基于LED的星间通信测距复合系统关键技术研究

发布时间：2020-05-30 23:59

【摘要】：随着卫星应用技术的发展,一些航天任务靠一颗卫星很难实现,并且单星系统的可靠性、适应性也存在固有的薄弱环节,小卫星的设计思想应运而生。相对于大卫星,卫星编队飞行具有在物理上不受限制的长“基线”,降低航天任务的成本,很强的灵活性,更高的生存能力等优点。编队卫星相对距离的确定是编队卫星群载荷正常工作的必要条件,利用地面设备对编队小卫星实现定位,存在测量弧较短和测量目标多的难处。实现编队卫星间的距离测量,建立信息链路已经成为小卫星技术发展的迫切需求。本文探索性的提出了基于可见光LED的通信测距复合系统,设计了地面60m原理样机,实现了LED通信测距复合功能的验证,分析了用于太空10km工作范围的可行性;并介绍了复合系统的扩展功能:利用LED天线,配合可见光探测相机实现一定距离空间碎片的主动探测及相对方位的确定。具体的研究工作包括以下几个方面:(1)对可见光通信测距复合系统及信道进行建模。第一,分析了复合系统发射天线LED的电学、光学、调制特性。LED的p-n结由于寄生电阻的影响使I-V特性呈现非线性状态,提出了补偿LED I-V的线性模型,使选用的XT-E-EAQ4线性度由0.5665补偿到0.0838,提高了近7倍。第二,用分立元件建立复合系统接收天线PIN的仿真模型,结合放大电路确定了PIN的带宽分析模型。第三,研究了可见光信道的衰减特性,分析了影响可见光信道的相关因素,提出了信道的增益模型,以此为基础进行信道增益的光学设计。第四,为了展开地面试验完成对复合系统的原理性验证,分析了地面仿真实验的空间传输特性,建立了大气对光强的衰减模型。(2)分析研究了具有测距和通信两种功能的复合系统的技术方案。为了保证编队卫星组网及相对导航的需求,设计了兼顾通信带宽和测距精度的OOK通信与伪码测距复合方案。在同一条硬件链路可以实现通信和测距两种功能;在采用OOK进行伪码序列测距时,可以同时进行单码测距,提高了系统资源的利用率,降低了系统功耗。比较和分析了伪码测距中单码相位差测量的多种方法,分析得出谱分析法能有效地抑制高斯白噪声。进一步提出,全相位谱分析法能够抑制频谱泄漏,使得系统可以获得准确的相位差测量并提高系统抗噪声能力。(3)设计和集成可见光通信测距复合系统原理样机。第一,提出了运放驱动大电容的补偿电路,设计了具有平坦纹波的Bias-Tee电路和减少LED的偏置电源纹波的处理设计。第二,设计低噪声增益、高灵敏度的信号检测电路。二级信号放大电路使用单片微波集成放大器,减小信号的失真度。三级电路采用AGC放大电路,保证系统测距的动态范围。第三,为了补偿发射机和接收机的信号的频率响应,提出一种π型均衡器,并为后文中的幅度相位一致性的差分算法提供了幅度一致的两种频率信号。第四,分析了系统的精度、动态范围等特性,给出了通信系统在太空中实现10km测距动态范围的方案并分析其可行性。(4)深入研究信息处理技术对整个系统性能的作用。第一,针对光接收机中由于接收信号幅度变化造成的相位漂移,提出了引入两种频率信号进行差分测量,并补偿幅度相位的一致性。第二,在对信号采样中,提出了增加相位量化台阶的方法以降低量化误差,提高相位测量精度。这使得相位精度提高了近3倍,并且该方法减小了相位差在0°或者360°附近时测量不准确性。第三,使用滤波算法对测距数据进行误差修正,降低系统有色噪声及白噪声从而降低相位测量的系统误差。(5)设计相位计稳定性测量实验,确定相位采样数据的最佳幅度及采样位数;对相位计进行回环测试,对同一长度电缆进行多次测量,其距离测量误差在±1.21cm以内,验证了相位计测量的稳定性。(6)对系统的视场能力进行了分析验证,实验结果得到发射机在±2.5°的视场内,相位测量的平均百分比误差为8.73%;经过相位漂移补偿后,平均百分比误差降低到5.41%,提高了37%的准确度。实验表明,可见光测距比激光测距具有更好的视场能力,相位漂移补偿算法得到了验证;对比于传统激光测距方法,可见光LED测距发散角大不需要辅助瞄准系统,较大的视场能力有利于编队卫星在队形构成中实时测距。(7)对可见光通信测距复合系统的原理样机进行了地面测试实验,实现了在17.4us内5.4m~60m测量动态范围内±45cm的准确度测量;基于长基线二目测距原理,设计了小卫星编队的相对导航实验,2km内主动识别空间碎片并对其避撞。
【图文】：

示意图,飞行器,示意图,激光测距仪

第 1 章引言星空间目标识别的发展与现状年，空间目标识别主要应用在空间碎片移除业务。为了完成多卫星平台携带不同测量传感器[16]实现所需要的功能。1 年，GEO 为了解决空间轨道资源日趋紧张的问题，欧空R（Robotic Geostationary Orbit Restorer）”系统，，ROGER 项目飞爪对空间碎片实施捕获，捕捉成功后进行离轨操作。GER 主要任务是：探测、识别、跟踪和测量空间非合作目标。从使用了短距离激光测距仪（0～2m），中距离激光测距仪（0.1～立体成像系统（0.5～100m），中距离测距相机（50m～5km）感器共 6 种测量系统。

重构图,卫星,非合作目标,交会对接

图 1.2 XSS-11 卫星重构图Figure 1.2 XSS-11 satellite reconstruction map 公司（Advanced Optical Systems，Inc.）于 2005 年目标交会对接、空间非合作目标自主捕捉跟踪的自探测方法，视场范围为 5°，最大作用距离为 5km
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V443;TN312.8

【参考文献】