空间卫星激光通信精瞄微定位系统的设计和研究

发布时间：2017-05-20 17:22

  本文关键词：空间卫星激光通信精瞄微定位系统的设计和研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：APT技术是中继卫星间链路技术中最核心的技术之一,分为捕获,瞄准,跟踪三个部分。在这个方面我国和国外比存在着很大的差距,这个差距是由于我国开始研究激光链路技术比较迟,很多研究还都处于低水平的仿真仿真验证或者是一些关键技术的验证,同时也包括一些方法上的研究。而精瞄技术在瞄准和跟踪方面起到至关重要的作用,精瞄技术水平的高低是直接关系到星间链路稳定的好坏以及通信能否正常的关键,现在不论是国外还是国内都有大量的学者都在努力研究精瞄技术,因此对精瞄技术进行深入的研究非常有必要。精瞄微定位系统属于高精密高频响系统,需要有很高的精确度以及很高的控制频率和响应速度。本文通过对精瞄偏转镜(FSM)及其功能进行详细介绍,阐述其在APT系统中的工作过程。在此基础上,文章对精瞄微定位系统设计进行了详细的介绍,精瞄微定位系统包括上位机,硬件电路,软件程序,精瞄偏转镜。精瞄微定位系统上位机是用LABVIEW软件设计,硬件电路设计部分重点对压电陶瓷驱动模块和位置检测模块进行了介绍,压电陶瓷驱动模块的好坏直接关系到压电陶瓷能否正常工作以及快速充放电,位置检测模块的功能是检测从压电陶瓷内电阻式应变片组成的差动电桥电路反馈回的微弱电压信号。文章将对精瞄偏转镜的结构,工作原理进行细致的讲解,并计算压电陶瓷的工作谐振频率,为后面的控制做准备。对于压电陶瓷的迟滞,蠕变和受温度影响大等非线性特性,本文对压电陶瓷的迟滞曲线进行了数学建模,通过拟合迟滞曲线的方式建立起了模型,并通过压电陶瓷的模型预测作为控制系统的前馈控制,以此来消除迟滞非线性带来的误差,同时也对蠕变特性进行了建模。然后本文对精瞄微定位系统的控制算法进行详细的描述,通过比较一般的控制算法包括简单闭环控制和PID控制,提出了一种基于压电陶瓷模型预测前馈的分段变速积分增量式PID控制算法。文章最后通过建立MATLAB模型仿真和采用实物验证的方式共同验证了本文提出的基于压电陶瓷模型预测前馈的分段变速积分增量式PID控制算法在控制由压电陶瓷制动器驱动FSM方面的优越性。精瞄技术是星间链路通信技术的核心技术之一,对星间链路的控制精度和控制带宽有着决定性的影响,精瞄微定位系统设计最核心的技术包括压电陶瓷驱动模块和位置检测模块电路的设计,其次压电陶瓷执行器的数学建模的模型精度也是影响控制速度的主要因素,研究一种适合压电陶瓷驱动的精瞄偏转镜的控制算法能够有效提高其控制精度。
【关键词】：精瞄微定位系统 APT 压电陶瓷 数学建模 控制算法
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN927.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 课题来源及研究的背景和意义9-10
• 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析10-12
• 1.2.1 国外研究现状10-11
• 1.2.2 国内研究现状11-12
• 1.3 论文组织结构12-13
• 第2章 精瞄微定位系统简介13-18
• 2.1 精瞄偏转镜简介13-15
• 2.2 精瞄微定位系统在APT系统中的工作过程15-17
• 2.3 本章小结17-18
• 第3章 精瞄微定位系统设计及实现18-39
• 3.1 精瞄微定位控制系统简介18
• 3.2 精瞄微定位系统上位机设计及实现18-24
• 3.3 硬件电路设计及实现24-36
• 3.3.1 硬件电路设计24-28
• 3.3.2 微定位检测模块设计28-30
• 3.3.3 压电陶瓷驱动模块设计30-31
• 3.3.4 实测数据31-32
• 3.3.5 驱动电路输出线性度和分辨率32-36
• 3.4 EMC设计36-38
• 3.5 精瞄电路板实物图38
• 3.6 本章小结38-39
• 第4章 精瞄微定位系统的研究39-56
• 4.1 精瞄微定位系统的工作原理39
• 4.2 精瞄偏转镜的研究39-43
• 4.2.1 精瞄偏转镜的结构40-41
• 4.2.2 精瞄偏转镜的工作方式41-42
• 4.2.3 精瞄偏转镜的工作频率42-43
• 4.3 精瞄微定位系统的控制方案43-44
• 4.4 压电陶瓷的非线性分析及数学建模44-51
• 4.4.1 压电陶瓷的非线性分析44-46
• 4.4.2 压电陶瓷迟滞特性的建模46-50
• 4.4.3 压电陶瓷蠕变特性的建模50-51
• 4.5 精瞄微定位系统控制算法的研究51-55
• 4.5.1 数字PID控制算法51-52
• 4.5.2 基于压电陶瓷模型预测前馈的分段变速积分增量式PID控制52-55
• 4.6 本章小结55-56
• 第5章 精瞄微定位系统仿真与实物验证56-59
• 5.1 MATLAB仿真56-57
• 5.2 LABVIEW实时显示验证57-58
• 5.3 本章小结58-59
• 结论59-61
• 参考文献61-65
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果65-67
• 致谢67

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 许秀;黄金华;;新型连续变速积分控制算法研究及应用[J];工业仪表与自动化装置;2006年06期

2 倪飞,邓兴成,李贤;空间光通信ATP系统中光信号处理技术研究[J];激光杂志;2000年04期

3 于靖军,宗光华,毕树生,赵玮;纳米级精度柔性机器人的设计方法及实现研究[J];中国机械工程;2002年18期

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本文编号：382343