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面向射频静默环境下的全光导航定位系统

成果类型:: 发明专利

发布时间: 2023-11-02 10:19:28

科技成果产业化落地方案
方案提交机构:“科创中国”航空制造产业科技服务团| 杨亮 | 2023-11-16 11:25:47
空间激光通信以其抗干扰能力强、建链速度快、传输速率高、体积功耗小等特性,逐渐成为一种在无GPS或者强电磁干扰场景下,有效解决远距离数据通信与导航定位的手段。设计通过发射扫描光束构建具有导航信息的光场,利用激光扫描方式形成激光光场对特定区域进行覆盖,实现射频静默环境下的快速导航;基于光场机理创新提出空间四象限主动激光导航技术,实现0.1mrad量级精准定位;同时依托激光调制实现导航覆盖范围内运动载体的实时信息传递。使得无人机、飞机等运动平台主动获得导航位置信息,实现航空自主导航(PNT)的目的。
空间定位与导航技术是现代航空领域核心技术之一,能够准确快速的定位两个运动物体之间的位置和姿态等信息。设计通过激光扫描光场构建一种新型空间定位系统,发射扫描光束构建具有导航信息的光场,使得飞机、无人机等高速运动平台快速获得相对的位置信息。 1)针对大气湍流信道、射频静默等复杂环境,本文创新性的提出利用快速反射镜和激光束形成激光光场,利用接收高斯光束能量的差异,并结合激光测距,实现定位精度高、保密性好、体积小、抗干扰能力强、能够兼顾数据传输的全光导航定位系统。 2)针对激光发射束散角度较小初始对准困难的问题,本文创新性的提出利用扫描振镜控制激光束进行20°×10°的远距离大范围扫描,建立扫描光场,实现大立体角度空间区域覆盖,实现低精度的测角测距。 3)针对飞行器近距离导航时高精度距离角度的需求,本文创新性的提出在近距模式下,控制激光束进行空间四象限定位,其测角精度达到0.1~0.3mrad,实现高精度的测角测距。

在未来的空军航空装备中,射频静默是战场中不可避免的现象,那么如何在射频静默的条件下实现飞机导航成为研究重点。空间激光通信具有不占用频谱资源、通信速率高、抗干扰和抗截获能力强、轻小型化等优点,可以解决传统通信手段传输速率低、海量信息无法实时快速安全传输等难题。逐渐成为一种在无GPS或者强电磁干扰场景下,有效解决导航定位与高速数据通信的发展趋势。在航空战斗中,动态的建链与高稳定性的通信与导航是战争中获取胜利的必要保障,而基于扫描光场的全光导航系统不仅可以实现高精度的定位,同时可以兼顾高速通信数据的传输,因此将激光通信技术应用在自主导航系统中是十分必要的。

与此同时,一些小型小体积的四旋翼飞行器,也可通过挂载激光通信接收端主动的获取起落的精确位置。

1、项目负责人:王潼、长春理工大学、空间光电技术研究所 (1)项目经历 ①   装发“XXX动态激光通信系统” 针对水下环境中大容量信息的交互需要,面向当前水下光通信链路建立技术难点瓶颈需求,开展基于全光捕获的水下激光通信系统应用研究。作为项目第二负责人,开展水下动态激光通信系统的研制,以及水下全光捕获算法的研究。 ②   国家自然科学基金“面向空间平台的多节点间同时激光高速信息传输系统” 作为项目核心成员参与开展一点对多点外场激光通信实验,积累了鲁朗4000m高海拔地区激光通信的大气湍流闪烁数据,以及大气湍流闪烁对抗方法。 ③   艇载激光通信研究基础 作为项目核心成员参与深圳鹏程实验室主办的“海洋立体通信网络示范验证平台”项目,成果实现远距离、高速率的5G基站空中动态组网试验。部分研究成果发表于Applied Optics期刊,2022, 61(01)和IEEE Photonics Journal,2021, 13(5)中。 (2)主要代表作 以第一作者发表学术论文6篇,其中SCI检索4篇,EI检索2篇。申请国家发明专利2项。 (3)竞赛成果 2020年,第六届中国国际“互联网+” 大学生创新创业大赛 金奖; 2018年,第十三届中国研究生电子设计大赛 国家二等奖; 2017年,第十二届中国研究生电子设计大赛 国家三等奖。 2、项目主要成员:林鹏、长春理工大学、空间光电技术研究所 (1)项目经历 ① 吉林省科学技术厅,吉林省自然科学基金(自由探索一般项目),光学相控阵天线单波长二维大角度动态扫描方法研究,2023.01至2024.12,8万元,在研,主持。 ② 国家自然科学基金委员会,面上项目,61975021,基于锁模掺钬光纤激光器的空间高速信息传输特性研究,2020.01至2023.12,63万,在研,参与; ③ 中华人民共和国科学技术部,国家重点研发计划共性关键技术类,2022YFB3902500,星间激光通信测量一体化系统技术,2022.12至2025.11,5100万元,在研,参与。 (2)主要代表作 以第一作者发表学术论文5篇,其中SCI检索3篇,EI检索2篇。

       本方案通过激光扫描光场构建一种新型空间定位系统,发射扫描光束构建具有导航信息的光场,基于光场原理设计主动激光导航技术,利用激光扫描方式形成激光光场对特定区域进行覆盖,在此区域内的运动载体通过与光场相互作用、信息传递等实现导航。通过飞机上挂在激光通信接收终端,使得无人机飞机主动获得导航位置信息,实现航空自主导航(PNT)的目的。

 1)服务国家需求,保障网络安全 本项目对保障国家安全、网络安全有重大作用,落实了习近平总书记关于“没有网络安全,就没有国家安全”的重要指示。由于空间激光通信其保密型好、传输速率高、抗干扰能力强等特点,成为新一代自主导航定位系统的发展方向。本文设计通过扫描的激光光场使得飞行器自主的获得相对的位置信息,引导飞机、无人机等飞行器自主航行或降落,同时可以依托激光通信系统进行高速数据的传输,构建无人机网络化信息组网,增强信息传递的高效性。

 2)推进装备升级,满足军事需求 本项目的研究对国防建设、军事需求有重要作用,对发展战争模式陆海空天立体化,武器装备呈现智能化,作战信息多元化具有重要意义。本系统远距离的扫描光场与近距离空间四象限的解算,可广泛应用于无人机起飞与降落,以及航母或舰载飞机、无人机的起降导航。同时本系统独特的空间四象限光斑中心位置解算技术,可在战场环境下战斗机间构建信息网络的传输与战斗机组队相对位置的传递,增加战斗机间组战的灵活性和射频静默下导航的稳定性。

 3)瞄准技术前沿,推动行业发展 本项目的研究对推动激光通信产业的发展具有重要的意义。本系统设计中将大力推动器件国产化、知识自主研发,将会推动光电探测产业、光学精密控制产业的发展。

本创意期望能够得到相关研究所、基金、企业等资金的支持,进一步开展工程化样机的研制,并同步开展远距离动态激光通信导航功能的测试与验证。