Бортовое приемное устройство лазерной системы передачи информации

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в бортовых приемо-передающих терминалах лазерных систем передачи информации космических и летательных аппаратов. Технический результат заключается в повышении средней скорости передачи информации при использовании протоколов передачи информации с установлением связи по обратному каналу в изменяющихся условиях связи. Для этого вводят новые элементы: счетчик сбоев, логическое устройство, усилитель-преобразователь, и связи между ними и другими элементами, а также используют детектор поиска и слежения с управляемой шириной полосы захвата. При этом с целью повышения качества связи при наличии ошибок наведения оптических антенн в условиях изменяющихся условий связи предлагается поддерживать оптимальную ширину полосы захвата устройства слежения на основе оценки состояния лазерного канала связи. Предлагаемое устройство позволяет в течение всего сеанса связи поддерживать оптимальную ширину полосы захвата устройства слежения, обеспечивающую наилучшее (потенциально возможное для текущих условий) качество связи, характеризуемое максимумом средней скорости передачи информации. 2 ил.

 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в бортовых приемно-передающих терминалах лазерных систем передачи информации космических и летательных аппаратов, в которых предусмотрено установление связи по обратному каналу.

Узкие диаграммы направленности оптических антенн, обеспечивающие эффективное использование выходной мощности лазерных передатчиков и высокую пространственную скрытность передачи информации по лазерным каналам приводят к проблеме наведения и слежения в лазерных системах передачи информации. Особенно остро эта проблема стоит в лазерных системах передачи информации космических и летательных аппаратов, движение которых приводит к непрерывному изменению условий связи и необходимости слежения за движущимися объектами для наведения излучаемого лазерного пучка и углового поля оптического приемника.

В бортовых терминалах лазерных систем передачи информации, использующих протоколы передачи информации с установлением связи по обратному каналу, может осуществляться оптимизация ширины полосы захвата устройства слежения. При наличии ошибок наведения оптических антенн от величины ширины полосы захвата устройства слежения зависит вероятность срыва слежения, кроме того, величина ширины полосы захвата устройства слежения влияет на вероятность ошибочного приема информационного символа, поскольку от ширины полосы захвата зависит диапазон изменения уровня сигнала на входе оптического приемника. Достигаемый при выборе оптимальной ширины полосы захвата устройства слежения компромисс между вероятностью ошибочного приема информационного символа и вероятностью срыва слежения обеспечивает в лазерных системах передачи информации с обратным каналом максимальную среднюю скорость передачи информации.

Наличие в лазерных системах передачи информации с установлением связи по обратному каналу оптимального соотношения между уровнем принимаемого сигнала, шириной полосы захвата устройства слежения и среднеквадратической ошибкой наведения лазерного пучка физически объясняется тем, что при фиксированных выходной мощности лазерного передатчика, ширине излучаемого лазерного пучка и среднеквадратической ошибке его наведения увеличение ширины полосы захвата устройства слежения приводит, с одной стороны, к увеличению вероятности ошибочного приема информационного символа в процессе слежения, с другой стороны, к уменьшению вероятности срыва слежения. При этом увеличение вероятности ошибочного приема информационного символа при использовании протоколов передачи информации с установлением связи по обратному каналу (например, ARQ-протоколов) приводит к увеличению числа повторов передачи искаженных информационных пакетов и снижению скорости передачи информации. Если же при фиксированных выходной мощности лазерного передатчика, ширине излучаемого лазерного пучка и среднеквадратической ошибке его наведения ширина полосы захвата устройства слежения уменьшается, то, напротив, уменьшается вероятность ошибочного приема информационного символа и число повторов передачи искаженных пакетов в процессе слежения, но увеличивается вероятность срыва слежения и происходит уменьшение средней скорости передачи информации за счет потери времени для повторного вхождения в связь после срывов слежения.

В этих условиях необходимо выбирать оптимальное значение ширины полосы захвата устройства слежения, которое в динамично меняющихся условиях функционирования лазерных систем передачи информации космических и летательных аппаратов может изменяться в широких пределах. Если же при выборе ширины полосы захвата устройства слежения не учитывать изменения оптимального соотношения между шириной полосы захвата устройства слежения и средней скорости передачи информации при изменении условий связи, то для повышения качества связи необходимо увеличивать энергетический потенциал системы, что для бортовых приемно-передающих терминалов космических и летательных аппаратов может быть сопряжено с техническими ограничениями.

Оптимизация ширины полосы захвата устройства слежения по критерию обеспечения максимальной средней скорости передачи информации позволяет обеспечить в лазерных системах передачи информации с установлением связи по обратному каналу наименьшее время передачи запланированного объема информации с гарантированной достоверностью в реальных условиях функционирования системы и с учетом ограничений на техническую реализацию.

Известны стационарные наземные лазерные приемно-передающие терминалы, у которых ширина полосы захвата устройства слежения фиксированная и выбирается на этапе установки терминалов, а в процессе функционирования системы остается неизменной [1]. Такие системы эффективны только в стационарных условиях связи, когда ошибки наведения лазерных пучков и расстояние между терминалами остаются неизменными, а вероятность срыва слежения мала. При правильном выборе ширины полосы захвата устройства слежения в них возможно достижение и поддержание наилучшего (потенциально возможного для данных условий) значения средней скорости передачи информации.

Известны бортовые лазерные системы передачи информации космических и летательных аппаратов, работающие на этапе поиска и вхождения в связь с широкой полосой захвата устройства слежения, а после перехода в режим автосопровождения - с ограничением ширины полосы захвата устройства слежения [2]. Угловые размеры ширины полосы захвата устройства слежения выбираются на этапе предполетной подготовки, исходя из ожидаемых условий связи, и на этапе применения не изменяются. Недостатком таких систем является то, что при отклонениях условий связи от ожидаемых вследствие взаимного движения объектов, которые поддерживают связь, качество связи ухудшается по сравнению с потенциально возможным.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является бортовое приемное устройство лазерной системы передачи информации с наведением узких лазерных пучков, по которым передается информация, по сигналам лазерных маяков, входящих в состав приемно-передающих терминалов, и с установлением связи по обратному каналу [3]. Структурная схема такого устройства приведена на рисунке 1.

Устройство включает последовательно расположенные на одной оптической оси и оптически связанные оптическую антенну информационного канала 4, пространственный фильтр 3 и фотодетектор 2, к выходу которого подключено декодирующее устройство 1, последовательно расположенные на параллельной оптической оси и оптически связанные лазерный маяк 5, полупрозрачное зеркало 7 и оптическую антенну канала маяка 6, а также детектор поиска и слежения 8 с двумя выходами, систему наведения оптических антенн 9, кодирующее устройство обратного канала 10 двумя входами и модулятор обратного канала 11. Выход декодирующего устройства 1 связан первым входом кодирующего устройства обратного канала 10, оптический вход детектора поиска и слежения 8 через полупрозрачное зеркало 7 связан с оптической антенной канала маяка 6, первый выход детектора поиска и слежения 8 связан с электрическим входом системы наведения оптических антенн 9, а второй его выход связан со вторым входом кодирующего устройства обратного канала 10, выход кодирующего устройства обратного канала 10 связан с модулятором обратного канала 11, выход которого подключен управляющему входу лазерного маяка 5, а выходы системы наведения оптических антенн 9 связаны с управляющими входами оптических антенн информационного канала 4 и канала маяка 6.

Устройство работает следующим образом. Принимаемое излучение информационного канала проходит через оптическую антенну информационного канала 4, пространственный фильтр 3, осуществляющий фильтрацию фонового шума, и поступает на вход фотодетектора 2. В фотодетекторе 2 осуществляется преобразование модулированного по амплитуде оптического излучения в электрический сигнал, который поступает на вход декодирующего устройства 1, реализующего декодирование сообщений с обнаружением ошибок. С выхода декодирующего устройства 1 сообщения поступают к получателю информации, а признак результата декодирования, сформированный в соответствии с используемым протоколом передачи информации, поступает на кодирующее устройство обратного канала 10, формирующее служебное сообщение с подтверждением приема или запросом повторной передачи, которое передается по обратному каналу. Это служебное сообщение через модулятор обратного канала 11 поступает на управляющий вход лазерного маяка 5, используемого в качестве передатчика обратного канала, и модулирует его выходное излучение. Лазерный маяк 5 работает непрерывно в течение всего времени передачи запланированного объема информации по информационному каналу и формирует широкий пучок, по которому осуществляется наведение узкого лазерного пучка информационного канала с объекта, с которым поддерживается связь. Излучение лазерного маяка 5 проходит через полупрозрачное зеркало 7 и излучается оптической антенной канала маяка 6. Наведение оптических антенн информационного канала 4 и канала маяка 6 осуществляется системой наведения оптических антенн 9 по принимаемому излучению лазерного маяка, расположенного на объекте, с которым поддерживается связь. Сигналы, управляющие системой наведения оптических антенн 9, формируются в детекторе поиска и слежения 8, который по сигналу, принимаемому оптической антенной канала маяка, выделяет текущую ошибку наведения и вырабатывает сигналы управления, поступающие с его первого выхода на электрический вход системы наведения оптических антенн 9, а со второго его выхода второй вход кодирующего устройства обратного канала 10 поступает сигнал срыва слежения. Полупрозрачное зеркало 7 пропускает модулированное информацией обратного канала излучение лазерного маяка 5 в направлении оптической антенны канала маяка 6, а принимаемое излучение лазерного маяка от объекта, с которым поддерживается связь, пропускает в направлении детектора поиска и слежения 8. При срыве слежения кодирующее устройство обратного канала 10 в соответствии с используемым протоколом передачи информации формирует служебное сообщение об остановке передачи, которое передается по обратному каналу. После осуществления детектором поиска и слежения 8 повторного вхождения в связь, со второго его выхода второй вход кодирующего устройства обратного канала 10 поступает сигнал об установлении слежения, и кодирующее устройство обратного канала 10 в соответствии с используемым протоколом передачи информации формирует служебное сообщение о возобновлении передачи, которое передается по обратному каналу. Служебные сообщения об остановке и возобновлении передачи через модулятор обратного канала 11 поступают на управляющий вход лазерного маяка 5 и модулирует его выходное излучение. В результате передача информации по информационному каналу прекращается при срыве слежения и продолжается при повторном вхождении в связь. Ширина полосы захвата устройства слежения определяется детектором поиска и слежения 8 и в процессе работы устройства остается неизменной.

Недостатком известного устройства в реальных условиях связи по лазерным каналам с космическими и летательными аппаратами является снижение при изменении дальности и условий связи средней скорости передачи информации по сравнению с потенциально возможным в текущих условиях значением. Это обусловлено тем, что при изменении дальности связи изменяется уровень принимаемых оптических сигналов, а в изменяющихся условиях связи фиксированная ширина полосы захвата устройства слежения не является оптимальной. Для того, чтобы в таких условиях обеспечить наилучшее (потенциально возможное для текущих условий) качество связи и максимальную среднюю скорость передачи информации, необходимо в соответствии с изменяющимися условиями связи управлять шириной полосы захвата устройства слежения, что в известном устройстве не предусмотрено.

Целью изобретения является повышение средней скорости передачи информации при использовании протоколов передачи информации с установлением связи по обратному каналу в изменяющихся условиях связи.

Указанная цель достигается тем, что в бортовое приемное устройство лазерной системы передачи информации, содержащее последовательно расположенные на одной оптической оси и оптически связанные оптическую антенну информационного канала, пространственный фильтр и фотодетектор, к выходу которого подключено декодирующее устройство, последовательно расположенные на параллельной оптической оси и оптически связанные лазерный маяк, полупрозрачное зеркало и оптическую антенну канала маяка, а также детектор поиска и слежения с двумя выходами, систему наведения оптических антенн, кодирующее устройство обратного канала двумя входами и модулятор обратного канала, причем выход декодирующего устройства связан первым входом кодирующего устройства обратного канала, оптический вход детектора поиска и слежения через полупрозрачное зеркало связан с оптической антенной канала маяка, первый выход детектора поиска и слежения связан с электрическим входом системы наведения оптических антенн, а второй его выход связан со вторым входом кодирующего устройства обратного канала, выход кодирующего устройства обратного канала связан с модулятором обратного канала, выход которого подключен управляющему входу лазерного маяка, а выходы системы наведения оптических антенн связаны с управляющими входами оптических антенн информационного канала и канала маяка, введены последовательно соединенные счетчик сбоев, логическое устройство и усилитель-преобразователь и используются детектор поиска и слежения с управляемой шириной полосы захвата, при этом вход счетчика сбоев связан с выходом декодирующего устройства, а выход усилителя-преобразователя связан с управляющим входом детектора поиска и слежения с управляемой шириной полосы захвата.

Структурная схема предлагаемого бортового приемного устройства лазерной системы передачи информации приведена на рисунке 2. Цифрами обозначены: декодирующее устройство 1, фотодетектор 2, пространственный фильтр 3, оптическая антенна информационного канала 4, лазерный маяк 5, оптическая антенна канала маяка 6, полупрозрачное зеркало 7, детектор поиска и слежения 8, система наведения оптических антенн 9, кодирующее устройство обратного канала 10, модулятор обратного канала 11, счетчик сбоев 12, логическое устройство 13 и усилитель-преобразователь 14.

Устройство работает следующим образом. Принимаемое излучение информационного канала проходит через оптическую антенну информационного канала 4, пространственный фильтр 3, осуществляющий фильтрацию фонового шума, и поступает на вход фотодетектора 2. В фотодетекторе 2 осуществляется преобразование модулированного по амплитуде оптического излучения в электрический сигнал, который поступает на вход декодирующего устройства 1, реализующего декодирование сообщений с обнаружением ошибок. С выхода декодирующего устройства 1 сообщения поступают к получателю информации, а признак результата декодирования, сформированный в соответствии с используемым протоколом передачи информации, поступает на кодирующее устройство обратного канала 10 и в счетчик сбоев 12. Кодирующее устройство обратного канала 10 формирует служебное сообщение с подтверждением приема или запросом повторной передачи, которое передается по обратному каналу, а счетчик сбоев 12 подсчитывает количество запросов повторной передачи, соответствующих количеству обнаруженных ошибок, за установленный интервал накопления. По окончании интервала накопления результат подсчета поступает из счетчика сбоев 12 в логическое устройство 13, при этом счетчик сбоев 12 обнуляется и подсчет запросов повторной передачи начинается сначала. Служебное сообщение с подтверждением приема или запросом повторной передачи через модулятор обратного канала 11 поступает на управляющий вход лазерного маяка 5, используемого в качестве передатчика обратного канала, и модулирует его выходное излучение. Лазерный маяк 5 работает непрерывно в течение всего времени передачи запланированного объема информации по информационному каналу и формирует широкий пучок, по которому осуществляется наведение узкого лазерного пучка информационного, канала с объекта, с которым поддерживается связь. Излучение лазерного маяка 5 проходит через полупрозрачное зеркало 7 и излучается оптической антенной канала маяка 6. Наведение оптических антенн информационного канала 4 и канала маяка 6 осуществляется системой наведения оптических антенн 9 по принимаемому излучению лазерного маяка, расположенного на объекте, с которым поддерживается связь. Сигналы, управляющие системой наведения оптических антенн 9, формируются в детекторе поиска и слежения 8, который по сигналу, принимаемому оптической антенной канала маяка, выделяет текущую ошибку наведения и вырабатывает сигналы управления, поступающие с его первого выхода на электрический вход системы наведения оптических антенн 9, а со второго его выхода второй вход кодирующего устройства обратного канала 10 поступает сигнал срыва слежения. Полупрозрачное зеркало 7 пропускает модулированное информацией обратного канала излучение лазерного маяка 5 в направлении оптической антенны канала маяка 6, а принимаемое излучение лазерного маяка от объекта, с которым поддерживается связь, пропускает в направлении детектора поиска и слежения 8. При срыве слежения кодирующее устройство обратного канала 10 в соответствии с используемым протоколом передачи информации формирует служебное сообщение об остановке передачи, которое передается по обратному каналу. После осуществления детектором поиска и слежения 8 повторного вхождения в связь, со второго его выхода второй вход кодирующего устройства обратного канала 10 поступает сигнал об установлении слежения, и кодирующее устройство обратного канала 10 в соответствии с используемым протоколом передачи информации формирует служебное сообщение о возобновлении передачи, которое передается по обратному каналу. Служебные сообщения об остановке и возобновлении передачи через модулятор обратного канала 11 поступают на управляющий вход лазерного маяка 5 и модулирует его выходное излучение. В результате передача информации по информационному каналу прекращается при срыве слежения и продолжается при повторном вхождении в связь. Ширина полосы захвата устройства слежения определяется детектором поиска и слежения 8 и в процессе работы устройства регулируется в зависимости от условий связи. Для этого в логическом устройстве 13 результат подсчета запросов повторной передачи сравнивается с установленным порогом и в случае превышения порога поступает на вход усилителя-преобразователя 14, управляющего шириной полосы захвата детектора поиска и слежения 8. Передаточная характеристика усилителя-преобразователя 14 соответствует установленной на этапе проектирования системы зависимости между средним числом повторов, оцениваемым с помощью счетчика сбоев, и оптимальной шириной полосы захвата устройства слежения, обеспечивающей при заданных характеристиках передаваемого информационного потока и известных точностных характеристиках системы наведения оптических антенн 9 наилучшее качество связи по критерию максимума средней скорости передачи информации. Порог логического устройства 13 устанавливается в зависимости от времени накопления счетчика сбоев 12 и от допустимой вероятности срыва слежения, определяющей минимально допустимую ширину полосы захвата.

Благодаря введению новых элементов - счетчика сбоев, логического устройства и усилителя-преобразователя - и связей между ними и другими элементами, а также использованию детектора поиска и слежения с управляемой шириной полосы захвата в предлагаемом устройстве достигается положительный эффект по сравнению с известным устройством: повышается средняя скорость передачи информации при использовании протоколов передачи информации с установлением связи по обратному каналу в изменяющихся условиях связи.

При использовании предлагаемого устройства в лазерных системах передачи информации космических и летательных аппаратов в динамично изменяющихся условиях связи, обусловленных движением объектов, между которыми поддерживается связь, на основе оценки текущего состояния канала передачи информации в течение всего сеанса связи поддерживается оптимальная ширина полосы захвата детектора поиска и слежения, обеспечивающего наилучшее (потенциально возможное для текущих условий) качество связи, характеризуемое максимумом средней скорости передачи информации. Тем самым достигается цель предлагаемого изобретения.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Пратт В.К. Лазерные системы связи: Пер. с англ. - М.: Связь, 1972. - С.14-19.

2. Минаев И.В., Мордовии А.А., Шереметьев А.Г. Лазерные информационные системы космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1981. - С.84-86.

3. Чуковский Н.Н., Крюкова И.В., Состояние и перспективы межспутниковой оптической связи. - М.: Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение, 1998. - С.67-74.

Бортовое приемное устройство лазерной системы передачи информации, содержащее последовательно расположенные на одной оптической оси и оптически связанные фотодетектор, пространственный фильтр, оптическую антенну информационного канала, а также декодирующее устройство, последовательно расположенные на параллельной оптической оси и оптически связанные лазерный маяк и оптическую антенну канала маяка, а также детектор поиска, слежения и систему наведения оптических антенн и модулятор обратного канала, причем оптический вход детектора поиска и слежения через полупрозрачное зеркало связан с оптической антенной канала маяка, выход детектора поиска и слежения связан с электрическим входом системы наведения оптических антенн, выход фотодетектора связан с электрическим входом декодирующего устройства, электрический вход модулятора обратного канала связан с выходом декодирующего устройства, а выходы системы наведения оптических антенн связаны с управляющими входами оптических антенн информационного канала и канала маяка, отличающееся тем, что в устройство введены счетчик сбоев, логическое устройство, усилитель-преобразователь и используется управляемая оптическая система формирования ширины полосы захвата устройства слежения, при этом счетчик сбоев устанавливается на параллельной оси, с его помощью вход логического устройства электрически связан с декодирующим устройством, выход логического устройства электрически связан со входом усилителя-преобразователя, выход усилителя-преобразователя подключен к управляющему входу детектора поиска и сложения с управляемой шириной полосы захвата.