星载一对多激光通信光端机粗跟踪技术研究
发布时间：2022-02-15 21:31
在构建空天地一体化网络布局中,激光通信组网技术是解决星间高速通信链路最重要的手段,也是未来空间激光通信的发展方向。本文基于新型卫星星座、小卫星星座内卫星间组网通信需求,搭建星间一对多激光通信地面实验,以一对多激光通信粗跟踪系统作为研究对象,重点设计研究粗跟踪系统中跟瞄单元的结构形式、测角方案及控制系统。为满足一对多激光通信组网技术中对粗跟踪系统功能与结构的要求,提出了利用三个独立单反射镜式跟瞄单元对光轴进行调整的粗跟踪方案。针对空间环境适应性和轻小型化的需求,在满足系统指标前提下,对单反镜式跟瞄单元进行了轻量化设计,减轻了系统重量,提高了系统工作效率。为实现粗跟踪系统的高精度捕获跟踪,设计了高精度光栅测角方案,并对测角系统的测角误差进行了分析及补偿。为实现粗跟踪系统的扫描、捕获、跟踪控制,设计了基于多路闭环控制方法的粗跟踪系统控制单元,并进行了室内静态跟踪性能实验,验证了一对多激光通信系统粗跟踪系统的跟踪性能。分析和实验表明,本粗跟踪系统结构紧凑,在有限体积及质量要求内,满足多目标、同时、动态、双工通信。
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
朗讯公司激光通信组网方案
第一章绪论3图1.2Tearbeam公司激光通信组网方案上述两种扩大视场类型的激光通信组网方案的优点是在不使用复杂的跟瞄系统的情况下实现对多目标的通信，但这两种方案也有通信范围孝能量利用率低的局限性，并且光纤阵列密集排布会带来较为严重的信号串扰。虽然我国在空间激光通信领域的研究较晚，但随着国内对航天技术的快速发展，国内很多机构和高校也意识到网络化激光通信在未来的重要作用，也逐渐投入时间和精力到激光通信组网技术的研究上。长春理工大学姜会林院士提出了基于多反射镜拼接的激光通信组网技术原理，并成功研制了第一代多点激光通信的原理样机，完成地面演示通信实验，为空间激光通信组网技术提供了理论和方法指导，对提高我国空间信息的网络化建设具有重要的意义[5-7]。1.2.2国外激光通信粗跟踪系统发展现状随着空间激光通信技术的快速发展，支持其通信的终端也越来越受到关注，在空间激光通信终端中粗跟踪系统是实现链路稳定、高速率通信的基矗欧美等国以先进的航天遥感技术为基础，对星间通信终端的粗跟踪系统开展的研究也较为成熟，并成功研制了很多粗跟踪系统[8]。下面着重调研了近几年来国外在激光通信粗跟踪系统方面的研究现状，为本文的一对多激光通信粗跟踪系统的研究提供借鉴。美国空间动力实验室(SDL)针对小型卫星跟瞄的需要，研制的低成本快速反射镜(FSM)系统如图1.3所示，第一代样机约为20万美元。其反射镜通光口径为75mm，质量为0.16kg，方位转动角度范围为130°，俯仰转动角度范围为30°，系统伺服控制带宽70Hz，平均功耗为0.4w。FSM俯仰轴关键部件包括一个旋转音圈电机和一种独特的非接触式反馈传感器，方位轴采用无刷直流无刷力矩电机和高分辨率光学编码器，平面反射镜采用三角形背部轻量化设计的铝镜[9-10]。
长春理工大学硕士学位论文4a)b)图1.3美国空气动力实验室研制快速反射镜驱动结构a)快速反射镜结构b)俯仰轴系楔形非接触式传感器美国麻省理工大学林肯实验针对空间激光通信大视场终端的局限性所设计的空间光通信粗跟踪系统如图1.4所示，它通过一个小的(12英寸)平窗，在一个±65o视场上提供一个2英寸的光束。这种紧凑型光学框架不同于传统粗跟踪机构的框架，它包括一个两轴（x、y）转向的的反射镜及一个折叠的望远光学系统组成框架动端，绕z轴实现360o方位的旋转，从而克服了大视场的激光通信终端需要圆顶或大的保角形窗口的局限性。反射镜通过挠性枢轴连接在二维转向镜方位铝轴，并由一个半定制线性音圈电机驱动，音圈电机的磁性部分粘在镜子上，产生热量的线圈安装在铝质框架上[11]。a)b)图1.4林肯实验室开发的通信终端a)二维转向镜结构b)粗跟踪系统整体实物图欧空局的AIM(AsteroidImpactMission)计划是搭载OPTEL-D完成深空高速率激光通信任务，OPTEL-D的主要参数如下表1.1。表1.1OPTEL-D主要参数名称接收口径接收波长发射波长发射速率发射功率参数135mm1064nm1550nm195kpbs3WOPTEL-D终端原理图及CPA结构模型如图1.5所示，OPTEL-D的粗跟踪系统执行机构(CPA)采反射镜式粗踪踪装置，其方位转动范围为±90°，俯仰转动范围为±10°[12-13]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于带宽的永磁同步电机伺服控制器设计[J]. 雷阳,徐静,郝强,杨丽娜. 南京理工大学学报. 2019(06)
[2]空间激光通信发展现状及组网新方法[J]. 任建迎,孙华燕,张来线,张天齐. 激光与红外. 2019(02)
[3]空间激光通信最新进展与发展趋势[J]. 高铎瑞,李天伦,孙悦,汪伟,胡辉,孟佳成,郑运强,谢小平. 中国光学. 2018(06)
[4]国外卫星激光通信进展概况[J]. 韩慧鹏. 卫星与网络. 2018(08)
[5]微纳卫星光学有效载荷的发展机遇与挑战[J]. 傅丹膺,满益云,李瀛搏,孙燕萍,周宇,施思寒,刘佳. 航天返回与遥感. 2018(04)
[6]浅谈航空航天工程中的合金材料[J]. 刘睿辰. 中国战略新兴产业. 2018(04)
[7]天地一体化信息网络激光通信系统发展设想[J]. 孙建锋. 电信科学. 2017(12)
[8]空间光通信网络技术的研究进展及架构体系[J]. 吴应明,刘兴,罗广军,何晓垒,蒋相,邱仁和. 光通信技术. 2017(11)
[9]高精度音圈快速反射镜的自适应鲁棒控制[J]. 李贤涛,张晓沛,毛大鹏,孙敬辉. 光学精密工程. 2017(09)
[10]空间激光/量子通信技术研究进展与发展探索[J]. 董玉辉,张靓,李晓亮,谌明. 遥测遥控. 2017(05)
博士论文
[1]空间光通信中高精度光轴偏差检测技术研究[D]. 余佳威.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2019
[2]机载激光通信中捕获与跟踪技术研究[D]. 孟立新.吉林大学 2014
[3]高精度标定转台光栅测角系统关键技术研究[D]. 苏东风.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2011
硕士论文
[1]单反镜式激光通信跟瞄系统关键技术研究[D]. 孟令臣.长春理工大学 2019
[2]小卫星激光通信用周扫式跟瞄系统优化研究[D]. 贾梅.长春理工大学 2019
[3]微纳卫星用激光通信跟瞄系统技术研究[D]. 张轶群.长春理工大学 2019
[4]旋转音圈电机驱动的二维摆镜精密跟踪技术研究[D]. 黄宣淋.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2018
[5]激光通信大口径地面站伺服控制研究[D]. 李朝阳.长春理工大学 2018
[6]周扫式激光通信跟瞄转台研究[D]. 孙赫阳.长春理工大学 2018
[7]微小型卫星激光通信终端跟瞄机构的研究[D]. 吕佳飞.长春理工大学 2017
[8]高精度圆光栅测角系统误差补偿技术研究[D]. 周彬彬.哈尔滨工业大学 2016
[9]电液仿真转台谐振抑制方法的研究[D]. 张哲.哈尔滨工业大学 2014
[10]一对多激光通信端机跟瞄机构研究[D]. 孙晓冬.长春理工大学 2013
本文编号：3627301
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
朗讯公司激光通信组网方案
第一章绪论3图1.2Tearbeam公司激光通信组网方案上述两种扩大视场类型的激光通信组网方案的优点是在不使用复杂的跟瞄系统的情况下实现对多目标的通信，但这两种方案也有通信范围孝能量利用率低的局限性，并且光纤阵列密集排布会带来较为严重的信号串扰。虽然我国在空间激光通信领域的研究较晚，但随着国内对航天技术的快速发展，国内很多机构和高校也意识到网络化激光通信在未来的重要作用，也逐渐投入时间和精力到激光通信组网技术的研究上。长春理工大学姜会林院士提出了基于多反射镜拼接的激光通信组网技术原理，并成功研制了第一代多点激光通信的原理样机，完成地面演示通信实验，为空间激光通信组网技术提供了理论和方法指导，对提高我国空间信息的网络化建设具有重要的意义[5-7]。1.2.2国外激光通信粗跟踪系统发展现状随着空间激光通信技术的快速发展，支持其通信的终端也越来越受到关注，在空间激光通信终端中粗跟踪系统是实现链路稳定、高速率通信的基矗欧美等国以先进的航天遥感技术为基础，对星间通信终端的粗跟踪系统开展的研究也较为成熟，并成功研制了很多粗跟踪系统[8]。下面着重调研了近几年来国外在激光通信粗跟踪系统方面的研究现状，为本文的一对多激光通信粗跟踪系统的研究提供借鉴。美国空间动力实验室(SDL)针对小型卫星跟瞄的需要，研制的低成本快速反射镜(FSM)系统如图1.3所示，第一代样机约为20万美元。其反射镜通光口径为75mm，质量为0.16kg，方位转动角度范围为130°，俯仰转动角度范围为30°，系统伺服控制带宽70Hz，平均功耗为0.4w。FSM俯仰轴关键部件包括一个旋转音圈电机和一种独特的非接触式反馈传感器，方位轴采用无刷直流无刷力矩电机和高分辨率光学编码器，平面反射镜采用三角形背部轻量化设计的铝镜[9-10]。
长春理工大学硕士学位论文4a)b)图1.3美国空气动力实验室研制快速反射镜驱动结构a)快速反射镜结构b)俯仰轴系楔形非接触式传感器美国麻省理工大学林肯实验针对空间激光通信大视场终端的局限性所设计的空间光通信粗跟踪系统如图1.4所示，它通过一个小的(12英寸)平窗，在一个±65o视场上提供一个2英寸的光束。这种紧凑型光学框架不同于传统粗跟踪机构的框架，它包括一个两轴（x、y）转向的的反射镜及一个折叠的望远光学系统组成框架动端，绕z轴实现360o方位的旋转，从而克服了大视场的激光通信终端需要圆顶或大的保角形窗口的局限性。反射镜通过挠性枢轴连接在二维转向镜方位铝轴，并由一个半定制线性音圈电机驱动，音圈电机的磁性部分粘在镜子上，产生热量的线圈安装在铝质框架上[11]。a)b)图1.4林肯实验室开发的通信终端a)二维转向镜结构b)粗跟踪系统整体实物图欧空局的AIM(AsteroidImpactMission)计划是搭载OPTEL-D完成深空高速率激光通信任务，OPTEL-D的主要参数如下表1.1。表1.1OPTEL-D主要参数名称接收口径接收波长发射波长发射速率发射功率参数135mm1064nm1550nm195kpbs3WOPTEL-D终端原理图及CPA结构模型如图1.5所示，OPTEL-D的粗跟踪系统执行机构(CPA)采反射镜式粗踪踪装置，其方位转动范围为±90°，俯仰转动范围为±10°[12-13]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于带宽的永磁同步电机伺服控制器设计[J]. 雷阳,徐静,郝强,杨丽娜. 南京理工大学学报. 2019(06)
[2]空间激光通信发展现状及组网新方法[J]. 任建迎,孙华燕,张来线,张天齐. 激光与红外. 2019(02)
[3]空间激光通信最新进展与发展趋势[J]. 高铎瑞,李天伦,孙悦,汪伟,胡辉,孟佳成,郑运强,谢小平. 中国光学. 2018(06)
[4]国外卫星激光通信进展概况[J]. 韩慧鹏. 卫星与网络. 2018(08)
[5]微纳卫星光学有效载荷的发展机遇与挑战[J]. 傅丹膺,满益云,李瀛搏,孙燕萍,周宇,施思寒,刘佳. 航天返回与遥感. 2018(04)
[6]浅谈航空航天工程中的合金材料[J]. 刘睿辰. 中国战略新兴产业. 2018(04)
[7]天地一体化信息网络激光通信系统发展设想[J]. 孙建锋. 电信科学. 2017(12)
[8]空间光通信网络技术的研究进展及架构体系[J]. 吴应明,刘兴,罗广军,何晓垒,蒋相,邱仁和. 光通信技术. 2017(11)
[9]高精度音圈快速反射镜的自适应鲁棒控制[J]. 李贤涛,张晓沛,毛大鹏,孙敬辉. 光学精密工程. 2017(09)
[10]空间激光/量子通信技术研究进展与发展探索[J]. 董玉辉,张靓,李晓亮,谌明. 遥测遥控. 2017(05)
博士论文
[1]空间光通信中高精度光轴偏差检测技术研究[D]. 余佳威.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2019
[2]机载激光通信中捕获与跟踪技术研究[D]. 孟立新.吉林大学 2014
[3]高精度标定转台光栅测角系统关键技术研究[D]. 苏东风.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2011
硕士论文
[1]单反镜式激光通信跟瞄系统关键技术研究[D]. 孟令臣.长春理工大学 2019
[2]小卫星激光通信用周扫式跟瞄系统优化研究[D]. 贾梅.长春理工大学 2019
[3]微纳卫星用激光通信跟瞄系统技术研究[D]. 张轶群.长春理工大学 2019
[4]旋转音圈电机驱动的二维摆镜精密跟踪技术研究[D]. 黄宣淋.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2018
[5]激光通信大口径地面站伺服控制研究[D]. 李朝阳.长春理工大学 2018
[6]周扫式激光通信跟瞄转台研究[D]. 孙赫阳.长春理工大学 2018
[7]微小型卫星激光通信终端跟瞄机构的研究[D]. 吕佳飞.长春理工大学 2017
[8]高精度圆光栅测角系统误差补偿技术研究[D]. 周彬彬.哈尔滨工业大学 2016
[9]电液仿真转台谐振抑制方法的研究[D]. 张哲.哈尔滨工业大学 2014
[10]一对多激光通信端机跟瞄机构研究[D]. 孙晓冬.长春理工大学 2013
本文编号：3627301
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