空间二维光电转台的高稳定捕获跟踪技术研究

发布时间：2017-11-22 20:22

  本文关键词：空间二维光电转台的高稳定捕获跟踪技术研究

  更多相关文章： 空间光通信 捕获跟踪瞄准 粗跟踪系统 二维光电转台 预测滤波 捕获灵敏度

【摘要】：经过几十年的研究,空间光通信终端已经经历了两代的发展,并且各国开展了一系列的在轨光通信实验,取得了辉煌的成绩。由于激光的方向性极强,需要专门的捕获、跟踪、瞄准(Acquisition,Tracking and Pointing,简称ATP)系统来建立并维持高精度对准的光学链路。空间光通信的链路可通率和通信误码率分别对ATP系统的捕获稳定性和跟瞄精度提出了要求,同时,ATP系统还面临着空间环境和空间平台带来的挑战。所以,ATP技术是空间光通信的关键技术之一。本论文基于中国科学院知识创新工程重大项目,以星地量子通信的星载ATP系统研制为背景,研究基于空间二维光电转台结构的高稳定捕获和跟踪技术。论文的工作主要包括:介绍了ATP工作流程、系统构成和工作原理,以及二维光电转台的硬件构成与软件算法,总结了常见的捕获跟踪性能测试方法,并测试了系统的基本性能;对影响系统性能的外部环境约束进行了分析,包括大气信道特性,卫星平台扰动,以及空间热环境的影响;分析了捕获方法和捕获灵敏度,针对捕获系统面临的实际问题,提出了若干优化算法,提高了捕获的稳定性;综合分析了二维光电转台的跟踪误差,探讨了系统极限跟踪性能的限制因素,并指出提高跟踪精度的思路。论文的主要创新点有:1)考虑到光通信链路中断后快速恢复的需求,提出了基于角度信息预测滤波的快速重捕获方法。根据星地光通信指向角的特点,提出改进的有限记忆滤波算法。仿真结果表明,算法在3s内的预测精度优于0.05?,5s内的预测精度优于0.1?。实验结果表明,经历约5s的无光期后,系统能够在1s内完成重捕获。相比之下,扫描捕获方法通常需要数十秒,因此该方法可有效提高光通信链路的可通率。2)针对弱光捕获的鲁棒性问题,提出了变值速度约束的捕获优化方法。利用质心轨迹和测角信号预测得到星地相对运动速度作为速度约束的基准,实现捕获速度的变值约束。仿真和实验结果表明,优化方法使捕获灵敏度提升了约5d B。该方法在某星地量子通信ATP系统中得到了应用,地面测试显示其显著提高了信标捕获过程的稳定性。另外,对于功率受限的深空光通信链路,该方法也能够提高其链路建立的成功率。3)从系统的角度综合分析了二维光电转台的跟踪性能。分析结果表明,对二维光电转台的跟踪精度影响最大的是探测器帧频有限引起的采样延迟误差,系统的极限带宽则同时受制于机械谐振频率和探测器帧频。同时指出了利用CMOS探测器变窗手段提高跟踪精度的思路。理论分析表明,利用变窗跟踪方法能够将二维转台的极限跟踪带宽由4Hz提升到15Hz,从而使跟踪精度由20~30urad提高到10urad量级。论文的研究结果对空间光通信的高稳定捕获跟踪技术起到一定促进作用。综合本文提出的若干方法和思路,有助于实现基于二维光电转台结构的小型化非复合轴ATP终端。由于其结构简化、稳定性好,对于近距离和中等速率的空间光通信具有实用价值。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.1

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本文编号：1215955