自由空间激光通信系统APT粗跟踪伺服带宽优化设计

复合轴APT控制子系统是自由空间激光通信系统中重要组成部分和关键技术,其中粗跟踪伺服单元主要完成高概率、快速捕获和高稳定、高精度跟踪。通过对影响粗跟踪精度的动态滞后误差、平台振动误差和CCD光斑检测误差进行理论分析与MATLAB仿真,并根据复合轴APT结构特性对粗跟踪伺服带宽进行优化选择,使其既能满足粗跟踪精度要求,又能使APT复合轴控制总精度达到最优,最后结合课题建立星际激光通信系统复合轴APT实验系统,实验结果与理论分析和仿真基本一致。

线性扩张状态观测器的改进及在空间光通信粗跟踪的应用

针对传统自抗扰控制器的扰动补偿效果随着扰动频率增加迅速下降的问题,提出了一种基于改进的线性扩张状态观测器的自抗扰控制方法。该方法首先对粗跟踪进行系统分析、简化及辨识;然后对线性扩张状态观测器的观测原理进行详细推导与论证,从理论上指出其不足,提出了一种改进的线性扩张状态观测器;最后将改进的算法与PID调节器相结合,实现了粗跟踪的自抗扰控制。实验结果表明：针对幅度在1°、频率在0.5-2.5 Hz间的外部位置扰动,传统的自抗扰控制器随着扰动频率的增加,扰动隔离度下降非常明显,2 Hz时的提升程度仅为0.5 Hz处的9.5%;而采用改进的算法使扰动隔离度至少提高了4.146 d B,且随着扰动频率的增加,扰动隔离度的提升非常稳定,2.5 Hz时的提升程度与0.5 Hz处几乎一致;此外,该方法有较好的鲁棒性,允许被控对象在20%的范围内变化。理论分析、仿真分析、物理实验均证明该方法的有效性,对类似的光电跟踪系统有一定的参考价值。

自由空间激光通信系统APT粗跟踪链路功率分析

在简要介绍典型自由空间激光通信系统组成的基础上,重点分析APT粗跟踪链路的特性,并从功率的角度分别对链路发射、传输、接收单元定量描述,对光斑探测CCD相机单元的噪声源种类、特性以及有效抑制的措施进行研究,对不同环境的背景光特性和抑制措施进行分析,得到光斑探测信噪比。在理论分析的基础上对部分关键器件进行选取和系统优化设计,使粗跟踪链路满足任务要求。

卫星激光通信粗跟踪系统复合控制策略

针对卫星激光通信粗跟踪系统的跟踪稳定精度指标要求高的特点,建立了基于永磁同步电机直接驱动的粗跟踪系统模型并进行了跟踪稳定误差分析。在采用传统PID控制策略存在跟踪误差较大、动态性能较差等不足的基础上,提出了一种基于粗跟踪系统的改进型前馈复合控制策略。从理论上分析了前馈复合控制策略提高了粗跟踪系统的动态性能,为降低跟踪稳定误差提供了改善方案。地面实验验证结果表明,与传统控制策略相比,改进型复合控制策略极大地降低了系统的动态跟踪误差,动态跟踪误差由606μrad降低至13μrad(1δ)。进一步的在轨实验也验证了改进型复合控制策略的合理性和先进性,总体指标满足了卫星激光通信终端的极高精度要求。本文所提出的控制策略对其他高性能跟踪伺服系统设计也具有较大的借鉴意义。

量子导航定位系统中的捕获和粗跟踪技术

量子导航定位系统需要借助于空间量子卫星信息通信系统来进行信号的捕获、跟踪和对准(acquisition,tracking and pointing,ATP).ATP系统是空间量子卫星信息通信的重要组成部分,涉及到量子通信链路的建立以及中断通信链路的恢复;粗跟踪和精跟踪的相互配合,可以确保通信双方处于通信状态,达到期望的信号跟踪性能.本文详细阐述用于量子导航定位系统的空间量子卫星通信的捕获阶段和粗跟踪的相关技术,重点分析捕获阶段中的初始指向技术、扫描技术、捕获阶段的精度及其性能,以及粗跟踪阶段的精度及其性能指标等关键技术.

空间光通信ATP系统粗跟踪平台的混合自适应控制

ATP系统的粗跟踪平台外框架对内框架的耦合作用以及内框架自身的不平衡所引起的加速度干扰是影响空间光通信系统光信号跟踪性能的重要因素。针对方位跟踪通道中的内框架系统结构,提出了应用一种混合自适应控制方法,该方法在设计自适应控制器时采用离散与连续相结合的方法,并将耦合作用和加速度干扰转换为对象的未建模动态进行处理。最终的仿真结果表明,被控对象在具有未建模动态和干扰的情况下,采用混合自适应控制算法能够获得较高的跟踪精度。

无线光通信粗跟踪一维模拟实验研究

针对空间无线光通信中捕获、瞄准和跟踪(ATP)技术的粗跟踪系统对信标光斑实时准确跟踪需求,为项目进一步工作提供基础,搭建了无线光通信的粗跟踪模拟实验系统,介绍了实验所需硬件的相关参数及实验方案,基于模糊PID控制策略进行了不同速度下的一维模拟跟踪实验。结果表明,跟踪误差随着模拟仿真台的运动速度的增加而增大,但始终满足于粗、精跟踪嵌套精度需求。

激光通信系统粗跟踪视轴标校方法

针对激光通信系统组成及技术特点,提出了一种粗跟踪视轴标校方法。该方法以双天线GPS/INS组合系统为零位基准,完成粗跟踪视轴与零位基准快速、高效对准。将此方法应用到飞机-飞机激光通信演示实验中完成粗跟踪视轴标校,校准精度4.7mrad。

自由空间激光通信系统APT粗跟踪单元光斑检测优化设计

复合轴APT(Acquisition Pointing Tracking)控制子系统是自由空间激光通信系统中重要组成部分和关键技术,其中粗跟踪伺服单元主要完成高概率、快速捕获和高稳定、高精度跟踪。在简要介绍自由空间激光通信粗跟踪光斑检测的基础上,优化设计了APT粗跟踪光斑检测单元。以XILINX公司的Spartan-3E系列XC3S1200E型FPGA芯片为平台,完成了对光斑检测单元CCD相机图像进行模拟高斯分布的自适应滤波的实时处理,并对相机进行自适应光强控制,提高了粗跟踪光斑信号的检测精度。最后经过APT复合轴的实验系统测试得出:粗跟踪精度120μrad,可靠进入精跟踪视场。

天空背景光条件下空间激光通信系统粗跟踪光斑提取方法

随着科学技术的迅速发展,人们对信息量的需求不断增大。空间激光通信因其具有通信速率高、通信束散角小、安全保密性高等众多优点,受到越来越广泛的应用。在空间激光通信系统中,天空背景辐射是影响系统性能的主要背景噪声。强天空背景条件下,粗跟踪光斑的提取成为了影响粗跟踪精度的主要难点。首先介绍了几种抑制天空背景光的方法,如采用原子滤光片、减小接收机口径等。在实验条件下,采取Otsu阈值处理和质心算法对粗跟踪光斑进行处理,分析天空背景光对粗跟踪成像光斑的影响。实验结果表明,在天空背景光影响下,这种Otsu阈值处理方法能够准确提取成像光斑,可以有效提高粗跟踪精度。

空间量子通信粗跟踪系统设计研究

进行了空间量子通信粗跟踪系统的设计研究。以数字信号处理器为主处理器,使用CMOS探测器对跟踪目标发出的信标光进行探测,结合旋转变压器测角,使用多环路控制的方法控制永磁同步电机,实现了粗跟踪系统。通过模拟卫星平台跟瞄实验和浮空运动平台跟踪瞄准实验,对所研制的粗跟踪系统性能进行了测试。

一种基于幕墙反射激光光斑的空地ATP粗跟踪动态性能测试方法

为了分析研究空间ATP粗跟踪性能检测的机理,在研究前人所用检测方法的基础上,结合实际,利用激光单色性,采用幕墙激光光斑的测试方法,搭建出相应的实验平台。同时,根据STK获得的星地链路中的实际轨道数据,进行理论分析与数学计算,分析得出了相应实验平台中测试系统的运行数据。运用VC++编程进行上位机控制,实现了较好的控制模拟结果。实验模型以及理论分析为今后实验室条件下ATP系统性能测试平台的研究提供了一定的理论基础,并为进一步的实验验证及实际应用提供了有参考意义的数据。

空间组网光通信粗跟踪系统的模型预测控制

针对一对多组网光通信粗跟踪伺服控制系统,通过解析法和正弦扫频辨识建立了粗跟踪系统的模型,然后依据数学模型设计了模型预测控制器(MPC),进行了与比例-积分-微分(PID)控制器的对照实验。实验结果表明MPC控制器能以10μrad的误差跟踪0.1 Hz的正弦信号,跟踪精度是PID控制器的两倍。在叠加了50 Hz,幅值1.8 m随机噪声的情况下,MPC控制器的最大稳态跟踪误差为55μrad,只有PID控制器最大稳态跟踪误差的一半。并且在运动平台的粗跟踪实验中,MPC控制器的稳态误差最大为15μrad,PID控制器的稳态误差最大为25μrad。表明MPC控制器可以有效提高一对多光通信粗跟踪控制效果。

RBF神经网络在光通信粗跟踪系统中的应用

针对无线光通信系统中的非线性与时变不确定性而导致的通信不稳定,提出一种基于径向基函数(RBF)神经网络的PID智能控制策略作为粗跟踪的控制方法。介绍了光电跟瞄系统原理,在建立系统模型框图后引入了RBF神经网络监督控制结构,并通过实验平台验证了该算法的有效性。

GEO对地激光通信粗跟踪机构优化设计

G EO卫星具有轨道覆盖率高的优势,采用G EO卫星作为中继平台,利用激光通信系统先建立LEO-G EO(地球同步卫星)链路将海量遥感数据传至G EO,再由G EO传送回地面,为LEO卫星平台和地面站之间搭建通信桥梁,可有效增加LEO平台的通信区间,传输实时性强。文中以G EO对地通信为背景,对经纬仪式星载激光通信粗跟踪机构进行优化设计,利用结构优化提升机构刚度,降低粗跟踪机构重量。优化后,在保证整机发射方向上谐振频率提高约10%的基础上,粗跟踪机构减重约18%。室内跟踪测试表明,系统跟踪精度为88.98μrad(3σ),完全满足设计要求。

灯光通信系统中粗跟踪模拟实验研究

在改进的灯光通信系统中加入了粗跟踪,并在室内通过能发送摩斯码信号的LED灯以不同速度在导轨上运动来查看粗跟踪效果。实验结果表明,信号光斑能稳定地处于系统设计的红框之中,即视场中心40×40个像素范围内,且通信稳定,摩斯码译码正确,跟踪控制精度小于5mrad。

船载激光通信ATP粗跟踪系统设计

本文基于船载激光通信粗跟踪很难对准的问题,采用了一种新型的基于GPS自主引导粗跟踪方法。在目标放置一GPS信号源,通过无线网络将目标位置信息传输至粗跟踪系统控制计算机。通过解算,得出跟踪系统方位轴和俯仰轴需要转动的角度(即目标值),然后精准的控制电机运转。转动的实际角度通过传感器采集,将数值传输至控制计算机,再与目标值进行作差,如此循环直到精准跟踪。通过搭建跟踪平台测控系统,并结合外场实验,得出基于GPS自主引导跟踪方法可以快速精准的跟踪目标,大幅度降低粗跟踪所需要的时间,且可以消除环境所带来的影响。

两轴水平框架式粗跟踪结构及其控制系统设计

根据天基平台激光辐照空间碎片捕获系统的应用需求,设计了一种两轴水平框架式粗跟踪结构,提出了一种基于加速度闭环的PI速度环控制方法用于实现跟踪系统的闭环高带宽控制和高精度跟踪。首先,根据光束传播路径和负载几何尺寸要求设计了水平式粗跟踪框架的经纬轴结构,并对单轴结构进行了模型简化,建立了单轴二质阻尼刚度简化模型的动力学方程;对系统进行了振动分析,根据系统的谐振频率和电机锁定转动频率确定了跟踪架主要结构参数;设计了一种速度加速度双闭环控制系统,确定了系统控制器和控制参数;最后对控制系统进行了性能测试。测试结果显示,控制系统满足性能指标要求,相较于带有结构滤波器的PI速度环控制系统,带宽提升了28.2%;基于加速度闭环的PI速度环控制系统在调节时间上提升了78.6%,超调量降低了94.08%;基于加速度闭环的PI位置环控制系统的调节时间为0.085 s,超调量为11.66%,具备较小的跟踪误差和较强的抗干扰能力。

自由空间激光通信系统的粗跟踪特性分析

针对传统自由空间激光通信系统硬件设计信号控制幅度调整范围小,串口通信单一化,导致粗跟踪精准度、存在干扰的问题。提出自由空间激光通信系统的粗跟踪特性分析。将线阵CCD作为跟踪控制系统的传感器设计了系统的主控采集模块,利用发送接收模块中的光驱动电路和光电检测电路实现信息的接收和发送,设计了滤波器模块滤除通信过程中存在的噪声。在软件设计中将Windows CE控制系统应用到主控计算机中,通过事件驱动方式和多线程同步技术同时处理多个通信串口中存在的数据,利用指向算法完成对准操作,实现自由空间激光系统的跟踪控制系统的设计。实验结果表明,所提方法设计的系统对尺度变化的目标跟踪效果良好,具有较强抗干扰效果。

量子定位系统中捕获与粗跟踪控制研究

首先推导出经过地面站正上方的卫星运行轨道,以及从地面获取的卫星运行轨迹的空间信号函数;然后对整个捕获和粗跟踪过程的控制系统进行离散型模型的建立;采用分行式螺旋扫描捕获策略进行信号捕获,对电流-速度-位置三闭环粗跟踪控制系统进行控制器设计,并在Simulink环境下,对卫星经过地面站可见区域的4个不同阶段,分别进行信号捕获及其粗跟踪两轴信号的系统仿真实验,并对不同情况下的捕获与粗跟踪控制性能进行了对比分析。本文所做研究为后续的精跟踪过程和超前瞄准提供了保障。