發(fā)布時(shí)間：2020-05-30 23:59

【摘要】：隨著衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,一些航天任務(wù)靠一顆衛(wèi)星很難實(shí)現(xiàn),并且單星系統(tǒng)的可靠性、適應(yīng)性也存在固有的薄弱環(huán)節(jié),小衛(wèi)星的設(shè)計(jì)思想應(yīng)運(yùn)而生。相對(duì)于大衛(wèi)星,衛(wèi)星編隊(duì)飛行具有在物理上不受限制的長(zhǎng)“基線”,降低航天任務(wù)的成本,很強(qiáng)的靈活性,更高的生存能力等優(yōu)點(diǎn)。編隊(duì)衛(wèi)星相對(duì)距離的確定是編隊(duì)衛(wèi)星群載荷正常工作的必要條件,利用地面設(shè)備對(duì)編隊(duì)小衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)定位,存在測(cè)量弧較短和測(cè)量目標(biāo)多的難處。實(shí)現(xiàn)編隊(duì)衛(wèi)星間的距離測(cè)量,建立信息鏈路已經(jīng)成為小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的迫切需求。本文探索性的提出了基于可見(jiàn)光LED的通信測(cè)距復(fù)合系統(tǒng),設(shè)計(jì)了地面60m原理樣機(jī),實(shí)現(xiàn)了LED通信測(cè)距復(fù)合功能的驗(yàn)證,分析了用于太空10km工作范圍的可行性;并介紹了復(fù)合系統(tǒng)的擴(kuò)展功能:利用LED天線,配合可見(jiàn)光探測(cè)相機(jī)實(shí)現(xiàn)一定距離空間碎片的主動(dòng)探測(cè)及相對(duì)方位的確定。具體的研究工作包括以下幾個(gè)方面:(1)對(duì)可見(jiàn)光通信測(cè)距復(fù)合系統(tǒng)及信道進(jìn)行建模。第一,分析了復(fù)合系統(tǒng)發(fā)射天線LED的電學(xué)、光學(xué)、調(diào)制特性。LED的p-n結(jié)由于寄生電阻的影響使I-V特性呈現(xiàn)非線性狀態(tài),提出了補(bǔ)償LED I-V的線性模型,使選用的XT-E-EAQ4線性度由0.5665補(bǔ)償?shù)?.0838,提高了近7倍。第二,用分立元件建立復(fù)合系統(tǒng)接收天線PIN的仿真模型,結(jié)合放大電路確定了PIN的帶寬分析模型。第三,研究了可見(jiàn)光信道的衰減特性,分析了影響可見(jiàn)光信道的相關(guān)因素,提出了信道的增益模型,以此為基礎(chǔ)進(jìn)行信道增益的光學(xué)設(shè)計(jì)。第四,為了展開(kāi)地面試驗(yàn)完成對(duì)復(fù)合系統(tǒng)的原理性驗(yàn)證,分析了地面仿真實(shí)驗(yàn)的空間傳輸特性,建立了大氣對(duì)光強(qiáng)的衰減模型。(2)分析研究了具有測(cè)距和通信兩種功能的復(fù)合系統(tǒng)的技術(shù)方案。為了保證編隊(duì)衛(wèi)星組網(wǎng)及相對(duì)導(dǎo)航的需求,設(shè)計(jì)了兼顧通信帶寬和測(cè)距精度的OOK通信與偽碼測(cè)距復(fù)合方案。在同一條硬件鏈路可以實(shí)現(xiàn)通信和測(cè)距兩種功能;在采用OOK進(jìn)行偽碼序列測(cè)距時(shí),可以同時(shí)進(jìn)行單碼測(cè)距,提高了系統(tǒng)資源的利用率,降低了系統(tǒng)功耗。比較和分析了偽碼測(cè)距中單碼相位差測(cè)量的多種方法,分析得出譜分析法能有效地抑制高斯白噪聲。進(jìn)一步提出,全相位譜分析法能夠抑制頻譜泄漏,使得系統(tǒng)可以獲得準(zhǔn)確的相位差測(cè)量并提高系統(tǒng)抗噪聲能力。(3)設(shè)計(jì)和集成可見(jiàn)光通信測(cè)距復(fù)合系統(tǒng)原理樣機(jī)。第一,提出了運(yùn)放驅(qū)動(dòng)大電容的補(bǔ)償電路,設(shè)計(jì)了具有平坦紋波的Bias-Tee電路和減少LED的偏置電源紋波的處理設(shè)計(jì)。第二,設(shè)計(jì)低噪聲增益、高靈敏度的信號(hào)檢測(cè)電路。二級(jí)信號(hào)放大電路使用單片微波集成放大器,減小信號(hào)的失真度。三級(jí)電路采用AGC放大電路,保證系統(tǒng)測(cè)距的動(dòng)態(tài)范圍。第三,為了補(bǔ)償發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的信號(hào)的頻率響應(yīng),提出一種π型均衡器,并為后文中的幅度相位一致性的差分算法提供了幅度一致的兩種頻率信號(hào)。第四,分析了系統(tǒng)的精度、動(dòng)態(tài)范圍等特性,給出了通信系統(tǒng)在太空中實(shí)現(xiàn)10km測(cè)距動(dòng)態(tài)范圍的方案并分析其可行性。(4)深入研究信息處理技術(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的作用。第一,針對(duì)光接收機(jī)中由于接收信號(hào)幅度變化造成的相位漂移,提出了引入兩種頻率信號(hào)進(jìn)行差分測(cè)量,并補(bǔ)償幅度相位的一致性。第二,在對(duì)信號(hào)采樣中,提出了增加相位量化臺(tái)階的方法以降低量化誤差,提高相位測(cè)量精度。這使得相位精度提高了近3倍,并且該方法減小了相位差在0°或者360°附近時(shí)測(cè)量不準(zhǔn)確性。第三,使用濾波算法對(duì)測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差修正,降低系統(tǒng)有色噪聲及白噪聲從而降低相位測(cè)量的系統(tǒng)誤差。(5)設(shè)計(jì)相位計(jì)穩(wěn)定性測(cè)量實(shí)驗(yàn),確定相位采樣數(shù)據(jù)的最佳幅度及采樣位數(shù);對(duì)相位計(jì)進(jìn)行回環(huán)測(cè)試,對(duì)同一長(zhǎng)度電纜進(jìn)行多次測(cè)量,其距離測(cè)量誤差在±1.21cm以內(nèi),驗(yàn)證了相位計(jì)測(cè)量的穩(wěn)定性。(6)對(duì)系統(tǒng)的視場(chǎng)能力進(jìn)行了分析驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到發(fā)射機(jī)在±2.5°的視場(chǎng)內(nèi),相位測(cè)量的平均百分比誤差為8.73%;經(jīng)過(guò)相位漂移補(bǔ)償后,平均百分比誤差降低到5.41%,提高了37%的準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)表明,可見(jiàn)光測(cè)距比激光測(cè)距具有更好的視場(chǎng)能力,相位漂移補(bǔ)償算法得到了驗(yàn)證;對(duì)比于傳統(tǒng)激光測(cè)距方法,可見(jiàn)光LED測(cè)距發(fā)散角大不需要輔助瞄準(zhǔn)系統(tǒng),較大的視場(chǎng)能力有利于編隊(duì)衛(wèi)星在隊(duì)形構(gòu)成中實(shí)時(shí)測(cè)距。(7)對(duì)可見(jiàn)光通信測(cè)距復(fù)合系統(tǒng)的原理樣機(jī)進(jìn)行了地面測(cè)試實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了在17.4us內(nèi)5.4m~60m測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)±45cm的準(zhǔn)確度測(cè)量;基于長(zhǎng)基線二目測(cè)距原理,設(shè)計(jì)了小衛(wèi)星編隊(duì)的相對(duì)導(dǎo)航實(shí)驗(yàn),2km內(nèi)主動(dòng)識(shí)別空間碎片并對(duì)其避撞。
【圖文】：

第 1 章 引言星空間目標(biāo)識(shí)別的發(fā)展與現(xiàn)狀年，空間目標(biāo)識(shí)別主要應(yīng)用在空間碎片移除業(yè)務(wù)。為了完成多衛(wèi)星平臺(tái)攜帶不同測(cè)量傳感器[16]實(shí)現(xiàn)所需要的功能。1 年，GEO 為了解決空間軌道資源日趨緊張的問(wèn)題，歐空R（Robotic Geostationary Orbit Restorer）”系統(tǒng)，，ROGER 項(xiàng)目飛爪對(duì)空間碎片實(shí)施捕獲，捕捉成功后進(jìn)行離軌操作。GER 主要任務(wù)是：探測(cè)、識(shí)別、跟蹤和測(cè)量空間非合作目標(biāo)。從 使用了短距離激光測(cè)距儀（0～2m），中距離激光測(cè)距儀（0.1～立體成像系統(tǒng)（0.5～100m），中距離測(cè)距相機(jī)（50m～5km）感器共 6 種測(cè)量系統(tǒng)。

圖 1.2 XSS-11 衛(wèi)星重構(gòu)圖Figure 1.2 XSS-11 satellite reconstruction map 公司（Advanced Optical Systems，Inc.）于 2005 年目標(biāo)交會(huì)對(duì)接、空間非合作目標(biāo)自主捕捉跟蹤的自探測(cè)方法，視場(chǎng)范圍為 5°，最大作用距離為 5km
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V443;TN312.8

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2688925