卫星光通信用潜望式粗跟踪转台伺服控制系统

发布时间：2020-11-18 20:45

　　 空间激光通信具有信息容量大、通信速率快、传输距离远等优点,可作为卫星间通信的主要方式。粗跟踪转台技术作为卫星光通信的核心技术之一,逐渐成为当下研究的热点。粗跟踪转台通过伺服控制系统实现对姿态的高精度控制,完成对目标单位的精准指向和精确跟踪,保证通信链路的建立和稳定。伺服系统的控制性能直接影响光通信的质量。本文以某星载光通信终端项目为应用背景,为实现对目标通信终端的稳定跟踪,进行卫星光通信用潜望式粗跟踪转台伺服控制系统研究。本文通过分析粗跟踪转台的性能需求以及系统组成,选择了合理的结构形式,制定了伺服控制系统总体方案。详细论证了伺服控制系统中驱动电机、角位置反馈器件以及CCD图像跟踪单元的种类与特性。根据磁场定向控制和空间矢量脉宽调制技术,在MATLAB中建立永磁同步电机(PMSM)的控制仿真模型,经仿真分析验证了空间矢量控制的原理。并针对潜望式跟踪结构形式,建立了粗跟踪模型,设计了跟踪算法,经实验测试平均模型解算误差为2.6",满足系统跟踪要求。在总体方案和仿真分析的基础上,进行伺服控制系统硬件设计,设计了基于ARM+FPGA的伺服控制板和基于DRV8312的电机驱动板,并详细论证FPGA中工作模块的具体实现方法。然后根据频率响应原理,进行了频响测试并辨识出了系统的传递函数,为控制算法设计提供模型支撑。根据三环控制理论,完成了闭环环路设计。并对伺服系统进行实验测试,在频率为0.067Hz幅值为5°的外部扰动下,动态跟踪精度优于104μrad,满足技术指标要求。为进一步提高光闭环跟踪精度,针对光闭环时存在的脱靶量滞后问题,进行了滞后补偿研究。经测试表明加入补偿算法动态跟踪精度可提高16%左右。
【学位单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP273;TN927.2
【部分图文】：

且近年来一直在深入研究并进行技术验证，其技术实力在世界范围内始终处于领先位[18]。在早期时，美国在激光通信领域做了大量的实验验证，为后期的在轨卫星通信积累了大量的经验，如：60 年代中期美国宇航局（NASA）开展了基于CO2激器的卫星光通信系统研究；1980 年美国空军实验室（AFRL）实现了基于倍频 YAG光器通信距离为10Km、通信速率为1Gbps的飞机与地面站之间的激光通信[19]；1994 JPL 搭建激光通信演示系统（OCD），实现了基于 OOK 调制、孔径 10cm、通信速为 250Mbps 的激光通信[20]。在 1995 年美国弹道导弹防御组织（BMDO）通过与美国国内多个研究机构合作，施了 STRV-2 星地激光通信项目，其目的是实现地球低轨卫星（LEO）与两地面站间的激光通信[21]。如图 1.1 所示为 STRV-2 计划中所用的低轨卫星 TSX-5 与光通信端 STRV-2。然而由于所设计 LEO 的运行轨道与姿态控制精度与 STRV-2 通信终端匹配，导致其未能实现星地激光通信。但是美国经历 STRV-2 卫星通信终端从设计发射等一系列的流程，在这个过程逐渐掌握了卫星光通信的器件、单元、系统集成关键技术，发现并解决了一系列实际应用时所面临的难题，为将来美国所研制的卫光通信终端成功实现通信打下了坚实的基础。

光通信和传感演示项目 NASA 2015 年 星间及星地上行 5~10下行 10激光通信中继演示验证 NASA/JPL/MIT2017 年 星间及星地1.25Gbps/ps国对卫星光通信技术也十分重视，于 1977 年欧空局开始了对卫星，并在欧盟各成员国及欧空局的共同努力下和欧盟的先进的技术实星光通信领域发展飞速，始终处于技术领先地位[26]。欧空局自光通展了多个发展计划，例如：TRP 计划、ASTP 计划、远程通信准备拟及试验计划、SILEX计划等[27]，其中最为著名的要数SILEX计划头领导，英法德等多个欧盟成员国参加，旨在实现两星载卫星通信信。在 SILEX 计划中，设计并研制出两套结构大致相同的光通信 OPALE，两通信终端分别搭载 SPOT-4 卫星和 ARTEMIS 卫星进入2001 年 11 月份进行通信速率为 50Mbps 星星激光通信实验并取得了进入了星间激光通信的时代[28]。且在这一年的 11 月份，进行了地终端 OSG 与卫星光通信终端 OPALE 之间通信测试，通信链路得以成功。如图 1.2 所示为 PASTEL 和 OPALE 卫星光通信终端。

1.1 十字跟踪架式十字跟踪架式作为目前最常用的粗跟踪转台结构形式[47]，具有结构形式简单、两动范围大以及易实现半球空间内的指向与跟踪等优点，十字跟踪架式被广泛使用星光通信终端中，如欧空局的 SILEX 星载通信系统、美国的 OCD 激光通信演示以及日本的 LCDE、LUCE 激光通信系统。如图 2.1 所示为通信终端 LUCE 以及构示意图。根据两轴系结构形式的不同，可将其分为三种类型，分别是极轴式式和水平式。从十字跟踪架结构示意图中可以看到,方位俯仰轴直接驱动光学天目标光束不经过反射镜直接进入到图像处理单元中，使得该系统指向精度高、跟法相对简单、工作稳定性高且易于调试。但是，其尺寸较大使得质量、转动惯量功耗不易把控；其伺服结构的刚度和谐振频率较低，控制性能易受到卫星震动和的干扰；在天顶区域有 15°左右的跟踪盲区。因此，十字跟踪式较适用于中小范的伺服应用。
【参考文献】

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本文编号：2889184