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星间光通信中压电偏转系统控制算法研究

宇航学报 2007年第4期28卷 941-945页

作者：李祥之孙兆伟路菲吴国强哈尔滨工业大学卫星技术研究所哈尔滨150001 哈尔滨工业大学航天学院航天工程系哈尔滨150001

针对星间光通信中压电偏转系统通道间强耦合和系统状态量无法得到的问题,提出了分散式李亚普诺夫自适应控制系统。该系统采用分散式控制技术,引入非线性和参数漂移误差项,使通道间耦合作用动力学模型更加精确,增加自适应反馈和自适应前... 详细信息

针对星间光通信中压电偏转系统通道间强耦合和系统状态量无法得到的问题,提出了分散式李亚普诺夫自适应控制系统。该系统采用分散式控制技术,引入非线性和参数漂移误差项,使通道间耦合作用动力学模型更加精确,增加自适应反馈和自适应前馈控制项,以提高控制自适应性和跟踪精度,并结合李亚普诺夫稳定性理论确定各自适应参数以保证系统的稳定性。仿真结果表明了该控制器可有效提高跟踪精度,抑制通道间耦合和卫星平台振动,从而证明了本文所提出控制方案的有效性和可靠性。

关键词：星间光通信压电偏转分散式控制稳定性

星间光通信复合轴跟踪结构性能和误差抑制能力分析

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空军工程大学学报（自然科学版） 2011年第2期12卷 47-51页

作者：聂光戍臧守飞郑磊刚臧旭空军工程大学工程学院陕西西安710038 沈阳飞机工业(集团)有限公司军事代表室辽宁沈阳100850

在星间激光通信系统中,捕获、跟踪和瞄准(Acquisition Tracking and Pointing,ATP)技术是一项关键技术,ATP系统的跟踪瞄准精度对整个通信的成功与否起着至关重要的作用。主要对星间通信的复合轴跟踪进行了分析。首先介绍了星间光通信的... 详细信息

在星间激光通信系统中,捕获、跟踪和瞄准(Acquisition Tracking and Pointing,ATP)技术是一项关键技术,ATP系统的跟踪瞄准精度对整个通信的成功与否起着至关重要的作用。主要对星间通信的复合轴跟踪进行了分析。首先介绍了星间光通信的概念和用激光实现星间通信的优点,然后分析了复合轴跟踪结构的特点,给出了复合轴跟踪控制系统的视场匹配关系和性能分析,最后采用仿真对比得出选择合适的粗、精跟踪带宽和带宽比对系统误差有突出抑制能力的结论。

关键词：星间光通信复合轴跟踪稳定性

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星间光通信中的APT技术及其控制系统

激光与光电子学进展 2005年第3期42卷 2-6页

作者：刘锡民刘立人郎海涛潘卫清赵栋中国科学院上海光学精密机械研究所上海201800

APT(AcquisitionPointingandTracking)技术是星间光通信的关键技术。介绍了该技术中的扫描、捕获、指向、跟踪过程及其控制系统。重点论述了实现跟踪的困难性,相应地介绍了一种有效的扰动抑制控制系统。

关键词：星间光通信控制系统 PT技术关键技术扰动抑制 APT and 跟踪

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星间光通信高精度指向跟踪系统控制算法研究

星间光通信高精度指向跟踪系统控制算法研究

作者：李祥之哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

本文基于星间光通信高精度指向跟踪系统,研究了星间光通信卫星平台振动抑制方法和利用先进控制算法对系统的性能进行改善,并对所设计的内容进行了仿真验证。具体工作包括:首先,探讨了星间光通信中卫星平台振动的来源与种类,研究了国外... 详细信息

本文基于星间光通信高精度指向跟踪系统,研究了星间光通信卫星平台振动抑制方法和利用先进控制算法对系统的性能进行改善,并对所设计的内容进行了仿真验证。具体工作包括:首先,探讨了星间光通信中卫星平台振动的来源与种类,研究了国外几颗光通信卫星上实测的振动光谱,总结出振动所遵循的几个规律。以振动谱中典型的正弦谐波为例,推导了振幅、频率和时间对误码率的影响。最后对振动的抑制方法进行了研究,对高频振动采用被动隔离方式,该方法操作简单,对高频振动抑制效果显著;对低频振动采用了自适应带宽抑制方式,该方法无需添加新器件,对抑制低频振动带来的误码率增加作用明显,并进行了仿真验证。其次,针对声光偏转系统由于器件的非线性造成的耦合和平台振动造成的指向误差导致系统性能恶化问题,引入了模型参考自适应控制系统,提出了理想的模型,设计了模型参考自适应控制器,强迫性能恶化的声光偏转系统的输出跟随理想模型的输出,使其性能改善,利用超稳定性理论确定自适应参数以保证系统的稳定性。并对控制器对系统性能改进和平台振动抑制能力进行了仿真验证。最后,针对压电偏转系统系统动力学复杂和无法得到系统状态量的问题,提出了分散式李亚普诺夫控制系统,设计了分散式自适应控制器。该控制器对系统各通道进行分散式控制,利用李亚普诺夫函数的确定过程求解各自适应参数表达式,以保证了系统的稳定性。并仿真验证了控制器提高系统性能和抑制平台振动的能力。

关键词：星间光通信振动抑制模型参考控制分散式自适应控制

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星间光通信ATP系统策略分析与优化设计

星间光通信ATP系统策略分析与优化设计

作者：徐思旺中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

学位级别：硕士

随着人类科技的飞速发展,人们对信息传输的大容量、高速率需求日益增长,星间光通信这项新时代太空通信技术开始大放光彩,它拥有广泛的使用价值和应用前景,是世界各国科技发展和研究的热点。由于星间光通信系统多变复杂的空间环境、较远... 详细信息

随着人类科技的飞速发展,人们对信息传输的大容量、高速率需求日益增长,星间光通信这项新时代太空通信技术开始大放光彩,它拥有广泛的使用价值和应用前景,是世界各国科技发展和研究的热点。由于星间光通信系统多变复杂的空间环境、较远的通信距离和较窄的激光波束等因素,想要快速而高效地建立通信链路有很大的难度,并且激光通信系统有着很高的跟瞄精度要求,因此捕获、跟踪和瞄准(ATP)技术是实现星间光通信的关键。本文介绍了ATP控制系统及其组成模块,重点讲述了粗跟踪和精跟踪模块的工作原理和本文使用的技术指标;阐述了双探测器型和单探测器型复合轴控制系统的控制原理;建立了电机的数学模型,并在此基础上分别对电流环、速度环和位置环进行了设计与仿真;建立了快速反射镜(FSM)数学模型,对精跟踪环进行了设计与仿真。通过对比分析两种复合轴控制系统的各项性能,得出双探测器型和单探测器型复合轴控制系统的对比结果:两种控制系统在理论上具有几乎相同的系统性能,且在理想情况下,对相同给定输入信号进行跟踪时具有相同的跟踪效果。本文研究了粗、精跟踪系统带宽比对系统跟踪精度的影响,并分析了精跟踪系统带宽的限制因素。研究了粗跟踪系统带宽与力矩扰动的关系,并结合粗跟踪系统带宽优化的理论分析,设计了粗跟踪系统带宽优化的仿真实验,得出了粗跟踪系统带宽优化的结论。研究了控制系统带宽与信号功率谱密度的关系,对根据信号功率谱和系统精度指标来设计系统带宽提供了参考依据。本文完成了ATP主控模块和转台伺服模块基于DSP和FPGA的硬件设计和控制软件设计,搭建了完整的实验平台。使用ATP控制系统进行了目标扫描实验及在目标静止时和目标运动时的扫描捕获跟踪实验,实现了ATP控制系统对运动目标的高精度捕获跟踪,系统跟踪精度达到预期设计指标;进行了双探测器型和单探测器型复合轴控制系统的目标跟踪实验,得出了两个系统的跟踪实验对比结果;进行了精跟踪系统和粗跟踪系统的带宽优化实验,提高了系统跟踪精度,使系统性能得到进一步优化。

关键词：星间光通信 ATP技术复合轴控制系统带宽优化软硬件设计

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星间光通信跟踪精度测试

星间光通信跟踪精度测试

作者：胡渝电子科技大学

学位级别：硕士

随着社会的日益发展,在当前的信息时代对通信技术的要求是通信容量大、传输速率高。星间光通信正是以其传输码率高、功耗低、抗干扰能力强等一系列优点适应这种需求而发展起来的一项高新技术。星间光通信技术要走向实用,依赖于很多关键... 详细信息

随着社会的日益发展,在当前的信息时代对通信技术的要求是通信容量大、传输速率高。星间光通信正是以其传输码率高、功耗低、抗干扰能力强等一系列优点适应这种需求而发展起来的一项高新技术。星间光通信技术要走向实用,依赖于很多关键技术,而捕获、对准与跟踪( Acquisition, Tracking and Pointing--ATP)技术是星间光通信的关键核心的支撑技术。星间光通信的优点同时导致了光通信终端设计参数的苛刻性。考虑到星上应用,作为光通信必不可少的一个组成部分——光通信终端的测试、验证,其意义和光通信终端同样重要,上星前对终端的测试和验证必不可少,而且这些测试、验证必须可信。本论文根据研制一套星间光通信终端的研究课题,对该终端进行动态在线高精度测试,为星间、星地全光通信链路的实现积累经验和数据。论文就终端的动态跟踪精度的在线测试方面做了一定的研究。论文中对星间光通信的特点及关键技术进行了阐述,研究了星间光通信及其测试技术的发展现状及趋势。对星间光通信中的ATP系统进行了论述、分析,详细介绍了星间光通信ATP系统结构、工作原理及工作过程,对ATP系统一些关键性能参数进行了分析说明,指出了星间光通信ATP系统的关键技术。在星间光通信终端动态跟踪精度测试方面,对测试原理进行了比较详细的介绍,对检测微弧度量级动态跟踪精度的测试方案进行了对比分析,提出了一套简便易行的测试方案,对其可行性进行了详细分析论证;在此基础上搭建了测试系统平台,分析了测试系统主要构成硬件的性能。采用该方案搭建的测试平台顺利完成了终端动态跟踪精度的在线测试。最后,对测试结果进行了比较详细的分析研究。该终端及其动态跟踪精度测试系统的研制是星间光通信领域内的一种新尝试和可行性研究,为以后星间光通信检测系统的研究提供了一条切实可行的初步途径。

关键词：星间光通信 ATP 跟踪精度测试

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星间光通信高精度跟踪技术研究

星间光通信高精度跟踪技术研究

作者：郝悦含中国运载火箭技术研究院

学位级别：硕士

近年来,随着我国航天事业的高速发展和对星间高速通信的高需求,微波通信技术出现带宽低、通信速率低等发展瓶颈。与之相比,激光通信技术具有极其显著的优势,成为解决以上微波通信问题的有效技术手段。星间光通信技术发展的难点之一是如... 详细信息

近年来,随着我国航天事业的高速发展和对星间高速通信的高需求,微波通信技术出现带宽低、通信速率低等发展瓶颈。与之相比,激光通信技术具有极其显著的优势,成为解决以上微波通信问题的有效技术手段。星间光通信技术发展的难点之一是如何快速建立长期稳定的通信链路。其中,瞄准捕获跟踪(PAT)技术是决定通信链路质量的关键技术;而快速稳定跟踪是保证通信链路稳定的基础。PAT系统中,通常采用一级粗跟踪和二级精跟踪结合的复合轴跟踪控制系统,其中粗跟踪子系统完成初始指向,精跟踪子系统消除剩余误差,二者配合实现星间光通信的高精度跟踪。精跟踪子系统的性能主要由其自身硬件性能和控制技术决定。精跟踪子系统通常采用快速反射镜(FSM)获得较高的控制带宽,提高跟踪精度;采用QAPD探测器,进一步提高精跟踪子系统的跟踪精度和抗扰能力。本文对目前星上环境中已知存在的主要误差源进行了分析。对星上微振动进行了重点分析,并就几个主要微振动来源进行了理论模型建立和扰动因素分析。精跟踪子系统本身也会产生扰动,本文就压电电机和QAPD产生的误差以及系统在动态跟踪过程中产生的误差展开分析。目前,工程实践中使用最为普遍的精跟踪子系统控制方式为PID控制。PID控制器结构简单、参数调节方便;但随着通信品质要求的提升,PID控制器的瓶颈逐渐显现。在实际的卫星运行过程中,星间光通信系统具有大量非线性特点,无法获得准确的理想数学模型;且在太空环境中,有许多复杂的外部扰动存在,因而传统PID控制器在控制精度上存在瓶颈。本文提出模糊自整定PID控制算法对PID控制器参数进行在线调整,以更小的误差和更快的速度进入稳态工作,且能有效抑制干扰,符合本论文对于改善控制性能的要求。文中第五章对所设计的模糊自整定PID控制算法进行了Simulink仿真,将控制效果与传统PID控制算法进行了比较。第六章将模糊自整定PID控制算法模型转化为FPGA程序,采用桌面实验的方式,对模糊自整定PID控制算法的精跟踪子系统的抗扰动能力、跟踪精度进行了验证,并对整个粗-精复合跟踪控制系统的跟踪性能进行了测试验证。实验结果表明,使用模糊自整定PID控制器可以明显提升精跟踪子系统的抗干扰能力,鲁棒性较好;在模拟星上微振动的扰动条件下,粗-精复合跟踪控制系统的整体跟踪精度控制在2.8μrad以内,满足星间光通信稳定建链要求。对星间光通信精跟踪技术的研究,可以有效提升激光通信的品质和应用价值,为星间光通信的发展提供一定参考。

关键词：星间光通信 PAT FSM 模糊自整定PID控制

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星间光通信接收终端的光纤耦合稳定性研究

星间光通信接收终端的光纤耦合稳定性研究

作者：杨宇奇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在近些年的卫星光通信研究中,为了进一步提升激光通信速率以及在增加探测的灵敏度,要求将空间光耦合进光纤。由于光通信终端在工作的过程中,会受到卫星平台振动和刚体形变等影响,导致入射信号光束与接收光学天线之间产生一定的角度偏移... 详细信息

在近些年的卫星光通信研究中,为了进一步提升激光通信速率以及在增加探测的灵敏度,要求将空间光耦合进光纤。由于光通信终端在工作的过程中,会受到卫星平台振动和刚体形变等影响,导致入射信号光束与接收光学天线之间产生一定的角度偏移误差。采用单模光纤进行空间光耦合接收由于纤芯尺寸过小,导致耦合的稳定性较差。采用多模接收又会因为模式数量过多而导致基模被激发的能量大幅度下降。为此本文通过研究近些年的光纤耦合研究现状,基于可工程应用的前提下,提出采用一种双包层光纤-单模光纤拉锥结构作为空间光耦合接收前端,使用该结构可以在耦合效率高于最低要求值的前提下,保证耦合效率在振动环境下具有更佳的稳定性,同时也降低了对跟瞄系统的高性能要求。并且针对所提出的结构,进行了光纤内的模式分析,推导了空间光与该结构在振动环境下的耦合曲线。设计了光学实验,通过模拟星间的振动环境,测量出了在实验环境下,采取单模光纤与提出了双包层光纤-单模光纤拉锥结构的耦合曲线分布,对比了两种结构的稳定性。基于实验数据构建了双包层光纤-单模光纤拉锥结构和单模光纤的耦合曲线模型,随后仿真在高斯与均匀分布振动下,分别采用单模光纤和双包层光纤-单模光纤拉锥光纤作为前端进行空间光耦合时的光通信系统的平均误码率。本文通过理论分析和实验测量,论证了在振动环境下,所提出的双包层光纤-单模光纤拉锥光纤结构相比于现工程采用的单模光纤具有更佳的稳定性,采用该结构的通信系统可以容忍更加剧烈的振动环境,该结构可以提升系统的误码率稳定性以及降低PAT系统的跟瞄精度要求。

关键词：星间光通信光纤耦合效率双包层光纤误码率

星间光通信中波前畸变对系统通信性能的影响分析

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星间光通信中波前畸变对系统通信性能的影响分析

作者：王大艳中国科学技术大学

学位级别：硕士

随着人类活动向太空领域迈进,星间光通信技术在科学研究、国防军事和商业通信等方面表现出了潜在的应用价值,引起了人们的广泛关注。与传统的射频及微波通信相比,激光通信终端结构轻巧、发射功率低、带宽高、抗干扰能力强以及保密性好,... 详细信息

随着人类活动向太空领域迈进,星间光通信技术在科学研究、国防军事和商业通信等方面表现出了潜在的应用价值,引起了人们的广泛关注。与传统的射频及微波通信相比,激光通信终端结构轻巧、发射功率低、带宽高、抗干扰能力强以及保密性好,是一种理想的通信手段。由于星间激光通信链路超长,光束发散角一般在微弧度量级,为了保证较好的通信性能,对发射光束质量要求很高。然而受外太空复杂环境及光学元器件加工精度和装调误差等不利因素的影响,发射光束会出现波前畸变,破坏光束质量,降低系统通信性能。此外,发射系统天线尺寸和发射功率受限,也制约着系统通信性能的提高。针对上述问题,本文采用小波分析方法建立了多样化波前畸变的理论模型。并以此为基础,分析比较了采用不同调制方式的系统在受畸变影响时各自的性能表现。主要研究内容如下：首先,利用小波分析方法分别对反射式和透射式光学天线系统的波前畸变进行模型分析,建立了畸变深度、面积和位置因素与小波的系数因子、伸缩因子和平移因子之间的对应关系。根据光传播理论,给出了接收平面光强分布与小波各参数因子之间的表达式,从而实现波前畸变对接收平面光强分布的影响分析。其次,在对波前畸变与系统性能的研究中往往忽略了探测器噪声。此时,为了获得更好的通信性能,文中选取了OOK、DPIM和PPM三种调制方式进行比较。分别给出了三种调制方式下,系统误包率与反射式和透射式天线系统上畸变深度、面积和位置之间的表达式,分析了畸变加深,畸变区域变大,畸变靠近天线中心位置时系统误包率相应的变化规律。并进一步分析了对于同一畸变系统分别采用OOK、DPIM和PPM调制时误包率的表现。最后,在考虑探测器噪声影响时建立了OOK、DPIM和PPM调制系统各自误包率与反射式天线畸变的深度、面积和位置之间的关系。分析了误包率随畸变深度、面积和位置的变化规律。并给出了此时OOK、DPIM和PPM调制系统在误包率方面的比较结果。相对较低的复杂度和多样化小波基使得小波分析方法在对波前畸变的研究中具有优势。而相较于简单的OOK调制方式,DPIM和PPM调制方式具有更高的功率利用率,且在系统误码率上也表现更优。本文工作有望对星间光通信系统中元器件及调制方式的选取提供理论基础,进而实现系统性能的优化。

关键词：星间光通信波前畸变小波分析调制方式误包率