本发明涉及星间激光通信，特别是涉及一种基于扫描步长优化的高概率和快速捕获星间激光的方法。
背景技术：
1、高速率、高安全性的星间激光链路有助于我国未来低轨互联网卫星之间的互联互通。小型化、低功耗、无信标光的激光通信终端，有利于低轨互联网卫星搭载并建立星间激光链路，但是会降低接收信噪比，在激光通信终端指向的扫描捕获阶段产生不利影响。卫星上的动量轮、推力器、制冷器等设备不可避免的引入平台振动扰动，使扫描光束产生抖动。在星间链路较远距离下，接收信噪比降低。发射光束抖动导致接收光学终端接收到的光强存在起伏闪烁。光强闪烁会导致无法检测到发射的光束，对星间激光捕获造成不利影响。
2、通信终端激光的捕获是星间激光链路建立的必要步骤。光学终端在不确定区域内沿着阿基米德等螺旋线轨迹进行扫描，可以解决建链过程中由双方光学终端收发视场小于不确定区域引起的初始指向对不准问题。但是现有的方法在设计扫描步长的重叠因子时，没有全面充分地考虑卫星平台振动和接收信噪比，从而导致扫描过程中发生漏扫，以及存在星间激光捕获成功概率低且耗时长的问题。
技术实现思路
1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于扫描步长优化的高概率和快速捕获星间激光的方法解决了现有方法存在漏扫、星间激光捕获成功概率低且耗时长的问题。
2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于扫描步长优化的高概率和快速捕获星间激光的方法，包括以下步骤：
3、s1：以卫星a为主动扫描方，卫星b为被动凝视方，建立卫星a和卫星b的相互初始指向；
4、s2：基于卫星a和卫星b的相互初始指向，计算指向误差和扫描区域范围；
5、s3：基于指向误差和扫描区域范围，建立星间激光的捕获时间期望模型；
6、s4：利用捕获时间期望模型优化等螺旋线扫描步长，并基于优化步长后的等螺旋线扫描策略进行扫描捕获，完成基于扫描步长优化的星间激光的高概率和快速捕获。
7、上述方案的有益效果是：本发明通过建立扫描时间关于扫描步长的理论分析模型，并对等螺旋线扫描方案的扫描步长进行优化设计。然后基于优化后的光学终端扫描方案进行扫描，高概率且快速地建立星间激光链路。本发明满足了卫星在平台抖动和低接收信噪比下高概率快速建立星间激光链路的要求。不需要改变现有的光学终端硬件设备，仅需要优化扫描步长。克服了现有方法在扫描步长优化设计上的不足，解决了现有方法存在漏扫、星间激光捕获成功概率低且耗时长的问题。
8、进一步地，所述s1中卫星a根据自身位置和星历表数据中卫星b的位置，调整光学转台指向卫星b，同时卫星b调整光学转台指向卫星a，建立所述卫星a和卫星b的相互初始指向。
9、上述进一步方案的有益效果是：卫星a和卫星b是两颗待建立星间激光链路的卫星，在准备发起建链时，两者根据星历表信息，调整卫星姿态和光学转台指向，双方的光学终端互相指向对方的位置，完成初始指向。其中卫星a为主动扫描的一方，卫星b为被动凝视的一方。
10、进一步地，所述s2中指向误差的计算公式为：
11、
12、其中，为指向误差的标准差，为由卫星的轨道误差造成的相对位置误差，为卫星姿态控制误差，为光学终端相对于卫星本体坐标系的安装误差；
13、所述扫描区域范围的计算公式为：
14、。
15、上述进一步方案的有益效果是：通过计算星间激光通信终端的初始指向误差，并根据准则计算卫星光学终端的扫描范围，以确保卫星b相对于卫星a的相对指向角度以超过99%的概率落在扫描范围内。
16、进一步地，所述s3中包括以下分步骤：
17、s3-1：在存在初始离轴和扫描光斑二维抖动的情况下，计算扫描平面上各位置的接收探测器到光斑中心的距离在不同时刻值的分布；
18、s3-2：根据接收探测器到光斑中心距离的变化情况，计算接收探测器接收光强值的分布；
19、s3-3：基于接收探测器接收光强值的分布、接收探测器输出的信号和噪声，计算接收探测器输出值的分布；
20、s3-4：基于接收探测器输出值的分布，计算接收探测器输出值大于阈值的概率，并作为接收端对发射光束的响应概率；
21、s3-5：将扫描步长设置成相邻扫描光斑部分重叠，并基于接收端对发射光束的响应概率，计算光斑重叠情况下的扫描捕获成功率，获得捕获时间期望模型。
22、上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，建立激光捕获时间期望模型，将其中包含的扫描步长视为自变量，得到激光捕获时间期望关于扫描步长的变化关系。
23、进一步地，所述s3-1中扫描平面上各位置的接收探测器到光斑中心的距离在不同时刻值的分布为：
24、
25、其中，为概率密度函数，为探测器到光束中心距离的平方，为光束抖动弧度均方根值，为无抖动情况下探测器到光束中心的距离，为修正的零阶第一类贝塞尔函数；
26、
27、
28、其中，为接收探测器的初始位置，为扰动光束。
29、进一步地，所述s3-2中接收探测器接收光强值的分布为：
30、
31、其中，为接收光强值，为变化的光束半径，为发射距离，为光束中心位置的光强；
32、
33、其中，为激光束腰斑宽度，为激光波长。
34、进一步地，所述s3-3中接收探测器输出值的分布为：
35、
36、其中，为接收探测器响应，为光电转换效率，为光束产生的光电流信号，为传感器噪声的均方根值，为噪声功率有效值；
37、
38、
39、其中，为电子电荷，为传感器电学带宽。
40、进一步地，所述s3-4中接收端对发射光束的响应概率为：
41、
42、其中，为阈值，为误差函数的补函数；
43、
44、其中，为虚假概率，为互补误差函数，为传感器噪声的均值。
45、上述进一步方案的有益效果是：在实际应用中，虚警概率通常是使用者人为设计指定的值。限制在较低水平上，以避免虚警事件触发后续频率同步动作导致时间浪费。
46、进一步地，所述s3-5中计算光斑重叠情况下的扫描捕获成功率，获得捕获时间期望模型，计算公式为：
47、
48、其中，为扫描平面上的扫描区域，为探测器初始位置在扫描平面内服从高斯分布，为期望计算公式，为多次重复扫描的时间；
49、
50、其中，为接收探测器对接收光束的累计检测概率，为当前扫描的轮数，为总的扫描轮数，为扫描程序执行结束的时间，为扫描程序中扫描到位置的预计扫描时间；
51、
52、其中，为接收探测器到若干个在理想情况下能够覆盖探测器的光束中心的距离。
53、进一步地，所述s4中利用捕获时间期望模型优化等螺旋线扫描步长，方法为：基于捕获时间期望模型，使用遗传算法求解最优等螺旋线扫描步长。
54、上述进一步方案的有益效果是：由于扫描捕获时间关于扫描步长的模型较为复杂，需要通过数值优化的方式求解最优扫描步长。本发明使用遗传算法求解最优扫描步长，并通过多次的随机初始化避免陷入局部最优解。
1.一种基于扫描步长优化的高概率和快速捕获星间激光的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于扫描步长优化的高概率和快速捕获星间激光的方法，其特征在于，所述s1中卫星a根据自身位置和星历表数据中卫星b的位置，调整光学转台指向卫星b，同时卫星b调整光学转台指向卫星a，建立所述卫星a和卫星b的相互初始指向。
3.根据权利要求1所述的基于扫描步长优化的高概率和快速捕获星间激光的方法，其特征在于，所述s2中指向误差的计算公式为：
4.根据权利要求1所述的基于扫描步长优化的高概率和快速捕获星间激光的方法，其特征在于，所述s3中包括以下分步骤：
5.根据权利要求4所述的基于扫描步长优化的高概率和快速捕获星间激光的方法，其特征在于，所述s3-1中扫描平面上各位置的接收探测器到光斑中心的距离在不同时刻值的分布为：
6.根据权利要求5所述的基于扫描步长优化的高概率和快速捕获星间激光的方法，其特征在于，所述s3-2中接收探测器接收光强值的分布为：
7.根据权利要求6所述的基于扫描步长优化的高概率和快速捕获星间激光的方法，其特征在于，所述s3-3中接收探测器输出值的分布为：
8.根据权利要求7所述的基于扫描步长优化的高概率和快速捕获星间激光的方法，其特征在于，所述s3-4中接收端对发射光束的响应概率为：
9.根据权利要求8所述的基于扫描步长优化的高概率和快速捕获星间激光的方法，其特征在于，所述s3-5中计算光斑重叠情况下的扫描捕获成功率，获得捕获时间期望模型，计算公式为：
10.根据权利要求1所述的基于扫描步长优化的高概率和快速捕获星间激光的方法，其特征在于，所述s4中利用捕获时间期望模型优化等螺旋线扫描步长，方法为：基于捕获时间期望模型，使用遗传算法求解最优等螺旋线扫描步长。
