發(fā)布時(shí)間：2020-10-25 20:27

　　 量子定位系統(tǒng)(QPS)作為一種新型定位技術(shù),是在基于量子力學(xué)和量子信息理論上發(fā)展起來(lái)的。QPS通過(guò)量子衛(wèi)星發(fā)射的兩路量子糾纏光子對(duì)到達(dá)地面用戶(hù)端,在反射到衛(wèi)星后,通過(guò)數(shù)據(jù)處理后獲得的精確時(shí)間差,計(jì)算出厘米級(jí)別的定位坐標(biāo)。QSP實(shí)現(xiàn)高精度定位的前提是地面用戶(hù)與量子衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)高精度的精確對(duì)準(zhǔn),這個(gè)過(guò)程是通過(guò)QPS中的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)(ATP)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。ATP系統(tǒng)中包含嵌套的粗跟蹤子系統(tǒng)和精跟蹤子系統(tǒng)。本論文主要進(jìn)行量子定位系統(tǒng)中ATP系統(tǒng)中的精跟蹤系統(tǒng)濾波與控制的研究,本論文主要研究?jī)?nèi)容包含以下四個(gè)方面:1)量子定位中的精跟蹤系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立和組成模塊中器件選型分析。在量子定位系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)中,明確精跟蹤系統(tǒng)中各個(gè)模塊的功能及其所需要完成星地之間信標(biāo)光和量子光對(duì)準(zhǔn)的任務(wù)。對(duì)精跟蹤系統(tǒng)中各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)及其所需要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了分析;進(jìn)一步對(duì)精跟蹤系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、探測(cè)器和微處理器進(jìn)行選型;分析衛(wèi)星運(yùn)行的環(huán)境,并根據(jù)已有軌道衛(wèi)星獲取的振動(dòng)數(shù)據(jù),模擬出衛(wèi)星平臺(tái)的振動(dòng)信號(hào),建立起考慮衛(wèi)星平臺(tái)振動(dòng)和環(huán)境噪聲的精跟蹤系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)超前瞄準(zhǔn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程進(jìn)行分析,并設(shè)計(jì)了一套實(shí)現(xiàn)超前瞄準(zhǔn)的實(shí)施方案。2)精跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)濾波器的設(shè)計(jì)。針對(duì)所建立的帶有衛(wèi)星平臺(tái)振動(dòng)以及工作環(huán)境噪聲的精跟蹤系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,結(jié)合狀態(tài)擾動(dòng)估計(jì)器和強(qiáng)跟蹤濾波器,設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)強(qiáng)跟蹤卡爾曼濾波器(ASTKF),在在線(xiàn)估計(jì)時(shí)變的狀態(tài)擾動(dòng)和系統(tǒng)本身狀態(tài)的同時(shí),抑制了狀態(tài)擾動(dòng),進(jìn)一步減小測(cè)量噪聲對(duì)精跟蹤信號(hào)的影響。3)精跟蹤系統(tǒng)自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)。為了進(jìn)一步提高精跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度,增加系統(tǒng)的魯棒性,提出并設(shè)計(jì)了一種離散型的模型參考自適應(yīng)控制器,并依據(jù)波波夫超穩(wěn)定性定理,證明了所設(shè)計(jì)的模型參考自適應(yīng)控制器的漸近穩(wěn)定性。通過(guò)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn),以及與PID+ASTKF和自抗擾控制器(ADRC)+ASTKF的精跟蹤性能對(duì)比實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了所提出的控制器性能的優(yōu)越性。4)ATP系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真實(shí)現(xiàn)。在濾波算法和控制算法設(shè)計(jì)好的基礎(chǔ)之上,結(jié)合掃描捕獲和粗跟蹤方向的工作,搭建了一個(gè)完整的ATP系統(tǒng)的Simulink系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),借助MATLAB自帶的GUI開(kāi)發(fā)平臺(tái),設(shè)計(jì)了一個(gè)ATP系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái),可以讓用戶(hù)實(shí)時(shí)查看ATP系統(tǒng)的跟蹤的性能情況,以及對(duì)整個(gè)ATP系統(tǒng)的工作過(guò)程有直觀(guān)的了解和清晰的認(rèn)識(shí)。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：O413;TN713
【部分圖文】：

?精跟蹤模塊??圖２．１?ＡＴＰ系統(tǒng)組成及工作過(guò)程??ＡＴＰ系統(tǒng)中的精跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖２．２所示，精跟蹤系統(tǒng)主要由３部分組??成：（１）快速反射鏡（Ｆａｓｔ?Ｓｔｅｅｒｉｎｇ?Ｍｉｒｒｏｒ，ＦＳＭ）：精跟蹤系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)??調(diào)整入射光的光軸角度；（２）精跟蹤探測(cè)器：精跟蹤系統(tǒng)中的光電檢測(cè)模塊，負(fù)??責(zé)將入射光的光斑信號(hào)轉(zhuǎn)換為探測(cè)器表面分布的電流信號(hào)；（３）微處理器：精跟??蹤系統(tǒng)的光斑能量信號(hào)處理器和控制器，負(fù)責(zé)光斑電信號(hào)的檢測(cè)計(jì)算和實(shí)現(xiàn)控??制算法的作用。精跟蹤系統(tǒng)的整個(gè)工作過(guò)程：快速反射鏡對(duì)經(jīng)由粗跟蹤系統(tǒng)輸出??的入射光進(jìn)行反射，通過(guò)分光鏡將其分為兩路：一路為量子光，指向單光子探測(cè)??器；另一路為信標(biāo)光，通過(guò)精跟蹤探測(cè)器鏡頭，進(jìn)入到精跟蹤探測(cè)器。信標(biāo)光照??射到精跟蹤探測(cè)器上形成光斑，精跟蹤探測(cè)器將光斑信號(hào)轉(zhuǎn)化為在探測(cè)器上分??布的電流信號(hào)，經(jīng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換成數(shù)字的光斑能量信號(hào)Ｅ（ｆｃ），微處理器對(duì)分布的光??斑能量信號(hào)￡（／〇進(jìn)行計(jì)算

?出射信標(biāo)光?精跟蹤模塊??圖２．１?ＡＴＰ系統(tǒng)組成及工作過(guò)程??ＡＴＰ系統(tǒng)中的精跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖２．２所示，精跟蹤系統(tǒng)主要由３部分組??成：（１）快速反射鏡（Ｆａｓｔ?Ｓｔｅｅｒｉｎｇ?Ｍｉｒｒｏｒ，ＦＳＭ）：精跟蹤系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)??調(diào)整入射光的光軸角度；（２）精跟蹤探測(cè)器：精跟蹤系統(tǒng)中的光電檢測(cè)模塊，負(fù)??責(zé)將入射光的光斑信號(hào)轉(zhuǎn)換為探測(cè)器表面分布的電流信號(hào)；（３）微處理器：精跟??蹤系統(tǒng)的光斑能量信號(hào)處理器和控制器，負(fù)責(zé)光斑電信號(hào)的檢測(cè)計(jì)算和實(shí)現(xiàn)控??制算法的作用。精跟蹤系統(tǒng)的整個(gè)工作過(guò)程：快速反射鏡對(duì)經(jīng)由粗跟蹤系統(tǒng)輸出??的入射光進(jìn)行反射，通過(guò)分光鏡將其分為兩路：一路為量子光，指向單光子探測(cè)??器；另一路為信標(biāo)光，通過(guò)精跟蹤探測(cè)器鏡頭，進(jìn)入到精跟蹤探測(cè)器。信標(biāo)光照??射到精跟蹤探測(cè)器上形成光斑，精跟蹤探測(cè)器將光斑信號(hào)轉(zhuǎn)化為在探測(cè)器上分??布的電流信號(hào)

?圖２．３?ＡＴＰ系統(tǒng)控制回路圖??２．３．１精跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖??精跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖２．４所示，其中，精跟蹤探測(cè)器探測(cè)到精跟蹤系??統(tǒng)的角度跟蹤誤差４＾（０，將其轉(zhuǎn)化為探測(cè)器上分布的電流信號(hào)Ｅ⑴，通??過(guò)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換為數(shù)字光斑能量分布信號(hào)￡（ｆｃ），通過(guò)微處理器中的角度偏差??提取模塊得到精跟蹤系統(tǒng)中數(shù)字信號(hào)的角度跟蹤誤差然后期望的角度??偏差ｒ（／ｃ）與ｄ０Ｆ（ｆｃ）的差值為精跟蹤控制系統(tǒng)誤差量ｅ．⑷＝ｒ（ｆｃ）?－?這??個(gè)誤差傳入到控制器，控制器根據(jù)設(shè)計(jì)出的控制律計(jì)算輸出控制信號(hào)ｕ（ｆｃ），再經(jīng)??Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)快速反射鏡偏轉(zhuǎn)角度０Ｆ（ｆ），精跟蹤系統(tǒng)的角??度跟蹤誤差⑴再次減小知⑴，直至精跟蹤系統(tǒng)輸出的角度跟蹤誤差４０Ｆ（ｆ）??維持在小于ｒａｄ的跟蹤精度要求范圍內(nèi)，以此完成整個(gè)精跟蹤過(guò)程。??Ａ０Ｃ（〇??１？⑷＝０?一，丨數(shù)字控ｋ＊）?［７Ｔ１?＿．１快速反內(nèi)??＂Ｔｖ?１?制器?｜￣Ｔ／ＡＩ￣１?射鏡?＾??＾＾（＊）?｜?ｆｔ？？?ｉ￡（＾）ｉ
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本文編號(hào)：2855914