] (1)設(shè)計(jì)光學(xué)智能天線(xiàn)：
[0012] 天線(xiàn)采用正二十面體結(jié)構(gòu)，每個(gè)面上按照自上而下、自左向右的規(guī)則均勻排列有 數(shù)個(gè)發(fā)射單元，接收單元均勻地鑲嵌在發(fā)射單元之間的空隙內(nèi)；該正二十面體按照逆時(shí)針、 自上而下對(duì)每個(gè)面設(shè)有編號(hào)，每個(gè)面上的發(fā)射單元按照自左向右、自上而下設(shè)有編號(hào)；
[0013] (2)天線(xiàn)波束控制：
[0014] (2a)將上述光學(xué)智能天線(xiàn)分別裝配在通信雙方的通信機(jī)上，通信雙方初始化鏈路 并建立鏈路鏈接；
[0015] (2b)在雙方通信進(jìn)程中，本端通信機(jī)判斷是否收到對(duì)端通信機(jī)天線(xiàn)發(fā)射的光信 號(hào)：
[0016] 如果收到光信號(hào)，則更新對(duì)端通信機(jī)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息；
[0017] 若未收到光信號(hào)，則關(guān)閉本端天線(xiàn)當(dāng)前的發(fā)射單元，執(zhí)行步驟(2c);
[0018] (2c)利用誤差修正的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法EC-EKF預(yù)測(cè)對(duì)端通信機(jī)的下一時(shí)刻運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)信息，即利用前一時(shí)刻的誤差值修正當(dāng)前時(shí)刻預(yù)測(cè)值，得到對(duì)端通信機(jī)的下一時(shí)刻 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息預(yù)測(cè)值；
[0019] (2d)根據(jù)(2c)得到的預(yù)測(cè)值確定對(duì)端通信機(jī)對(duì)應(yīng)本端天線(xiàn)的發(fā)射單元編號(hào)，重新 建立與對(duì)端通信機(jī)的鏈接，繼續(xù)進(jìn)行雙方通信進(jìn)程。
[0020] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0021] 第一、本發(fā)明采用了正二十面體結(jié)構(gòu)的光學(xué)智能天線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)天線(xiàn)在全向空 間內(nèi)的發(fā)射和接收，克服了現(xiàn)有技術(shù)中天線(xiàn)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)速率對(duì)通信進(jìn)程影響大和天線(xiàn)瞄準(zhǔn)精 度誤差大的缺點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的通信實(shí)時(shí)性和跟瞄精度。
[0022] 第二、本發(fā)明由于采用了EC-EKF算法來(lái)實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的波束控制，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)天線(xiàn)在 =維空間內(nèi)高速移動(dòng)下無(wú)線(xiàn)激光通信系統(tǒng)的全向捕獲、跟蹤和對(duì)準(zhǔn)，并且在通信過(guò)程的每 個(gè)時(shí)段只需打開(kāi)一個(gè)發(fā)射單元，克服了現(xiàn)有技術(shù)中全向天線(xiàn)需要打開(kāi)較多發(fā)射單元保持通 信，造成功率損耗較大的缺點(diǎn);本發(fā)明根據(jù)預(yù)測(cè)的對(duì)端下一時(shí)刻位置信息，直接控制對(duì)應(yīng)發(fā) 射單元的打開(kāi)與關(guān)閉，克服了現(xiàn)有技術(shù)中需要區(qū)分發(fā)射面與發(fā)射單元切換類(lèi)型的繁瑣過(guò) 程，有效降低了切換時(shí)延，改善了系統(tǒng)的通信效率。
[0023] 第S、本發(fā)明由于提出了誤差修正的擴(kuò)展卡爾曼算法EC-EKF，提高了對(duì)目標(biāo)位置 預(yù)測(cè)的精度，保障了通信鏈路的建立，克服了現(xiàn)有技術(shù)中高速移動(dòng)情形下目標(biāo)位置預(yù)測(cè)精 度低，APT系統(tǒng)跟瞄精度低的缺點(diǎn)，能夠預(yù)測(cè)出通信端機(jī)在S維空間內(nèi)的位置信息，從而建 立起可靠光鏈路，提高了系統(tǒng)的預(yù)測(cè)性能，保證了高速移動(dòng)自由空間光通信系統(tǒng)的可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1是本發(fā)明的總流程圖；
[0025] 圖2是本發(fā)明的波束控制總流程圖；
[0026] 圖3是本發(fā)明中對(duì)發(fā)射單元初始化的子流程圖；
[0027] 圖4是本發(fā)明使用的通信端機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖5是本發(fā)明中設(shè)計(jì)的通信端機(jī)中光學(xué)智能天線(xiàn)模型示意圖；
[0029] 圖6是本發(fā)明中光學(xué)智能天線(xiàn)整體覆蓋范圍示意圖；
[0030] 圖7是本發(fā)明中發(fā)射單元發(fā)射出的圓形光斑填充方式；
[0031 ]圖8是本發(fā)明中光學(xué)智能天線(xiàn)接收單元分布示意圖；
[0032] 圖9是本發(fā)明中光學(xué)智能天線(xiàn)發(fā)射面和發(fā)射單元編號(hào)示意圖；
[0033] W下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明