基于高精度跟瞄系统的扰动补偿控制技术研究
发布时间：2021-07-06 07:06
星载激光通信的研究近几年发展迅速并且具有广阔的发展前景,其中高精度跟瞄系统在激光通信链路的建立和维持过程中起到关键作用,跟瞄系统是一个集合光、机、电一体的复杂系统,为了满足星载激光通信系统的设计需要,跟瞄系统的跟踪精度要达到微弧度级。本文基于星载激光通信的课题背景,重点研究了激光通信跟瞄系统在捕获、瞄准、跟踪过程中扰动补偿控制问题。如何消除跟瞄系统内部摩擦扰动、平台抖动以及一些非线性扰动对跟踪精度的影响,是实现星载跟瞄系统高精度鲁棒伺服控制的关键。由于星间激光通信系统通信距离远、通信的激光束散角窄以及空间环境复杂,建立一条通信双端稳定的通信链路十分困难,而跟瞄控制系统是其核心和关键,本文针对星载跟瞄系统的控制问题展开研究,主要研究内容有:（1）介绍了跟瞄系统的组成并分析了跟瞄系统的工作流程,激光通信链路的建立与保持一般需要经过三个阶段:捕获、瞄准和跟踪,详细描述每个阶段的工作原理。而星载激光通信终端实现APT整个过程的系统称为跟瞄子系统,主要由粗跟踪系统和精跟踪系统组成。为了方便描述ATP过程的姿态和轨道运动,对常用的坐标系以及坐标变换进行计算分析。随后介绍了星载激光通信链路的建立过程...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
LUCE激光通信终端示意图
第1章绪论7卫星上的LUCE激光通信终端与德国航空航天研究院DLR（DeutschesZentrumfürLuft-undRaumfahrt）的光学地面站进行星地间的通信实验，该项目主要验证了地面站在各种天气状况下对卫星终端的捕获能力和相互之间的通信能力。2006年，日本卫星与德国地面站之间又开展了多次捕获试验，由实验结果得出：大气湍流扰动和云层不确定因素对结果影响最大，尤其是在当湍流较强时，导致地面站接收端的光束色散严重，使得光功率分布不均匀，进而导致整个系统通信性能变差。该实验为后续星地激光通信提供了参考，地面站可以通过选择多点布站的方式，可以提高总通信时间。此试验项目实现了双向通信，上行、下行传输速率分别为2.048Mbps和49.372Mbps[18]。图1.4SOTA收发系统结构图Figure1.4TransmitterandreceiversystemofSOTA2014年，一项名为先进空间光通信技术卫星SOCRATES的计划由日本开展。该计划的超小型LEO（LowEarthOrbit）激光通信终端SOTA（SmallOpticalTrAnsponder），总质量仅为5kg左右，搭载在50kg级的小卫星上与地面通信试验[19]，SOTA终端的收发系统结构如图1.4所示。同年5月SOTA终端发射进入轨道，并成功于当年8月至11月间开展了星地激光通信试验，下行通信速率为10Mbps，最远通信距离1000km。2015年1月，日本公布了包括“激光数据中继卫星（JDRS）”计划在内的国家航天开发基本计划，目前正处于初步设计研发阶段，并于当年下拨了32.08亿日元作为该计划的启动经费，计划在2019年搭载光学卫星（AOS）发射，旨在
基于高精度跟瞄系统的扰动补偿控制技术研究10图1.6LLCD月球探测示意图Figure1.6LLCDlunarexplorationschematicdiagram为了建设深空探测通信网络以及为未来的TDRS空间激光通信网络建设提供一个重要参考，美国在2017年开展了名为“激光通信中继演示（LCRD）”计划[24]。此计划希望对地面接收站与地球同步轨道卫星间实现高速双向通信进行演示，并利用GEO卫星与地面上两个接收站进行激光中继通信。在LLCD的基础上，LCRD计划完成验证编码演示，提高组网能力，满足DTN网络协议等任务。LCRD计划在商用卫星SSL（SpaceSystemsLoral）上装载卫星激光通信终端。同时，该计划改建了麻省理工学院和JPL的两个地面光学站。在原来地面站的基础上增加DPSK单元和AO自适应光学系统，用来进行DPSK通信试验同时可提高其抗大气湍流干扰能力。如图1.7所示为LCRD自适应系统结构图。QuadcelldetectorWFSFPAInGaAsphotodiodeFiberlaunchingFilpinopticBeamsplitterSingle-modeFilberinputMAOfeedbackSDMOrCDMWFSAOfeedbackFastSteeringmirrorTelescopeprimaryTelescopepupil4frelayopticsTurbulencesimulator(rotatingphasescreen)D/r0<=7.5Laserdiodeλ=1550nm图1.7LCRD自适应光学系统结构图Figure1.7AdaptiveopticalsystemstructureofLCRD
【参考文献】：
期刊论文
[1]星载激光通信技术研究进展[J]. 董全睿,陈涛,高世杰,刘永凯,张玉良. 中国光学. 2019(06)
[2]一种通过约瑟夫森结非线性频率响应确定微波耗散的方法[J]. 陈恒杰,薛航,李邵雄,王镇. 物理学报. 2019(11)
[3]基于典型相关分析的点云配准算法[J]. 唐志荣,刘明哲,蒋悦,赵飞翔,赵成强. 中国激光. 2019(04)
[4]基于边界限制加权最小二乘法滤波的雾天图像增强算法[J]. 李红云,云利军,高银. 中国激光. 2019(03)
[5]压电执行器动态迟滞建模与LQG最优控制器设计[J]. 张泉,尹达一,张茜丹. 光学精密工程. 2018(11)
[6]轻小型无人机云台机电多目标优化[J]. 周向阳,朱军,时延君. 光学精密工程. 2018(11)
[7]高温压电材料、器件与应用[J]. 吴金根,高翔宇,陈建国,王春明,张树君,董蜀湘. 物理学报. 2018(20)
[8]遗传算法优化的BP神经网络压电陶瓷蠕变预测[J]. 范伟,林瑜阳,李钟慎. 电机与控制学报. 2018(07)
[9]北斗三号系统进展及性能预测——试验验证数据分析[J]. 杨元喜,许扬胤,李金龙,杨诚. 中国科学:地球科学. 2018(05)
[10]自适应光学技术在星地激光通信地面站上的应用[J]. 芮道满,刘超,陈莫,鲜浩. 光电工程. 2018(03)
博士论文
[1]空间激光通信APT系统中快速反射镜关键技术研究[D]. 倪迎雪.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]基于永磁同步电机的大型望远镜低速伺服系统研究[D]. 刘京.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[3]基于系统辨识的望远镜消旋K镜转台自抗扰控制技术研究[D]. 夏培培.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[4]望远镜中跟踪架的扰动补偿及精密控制技术研究[D]. 蔡华祥.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
[5]4m级望远镜主轴交流伺服控制系统研究[D]. 邓永停.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[6]卫星光通信捕获跟踪技术研究[D]. 薛正燕.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
[7]压电陶瓷驱动的运动平台建模与控制研究[D]. 秦海辰.华中科技大学 2014
[8]卫星激光通信终端系统捕获瞄准跟踪技术研究[D]. 郑燕红.哈尔滨工业大学 2010
[9]基于压电陶瓷迟滞非线性建模及控制系统的研究[D]. 王希花.哈尔滨工程大学 2010
[10]基于扩展Stribeck效应的摩擦实验建模及系统动力学研究[D]. 张新刚.上海交通大学 2009
硕士论文
[1]基于音圈电机变形镜的技术研究[D]. 孙晓林.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
[2]探测器响应非均匀性对星地激光链路性能影响及补偿方法[D]. 高鹏涛.哈尔滨工业大学 2014
[3]压电陶瓷系统迟滞非线性建模与控制的研究[D]. 孙孔政.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2013
[4]转台低速性能分析与改进[D]. 雷晨明.哈尔滨工业大学 2013
[5]快速反射镜机械结构特性设计问题研究[D]. 鲁亚飞.国防科学技术大学 2009
本文编号：3267776
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
LUCE激光通信终端示意图
第1章绪论7卫星上的LUCE激光通信终端与德国航空航天研究院DLR（DeutschesZentrumfürLuft-undRaumfahrt）的光学地面站进行星地间的通信实验，该项目主要验证了地面站在各种天气状况下对卫星终端的捕获能力和相互之间的通信能力。2006年，日本卫星与德国地面站之间又开展了多次捕获试验，由实验结果得出：大气湍流扰动和云层不确定因素对结果影响最大，尤其是在当湍流较强时，导致地面站接收端的光束色散严重，使得光功率分布不均匀，进而导致整个系统通信性能变差。该实验为后续星地激光通信提供了参考，地面站可以通过选择多点布站的方式，可以提高总通信时间。此试验项目实现了双向通信，上行、下行传输速率分别为2.048Mbps和49.372Mbps[18]。图1.4SOTA收发系统结构图Figure1.4TransmitterandreceiversystemofSOTA2014年，一项名为先进空间光通信技术卫星SOCRATES的计划由日本开展。该计划的超小型LEO（LowEarthOrbit）激光通信终端SOTA（SmallOpticalTrAnsponder），总质量仅为5kg左右，搭载在50kg级的小卫星上与地面通信试验[19]，SOTA终端的收发系统结构如图1.4所示。同年5月SOTA终端发射进入轨道，并成功于当年8月至11月间开展了星地激光通信试验，下行通信速率为10Mbps，最远通信距离1000km。2015年1月，日本公布了包括“激光数据中继卫星（JDRS）”计划在内的国家航天开发基本计划，目前正处于初步设计研发阶段，并于当年下拨了32.08亿日元作为该计划的启动经费，计划在2019年搭载光学卫星（AOS）发射，旨在
基于高精度跟瞄系统的扰动补偿控制技术研究10图1.6LLCD月球探测示意图Figure1.6LLCDlunarexplorationschematicdiagram为了建设深空探测通信网络以及为未来的TDRS空间激光通信网络建设提供一个重要参考，美国在2017年开展了名为“激光通信中继演示（LCRD）”计划[24]。此计划希望对地面接收站与地球同步轨道卫星间实现高速双向通信进行演示，并利用GEO卫星与地面上两个接收站进行激光中继通信。在LLCD的基础上，LCRD计划完成验证编码演示，提高组网能力，满足DTN网络协议等任务。LCRD计划在商用卫星SSL（SpaceSystemsLoral）上装载卫星激光通信终端。同时，该计划改建了麻省理工学院和JPL的两个地面光学站。在原来地面站的基础上增加DPSK单元和AO自适应光学系统，用来进行DPSK通信试验同时可提高其抗大气湍流干扰能力。如图1.7所示为LCRD自适应系统结构图。QuadcelldetectorWFSFPAInGaAsphotodiodeFiberlaunchingFilpinopticBeamsplitterSingle-modeFilberinputMAOfeedbackSDMOrCDMWFSAOfeedbackFastSteeringmirrorTelescopeprimaryTelescopepupil4frelayopticsTurbulencesimulator(rotatingphasescreen)D/r0<=7.5Laserdiodeλ=1550nm图1.7LCRD自适应光学系统结构图Figure1.7AdaptiveopticalsystemstructureofLCRD
【参考文献】：
期刊论文
[1]星载激光通信技术研究进展[J]. 董全睿,陈涛,高世杰,刘永凯,张玉良. 中国光学. 2019(06)
[2]一种通过约瑟夫森结非线性频率响应确定微波耗散的方法[J]. 陈恒杰,薛航,李邵雄,王镇. 物理学报. 2019(11)
[3]基于典型相关分析的点云配准算法[J]. 唐志荣,刘明哲,蒋悦,赵飞翔,赵成强. 中国激光. 2019(04)
[4]基于边界限制加权最小二乘法滤波的雾天图像增强算法[J]. 李红云,云利军,高银. 中国激光. 2019(03)
[5]压电执行器动态迟滞建模与LQG最优控制器设计[J]. 张泉,尹达一,张茜丹. 光学精密工程. 2018(11)
[6]轻小型无人机云台机电多目标优化[J]. 周向阳,朱军,时延君. 光学精密工程. 2018(11)
[7]高温压电材料、器件与应用[J]. 吴金根,高翔宇,陈建国,王春明,张树君,董蜀湘. 物理学报. 2018(20)
[8]遗传算法优化的BP神经网络压电陶瓷蠕变预测[J]. 范伟,林瑜阳,李钟慎. 电机与控制学报. 2018(07)
[9]北斗三号系统进展及性能预测——试验验证数据分析[J]. 杨元喜,许扬胤,李金龙,杨诚. 中国科学:地球科学. 2018(05)
[10]自适应光学技术在星地激光通信地面站上的应用[J]. 芮道满,刘超,陈莫,鲜浩. 光电工程. 2018(03)
博士论文
[1]空间激光通信APT系统中快速反射镜关键技术研究[D]. 倪迎雪.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]基于永磁同步电机的大型望远镜低速伺服系统研究[D]. 刘京.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[3]基于系统辨识的望远镜消旋K镜转台自抗扰控制技术研究[D]. 夏培培.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[4]望远镜中跟踪架的扰动补偿及精密控制技术研究[D]. 蔡华祥.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
[5]4m级望远镜主轴交流伺服控制系统研究[D]. 邓永停.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[6]卫星光通信捕获跟踪技术研究[D]. 薛正燕.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
[7]压电陶瓷驱动的运动平台建模与控制研究[D]. 秦海辰.华中科技大学 2014
[8]卫星激光通信终端系统捕获瞄准跟踪技术研究[D]. 郑燕红.哈尔滨工业大学 2010
[9]基于压电陶瓷迟滞非线性建模及控制系统的研究[D]. 王希花.哈尔滨工程大学 2010
[10]基于扩展Stribeck效应的摩擦实验建模及系统动力学研究[D]. 张新刚.上海交通大学 2009
硕士论文
[1]基于音圈电机变形镜的技术研究[D]. 孙晓林.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
[2]探测器响应非均匀性对星地激光链路性能影响及补偿方法[D]. 高鹏涛.哈尔滨工业大学 2014
[3]压电陶瓷系统迟滞非线性建模与控制的研究[D]. 孙孔政.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2013
[4]转台低速性能分析与改进[D]. 雷晨明.哈尔滨工业大学 2013
[5]快速反射镜机械结构特性设计问题研究[D]. 鲁亚飞.国防科学技术大学 2009
本文编号：3267776
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