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题名:
卫星激光通信精密跟踪技术研究
作者: 丁科
学位类别: 博士
答辩日期: 2011-05
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 付承毓 ; 黄永梅
关键词: 卫星平台振动 ; 陀螺稳定 ; 快速反射镜扰动抑制 ; 扰动自适应前馈控制
学位专业: 信号与信息处理
中文摘要: 卫星激光通信与微波通信相比具有通信容量大、终端体积小和保密性好等突出优点,但是由于激光束宽窄,传输距离长等原因,要求卫星激光通信系统中负责建立和保持激光通信链路的捕获、跟踪和瞄准系统(Acquisition、Tracking and Pointing,ATP)的跟瞄精度为微弧度量级。由于存在大气扰动和卫星平台振动,这一精度要求非常具有挑战性。根据复合轴原理,卫星激光通信的ATP系统精度由精跟踪系统决定,因此本文主要通过对卫星平台精跟踪系统及其承受的扰动进行分析,研究提高精跟踪系统扰动抑制能力的方法。
本文首先对卫星激光通信ATP系统进行了概述,介绍了ATP系统的原理和组成、通信链路的建立过程、跟瞄精度的要求和ATP系统的控制模式; 对精跟踪系统进行了原理性建模,在此基础上分析了谐振频率,系统采样频率和系统延迟对精跟踪系统闭环带宽的影响;分析了各种噪声和扰动对精跟踪闭环精度的影响;分析了卫星平台精跟踪系统承受扰动的特征,建立了扰动的仿真模型,结合对精跟踪系统带宽和精度的分析,通过实验数据和仿真数据说明了卫星平台振动是目前最大的误差源。
接着,对目前常见的振动抑制方法进行了调研,最后锁定适合于卫星平台的两种方法为陀螺稳定和快速反射镜扰动抑制。对陀螺稳定技术进行了分析和仿真,仿真结果表明陀螺稳定能提高粗跟踪精度,因此可以设计更小的精跟踪视场以达到更高精度。对快速反射镜扰动抑制进行了分析,指出扰动前馈及与扰动反馈的复合控制是提高快速反射镜抑制能力的有效途径。对直接扰动前馈算法进行了分析,发现由于对象扰动,其不适合于卫星平台精跟踪系统;引入了基于自适应逆建模的扰动前馈控制算法,从理论上分析了算法不能收敛到维纳解的原因是系统噪声。引入了滤波后扰动自适应前馈控制算法,从理论上分析了只要对象扰动不太大的情况,算法就能收敛到维纳解;从理论上分析了由于参考信号因果性,滤波后扰动自适应前馈算法的扰动抑制能力被限制为窄带和低频宽带信号。搭建实验平台对滤波后扰动自适应前馈算法和PID反馈算法进行了实验。实验结果表明:扰动自适应前馈算法对窄带扰动的抑制能力很强,对宽带扰动的抑制则被限制到很低频率;PID反馈算法对扰动的抑制则不分宽带和窄带,从低频到高频抑制能力逐渐降低。将PID反馈算法和扰动自适应前馈算法进行直接复合控制时发现扰动自适应前馈算法不能收敛,在分析原因后提出了PID反馈和扰动自适应前馈的解耦复合控制算法。对解耦复合控制算法进行了实验,发现其结合了两种算法的优点,对扰动的抑制能力等于两种算法的叠加。在将算法进行工程实现考虑时发现对于窄带扰动抑制,扰动自适应前馈算法只需要窄带扰动的频率即可,于是在解耦复合控制算法的基础上提出了误差自适应前馈复合控制算法,其采用PID反馈误差作为参考信号。对误差自适应前馈复合控制算法进行了实验,结果表明其继承了解耦复合控制算法的优点,同时不需要额外的传感器来获取参考信号,只增加一点运算复杂性,非常利于工程实现。
然后,对项目中出现的双快速反射镜双探测器的协同控制模式进行了考虑,分析了双检测型复合轴控制不适合于该项目的原因,完成了单检测型双快速反射镜控制器调试和工作模式设计,给出了实验结果及相应的分析。思考了该模式的一些对卫星平台ATP系统设计的一些启发。
最后,针对卫星平台ATP系统给出了初步设计方案和一些分析,根据设计方案对ATP系统各组件进行了建模,在Matlab/Simulink中进行了集成仿真,给出了仿真结果和仿真分析。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/576
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丁科. 卫星激光通信精密跟踪技术研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2011.
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