量子定位中精跟踪系统滤波与控制研究

发布时间：2020-10-25 20:27

　　 量子定位系统(QPS)作为一种新型定位技术,是在基于量子力学和量子信息理论上发展起来的。QPS通过量子卫星发射的两路量子纠缠光子对到达地面用户端,在反射到卫星后,通过数据处理后获得的精确时间差,计算出厘米级别的定位坐标。QSP实现高精度定位的前提是地面用户与量子卫星之间实现高精度的精确对准,这个过程是通过QPS中的捕获、跟踪和瞄准(ATP)系统来实现的。ATP系统中包含嵌套的粗跟踪子系统和精跟踪子系统。本论文主要进行量子定位系统中ATP系统中的精跟踪系统滤波与控制的研究,本论文主要研究内容包含以下四个方面:1)量子定位中的精跟踪系统数学模型建立和组成模块中器件选型分析。在量子定位系统框架结构中,明确精跟踪系统中各个模块的功能及其所需要完成星地之间信标光和量子光对准的任务。对精跟踪系统中各个模块的结构及其所需要实现的功能进行了分析;进一步对精跟踪系统的执行机构、探测器和微处理器进行选型;分析卫星运行的环境,并根据已有轨道卫星获取的振动数据,模拟出卫星平台的振动信号,建立起考虑卫星平台振动和环境噪声的精跟踪系统的数学模型。对超前瞄准子系统的结构及工作过程进行分析,并设计了一套实现超前瞄准的实施方案。2)精跟踪系统状态滤波器的设计。针对所建立的带有卫星平台振动以及工作环境噪声的精跟踪系统的数学模型,结合状态扰动估计器和强跟踪滤波器,设计了一种自适应强跟踪卡尔曼滤波器(ASTKF),在在线估计时变的状态扰动和系统本身状态的同时,抑制了状态扰动,进一步减小测量噪声对精跟踪信号的影响。3)精跟踪系统自适应控制器的设计。为了进一步提高精跟踪系统的跟踪精度,增加系统的鲁棒性,提出并设计了一种离散型的模型参考自适应控制器,并依据波波夫超稳定性定理,证明了所设计的模型参考自适应控制器的渐近稳定性。通过系统仿真实验,以及与PID+ASTKF和自抗扰控制器(ADRC)+ASTKF的精跟踪性能对比实验,验证了所提出的控制器性能的优越性。4)ATP系统动态仿真实现。在滤波算法和控制算法设计好的基础之上,结合扫描捕获和粗跟踪方向的工作,搭建了一个完整的ATP系统的Simulink系统仿真实验平台,借助MATLAB自带的GUI开发平台,设计了一个ATP系统动态仿真平台,可以让用户实时查看ATP系统的跟踪的性能情况,以及对整个ATP系统的工作过程有直观的了解和清晰的认识。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O413;TN713
【部分图文】：

?精跟踪模块??图２．１?ＡＴＰ系统组成及工作过程??ＡＴＰ系统中的精跟踪系统结构图如图２．２所示，精跟踪系统主要由３部分组??成：（１）快速反射镜（Ｆａｓｔ?Ｓｔｅｅｒｉｎｇ?Ｍｉｒｒｏｒ，ＦＳＭ）：精跟踪系统中的执行机构，负责??调整入射光的光轴角度；（２）精跟踪探测器：精跟踪系统中的光电检测模块，负??责将入射光的光斑信号转换为探测器表面分布的电流信号；（３）微处理器：精跟??踪系统的光斑能量信号处理器和控制器，负责光斑电信号的检测计算和实现控??制算法的作用。精跟踪系统的整个工作过程：快速反射镜对经由粗跟踪系统输出??的入射光进行反射，通过分光镜将其分为两路：一路为量子光，指向单光子探测??器；另一路为信标光，通过精跟踪探测器镜头，进入到精跟踪探测器。信标光照??射到精跟踪探测器上形成光斑，精跟踪探测器将光斑信号转化为在探测器上分??布的电流信号，经Ａ／Ｄ转换成数字的光斑能量信号Ｅ（ｆｃ），微处理器对分布的光??斑能量信号￡（／〇进行计算

?出射信标光?精跟踪模块??图２．１?ＡＴＰ系统组成及工作过程??ＡＴＰ系统中的精跟踪系统结构图如图２．２所示，精跟踪系统主要由３部分组??成：（１）快速反射镜（Ｆａｓｔ?Ｓｔｅｅｒｉｎｇ?Ｍｉｒｒｏｒ，ＦＳＭ）：精跟踪系统中的执行机构，负责??调整入射光的光轴角度；（２）精跟踪探测器：精跟踪系统中的光电检测模块，负??责将入射光的光斑信号转换为探测器表面分布的电流信号；（３）微处理器：精跟??踪系统的光斑能量信号处理器和控制器，负责光斑电信号的检测计算和实现控??制算法的作用。精跟踪系统的整个工作过程：快速反射镜对经由粗跟踪系统输出??的入射光进行反射，通过分光镜将其分为两路：一路为量子光，指向单光子探测??器；另一路为信标光，通过精跟踪探测器镜头，进入到精跟踪探测器。信标光照??射到精跟踪探测器上形成光斑，精跟踪探测器将光斑信号转化为在探测器上分??布的电流信号

?图２．３?ＡＴＰ系统控制回路图??２．３．１精跟踪控制系统结构图??精跟踪控制系统结构图如图２．４所示，其中，精跟踪探测器探测到精跟踪系??统的角度跟踪误差４＾（０，将其转化为探测器上分布的电流信号Ｅ⑴，通??过Ａ／Ｄ转化器转换为数字光斑能量分布信号￡（ｆｃ），通过微处理器中的角度偏差??提取模块得到精跟踪系统中数字信号的角度跟踪误差然后期望的角度??偏差ｒ（／ｃ）与ｄ０Ｆ（ｆｃ）的差值为精跟踪控制系统误差量ｅ．⑷＝ｒ（ｆｃ）?－?这??个误差传入到控制器，控制器根据设计出的控制律计算输出控制信号ｕ（ｆｃ），再经??Ｄ／Ａ转化为模拟电压信号驱动快速反射镜偏转角度０Ｆ（ｆ），精跟踪系统的角??度跟踪误差⑴再次减小知⑴，直至精跟踪系统输出的角度跟踪误差４０Ｆ（ｆ）??维持在小于ｒａｄ的跟踪精度要求范围内，以此完成整个精跟踪过程。??Ａ０Ｃ（〇??１？⑷＝０?一，丨数字控ｋ＊）?［７Ｔ１?＿．１快速反内??＂Ｔｖ?１?制器?｜￣Ｔ／ＡＩ￣１?射镜?＾??＾＾（＊）?｜?ｆｔ？？?ｉ￡（＾）ｉ
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 戴艳玲;尤文泽;;美国提出建立全国犯罪团伙跟踪系统[J];犯罪与改造研究;1991年04期

2 吕丹;姚一波;白荣丽;;一种新型双轴跟踪系统的研究及应用[J];太阳能;2017年04期

3 彭鹏;;探视跟踪系统在新生儿重症监护病房的应用[J];继续医学教育;2011年09期

4 欧阳咸泰;时域和频域设计模型跟踪系统的等价性[J];武汉化工学院学报;1998年02期

5 郑耀林;;重力仪平台中间跟踪系统的设计[J];华侨大学学报(自然科学版);1987年03期

6 叶家福,许仲仁;红外调频跟踪系统的调制与扫描[J];舰船科学技术;1988年04期

7 彭永华,吴俊杰;采用自适应滤波技术的机载雷达跟踪系统[J];航空学报;1988年04期

8 王磊,孔祥利,阳含和;人炮跟踪系统动态特性分析及补偿[J];信息与控制;1988年02期

9 郜宪林,张勇传;前馈加反馈补偿的分散鲁棒跟踪系统研究[J];华中理工大学学报;1989年02期

10 周清泉 ,杨国胜;跟踪系统的配点综合法的改进研究[J];河南大学学报(自然科学版);1989年04期

相关博士学位论文 前10条

1 周建民;激光对光电制导武器跟踪系统的干扰技术研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2005年

2 顾海军;嵌入式彩色电视跟踪系统的设计和实现[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2003年

3 黄海波;复合轴光电精密跟踪伺服控制关键技术研究[D];武汉大学;2011年

4 陈淼;基于信号强度的WLAN室内定位跟踪系统研究[D];武汉大学;2012年

5 侯格贤;遗传算法及其在跟踪系统中的应用研究[D];西安电子科技大学;1998年

6 杨明冬;空间非合作面目标跟踪技术研究[D];中国科学院研究生院(上海技术物理研究所);2015年

7 黄银娣;客车生产物流系统及车辆信息跟踪系统的研究[D];南京林业大学;2012年

8 徐晓冰;光伏跟踪系统智能控制方法的研究[D];合肥工业大学;2010年

9 郑岩;运动平台上跟踪系统研究[D];吉林大学;2010年

10 章勇勤;空间光通信信标光束精密控制的研究[D];武汉大学;2010年

相关硕士学位论文 前10条

1 邹紫盛;量子定位中精跟踪系统滤波与控制研究[D];中国科学技术大学;2019年

2 李牧子;基于图像识别的目标检测与跟踪系统的设计与实现[D];北京邮电大学;2019年

3 孙旭;横向光电效应传感器及阳光传感跟踪系统的研究[D];哈尔滨理工大学;2018年

4 孙聪;基于FPGA的视频监控与跟踪系统设计与实现[D];东北大学;2015年

5 刘韦辰;光伏跟踪系统设计与控制算法研究[D];西安建筑科技大学;2018年

6 刘耀武;斜单轴间歇式太阳能跟踪系统的设计[D];西安工程大学;2018年

7 任欣;基于FPGA的运动目标实时检测与跟踪系统研究与实现[D];武汉理工大学;2017年

8 贺倩倩;目标检测与跟踪系统的设计与实现[D];西安电子科技大学;2018年

9 于晋川;高帧率视线跟踪系统的研究和实现[D];西安电子科技大学;2018年

10 刘聪聪;某精密跟踪系统的极限能力分析与控制策略研究[D];西安电子科技大学;2018年

本文编号：2855914