无线光通信系统捕获、瞄准和跟踪研究进展

无线光通信是指以光波作为载体在自由空间中传递信息的技术,具有带宽高、成本低和安全性高等优点。捕获、瞄准和跟踪(acquisition,pointing and tracking,APT)系统是建立无线光通信系统的前提,简单、可靠、动态性能好的APT系统可以克服由机械平台震动及外界环境变化对无线光通信系统的影响。因此,需要对APT系统进行较为深入的理论和实验研究,从而设计出一种适合无线光通信的捕获、瞄准和跟踪方法。本文分析了国内外在捕获、瞄准、跟踪方面的研究成果,同时介绍了西安理工大学在自动瞄准方面所做的工作,主要包括初始捕获系统、非共视轴控制系统、光束检测系统等方面的进展,以及1.3 km、5.2 km、10.2 km、100 km距离链路的外场实验,验证了APT系统的有效性。最后展望了无线光通信中APT的发展。

库德式激光通信终端粗跟踪技术

在库德式通信终端中,望远单元和库德反射镜与电荷耦合器(CCD)探测器之间的相对运动导致光路结构随通信终端姿态变化而改变,使得控制难度增大。为解决这一问题,利用矩阵光学方法建立库德式激光通信终端的CCD测角模型,设计基于模型-PID的控制算法,搭建实验测试系统验证了该算法在瞄准、捕获和跟踪过程中的性能。结果表明:利用实测数据对测角模型进行静态验证时,计算精度的均方根误差优于9μrad;加入角速度0.1°/s、幅值0.1°的正弦扰动信号进行跟踪测试时,实测动态跟踪误差的标准差优于21μrad(1σ),满足激光通信对于粗跟踪单元50μrad(1σ)跟踪精度的需求。

系留球和地面之间的自由空间光通信中继系统设计与验证

目前微波移动中继网络存在中继距离短、数据传输速率慢、功耗高、工作频率受限等问题。本文使用激光通信技术构建了一个中继系统,该系统实现了系留球和地面基站之间红外高清图像数据的实时转发,通信距离超过20 km。实验的成功为激光通信技术作为机载通信中继站的应用提供了技术参考。针对初始瞄准指向角度不可预测、平台姿态快速变化等特殊场景,提出了一种用于确定扫描角域的评估方法和姿态稳定性补偿的方案来解决这些问题。通过4阶Runge-Kutta迭代方法规避复杂的微积分计算,提高了扫描算法的精度。将基于目标空间位置和自身姿态变化的数据通过前馈补偿算法引入到闭环跟踪系统的速度环中,有效提高了系统的跟踪稳定性。未来将实现空对空的激光链路中继网络实验。

空间光通信系统的设计及实现

提出一种较全面的空间光通信系统结构。该系统的光发射接收子系统采用三发三收的设计方法,以增大光的发射功率和接收功率;APT子系统采用望远镜进行粗瞄准,音频调制光标信号进行精瞄准;控制子系统采用Ethernet接口,远程通过Internet对系统进行测量和控制的设计方法。给出一个近地大气空间光通信系统的设计实例, 其信号传输速率为155Mbps,传输距离为4km,在误码率不大于10-9条件下,系统接收灵敏度达到-52dBm。

面向微纳卫星应用的激光数传技术

针对遥感微纳卫星对地高速数传需求,开展面向微纳卫星的激光数传技术研究,突破微纳卫星激光通信终端星地快速捕获建链和协同高精度稳定跟踪、天基终端轻小型化、复合光电组件等关键技术。完成微纳卫星的天基激光终端和地面激光终端研制,并开展星地传输试验验证,实现1230 km、10/50/100 Mbps的星地数据传输,验证了相关技术,为后续我国微纳卫星对地遥感应用提供了理想的星地数传手段。

卫星激光通信终端光跟踪检测的数理基础

卫星激光通信光束的传播在空间属于远场衍射,而在地面光学跟踪检验中属于近场衍射。采用菲涅耳衍射理论研究了远场衍射和近场衍射对于产生光学跟踪位置误差信号的本质上的差别并且分析了等效条件,证明了近场检验中采用卫星相对角度运动轨迹的光束扫描可以准确模拟远场相对运动,同时也得到了光斑特性和卫星抖动模拟的分析。澄清了卫星激光通信终端光学跟踪性能检验中的基本概念,具有实际指导意义。

远场16km精跟踪系统实验研究

基于FPGA的精跟踪系统结构和工作原理,跟踪控制采用自适应模糊PID算法,在线实时动态调整PID参数值,在16km的星地光通信的精跟踪系统演示实验中实现了对通信光束功率(1550nm)的稳定,极大地提高了通信中1550nm光功率耦合效率,通过实验数据分析,精跟踪系统的跟踪精度达到了2.4μrad。

自由空间光通信精跟踪模糊控制系统的设计

针对空间光通信中捕获、瞄准和跟踪(ATP)技术的精跟踪系统对信标光斑实时准确跟踪需求,设计了基于前馈补偿的比例,积分和微分(PID)模糊控制系统,采用camera-link接口的高帧频CMOS相机和大规模FP-GA芯片设计了精跟踪处理控制平台,并将图像处理、前馈补偿和PID模糊控制等功能全部集成在FPGA芯片内部。实验结果表明,前馈补偿模糊PID控制具有更强的系统适应性,精跟踪系统带宽达到300 Hz,对大于100 Hz的高频振动频谱仍然有很好的抑制补偿效果,尤其对于低于60 Hz的主要扰动频谱具有很好的跟踪补偿效果,抖动压缩比达到90%以上,抖动均方差小于1 pixel,定位精度约为1μrad。