星间光通信精跟踪系统的模糊自整定PID控制及仿真实验

在星间光通信技术中,精跟踪系统对于整个光通信链路的建立和保持至关重要。本文针对精跟踪系统的被控对象——快速反射镜建模得出传递函数,在此基础上进行参数辨识而得出完整的数学模型。采用模糊自整定PID控制器来优化控制效果,提升对扰动的抑制能力。通过Simulink仿真实验对二者的控制性能进行了对比,并在仿真过程中加入扰动量以试验二者的鲁棒性。仿真实验结果表明:模糊自整定PID控制器在精跟踪系统的控制过程中有显著的扰动抑制能力。

复合轴精跟踪系统伺服带宽的优化设计

复合轴精跟踪系统决定了空间光通信APT系统最终的控制精度,需要很高的伺服带宽、伺服刚度和控制精度。针对该要求,根据精跟踪系统的性能指标和各频段的作用建立对应的期望传输特性和精跟踪系统的频率特性测试系统,对输出数据进行多项式预测滤波,采用递推最小二乘法辨识被控对象传递函数的各个参数,最终得到补偿校正函数,为精跟踪系统带宽的全频段优化设计探索出一种简便有效的设计方法。实验分析表明:精跟踪伺服带宽达到300 Hz以上,系统稳定且响应快速,测试跟踪误差约为±2μrad,各项性能指标均满足精跟踪系统的应用需求。

小型化机载光通信精跟踪系统的设计与实验

研制了基于FPGA的小型化机载精跟踪系统,采用CMOS相机作位置传感器,可实现8800F/s的光斑处理与数据传输。通过基于最小二乘法的参数递阶辨识了系统传递函数,对性能进行了仿真与验证。仿真与实测效果一致,在800rad/s以内幅频特性辨识误差小于0.3d B,相频特性辨识误差小于2.1°,跟踪精度约为3μrad,带宽218Hz,精跟踪对3.4km通信光功率改善4.2d B。

星地光通信中的精跟踪系统远场验证

在星地光通信中,精跟踪系统的性能决定了整个APT系统的跟踪精度和带宽,是通信成败的关键因素。基于大容量图像数据实时处理和复杂控制,设计基于FPGA的并行处理精跟踪系统。跟踪控制算法采用自适应模糊-神经网络算法,可以实现系统参数在线实时动态调整。通过16Km的精跟踪系统演示实验,精跟踪系统抑制了平台振动和大气湍流对接收光功率的影响,有效提高了通信光束1550nm的光功率耦合效率,通过实验数据分析,精跟踪系统的跟踪精度达到了4.87μrad。

光电精跟踪系统的改进差分进化算法研究

针对激光通信精跟踪系统,提出一种基于改进差分进化算法的辨识方法。首先,介绍了标准差分进化算法的基本原理和算法流程,基于此提出一种改进的差分进化算法,并对算法中的参数进行优化;其次,通过扫频信号激励精跟踪系统分析被控对象的动态特性,同时采集CCD相机的位置反馈信息;最后,根据实验数据采用差分进化算法对系统进行辨识,获得精跟踪系统的控制模型。实验结果表明:采用改进差分进化算法后,辨识方法的收敛速度更快,辨识结果准确,该方法在光电跟踪领域有一定工程价值。

自由空间光通信中精跟踪系统的辨识(英文)

精确的精跟踪系统模型为研究精跟踪的控制算法,找到影响其动态、静态性能的关键因素提供了重要的条件。设计了精跟踪辨识系统,该系统包括:快速倾斜镜、CCD、DA以及相关的电子设备。精跟踪模型传统上被认为是一个二阶系统,通过输入输出数据、模型类和最小二乘等价准则等一系列过程确定精跟踪的模型。为了评估该辨识方法的性能,将最小二乘辨识法得到的模型与传统的频率响应法得到的模型做比较。通过验证发现,两种模型的输出与实际系统输出的模型残差平方和分别为8.20和89.52,相关系数分别为0.98和0.95。结果表明,最小二乘法得到的精跟踪模型比频率响应法得到的模型更准确地反映出实际系统的特性。

机载光通信精跟踪系统模拟实验的设计与分析

根据机载通信终端的尺寸和应用环境设计了精跟踪系统,并开展了室内和室外模拟实验。在室内构建机载平台振动模拟系统,通过FPGA控制快速倾斜镜的偏转来模拟平台振动对光束影响,测试了精跟踪系统在Altair无人机平台振动环境下的性能,实验结果分析发现,精跟踪能有效抑制Altair无人机平台振动对光束的扰动。在外场开展了动态跟踪和单向通信实验,将接收端置于一维旋转台上,通过旋转台实现对机载通信终端的相对运动的模拟;实验结果分析发现,机载精跟踪系统能够对粗跟踪控制残差进行有效补偿,并能抑制信号光与信标光的抖动,提升信号光功率。

基于非支配排序遗传算法Ⅱ智能搜参的精跟踪系统

针对空间光通信中精跟踪系统的精度易受外界干扰影响的问题,在典型光通信终端的传统精跟踪系统的基础上,提出了附加集成模块的设计方法,并采用非支配排序遗传算法II得到全局最优控制器参数,实现了一个精跟踪系统智能搜参方法。基于某典型光通信卫星终端在轨实测的角干扰数据,仿真对比结果表明,在保持闭环系统稳定性的基础上,可以提升33.7%的误差抑制带宽,提高全频段的干扰抑制能力约19.5%,其中10 Hz以内的干扰误差抑制性能提升幅度高达95%以上。搭建了实物验证系统,实测结果表明,该系统的跟踪精度和干扰抑制性能相比传统系统大幅度提升,其中10 Hz以内的提升幅度超过20倍。该精跟踪系统的实验结果与仿真结果具有较好的吻合度,对未来空间光通信领域的发展有重要意义。

基于CMOS的量子通信精跟踪系统设计及检验

分析了量子通信中精跟踪系统的构成要素,由于量子通信中信标光的脉冲特性,提出以高帧频CMOS作为精跟踪探测器,其经一体化设计帧频达到2.5 kHz,并以压电陶瓷快速反射镜作为精跟踪执行机构。采用离散化设计及根轨迹方法分析了控制参数取值及系统传递函数。对实验系统进行了实验室及外场32 km车载平台测试,在实验室静态条件下系统跟踪精度优于±1μrad,外场动态情况下跟踪精度优于±8μrad,采用频谱分析方法验证了精跟踪系统干扰抑制带宽大于100 Hz。

基于dsPIC的精跟踪控制系统设计

对精跟踪的驱动、检测和控制方法进行了研究。设计了精跟踪控制系统的驱动、检测和控制电路,并针对驱动电路的动、静态性能进行了测试研究,对检测电路进行了标定实验,对模糊自整定PID控制方法进行了研究。采用模拟扰动源对系统性能进行了测试,结果表明该系统有良好的精跟踪能力。

卫星光通信中精跟踪控制系统设计

卫星平台的振动是降低光通信链路可靠性的一个重要因素。提出在精跟踪系统中采用自适应逆控制方案来抑制卫星平台振动的影响,从而实现对目标光通信终端的稳定跟踪。采用对象的自适应逆作为控制器来控制快速反射镜偏转,以保证系统的动态响应品质;采用自适应逆控制中的自适应扰动消除系统来抑制卫星平台的振动。实现了对象控制和扰动消除分开进行且不相互影响。仿真结果表明该控制律有效地实现了对输入的跟踪,且能较好地抑制扰动。

卫星光通信精确跟踪控制系统的参数化综合优化设计

精确跟踪对准控制系统在卫星光通信中起着至关重要的作用.我国已完成的墨子号量子科学实验卫星,是基于经典随动系统理论设计的跟踪与瞄准系统,并在实践中取得了圆满效果.面向未来更远距离的空间通信应用,对跟踪与瞄准系统提出了更高的精度要求,传统的控制方法很难满足.为此本文提出了精确瞄准系统的一种参数化设计方法,抛弃了传统方法的精、粗系统分别设计的思想,对两级子系统进行整体设计,充分地利用了系统中的设计自由度.通过综合优化这些设计自由度,实现了系统对阶跃干扰的解耦和复杂干扰的抑制、不敏感极点配置和控制增益极小化等各项设计要求,从而显著地提高了对准精度.仿真结果表明,对准精度由原来的微弧度量级提高到了纳弧度量级.

基于旋光-双反射结构的星载量子密钥分发精跟踪系统控制算法研究

研究了旋光-双反射结构作为星载量子密钥分发终端的精跟踪系统时的反射光偏振态保持情况,分析了反射光面(由入射光和反射光适量确定)不一致导致的反射光子偏振态变化情况,并计算了此时可能引入的量子误码率。根据双反射结构的特点,给出了两个反射镜法线方向与入射光、出射光矢量之间的关系,并据此提出了旋光-双反射结构的卫星精跟踪系统控制算法。

基于快速反射镜的精跟踪控制系统的设计

文章建立了一套基于PSD的高精度二维快速反射镜(FSM)精跟踪系统。通过对快速反射镜基本原理的分析,建立了相应的数学模型,最终搭建出控制系统的模型,在Matlab中对模型进行仿真,整定出适合的PID参数,使得最后的定位精度小于5μrad。

振动与远场湍流对机载精跟踪终端的影响

为了实现机载光通信终端小型化、高准确度的要求,依据机载平台振动功率谱特点设计了以FPGA为核心的小型机载精跟踪光通信终端.分别通过室内模拟跟踪与扰动抑制、远场信标探测与通信评估实验对精跟踪系统的性能进行了验证.分析了精跟踪系统对机载平台振动的抑制效果以及不同湍流强度对跟踪造成的影响.在远场3.4km进行大气湍流验证实验,通过角速度模拟了飞机到地面距离20~30km,飞行速度700~900km/h时的通信实验.实验表明,精跟踪系统对机载平台的振动具有较强的抑制能力,系统跟踪准确度为3μrad左右;精跟踪可以使机载光通信模拟运动时的接收光功率提高4~5.9dB.系统搭建灵活,跟踪准确度高.

卫星激光通信精跟踪时滞预补偿技术(特邀)

对卫星激光通信跟踪系统的组成以及控制方式进行分析,总结精跟踪控制过程中时滞来源,对精跟踪系统时滞环节对最终跟踪精度以及稳定性的影响进行分析并通过系统优化提高精跟踪精度。在不损失系统功能的基础上通过优化程序处理逻辑精简精跟踪系统中的时滞环节,消除变长时滞、减少定长时滞,实现精跟踪系统时滞缩短,在此基础上提出一种鲁棒预估控制算法,减少定长时滞对精跟踪系统带来的不利影响。结果表明,精简时滞环节后精跟踪系统的跟踪误差与原来相比从4.1μrad减少到2.3μrad,采用鲁棒预估控制算法后,在匹配延时存在误差的情况下,跟踪误差从4.1μrad减少到2.6μrad,系统跟踪精度分别提升43.9%和36.6%。在精跟踪系统中采用鲁棒预估控制算法进行试验,精跟踪的跟踪精度可达1.9μrad。