發(fā)布時間：2020-11-18 20:45

　　 空間激光通信具有信息容量大、通信速率快、傳輸距離遠等優(yōu)點,可作為衛(wèi)星間通信的主要方式。粗跟蹤轉臺技術作為衛(wèi)星光通信的核心技術之一,逐漸成為當下研究的熱點。粗跟蹤轉臺通過伺服控制系統實現對姿態(tài)的高精度控制,完成對目標單位的精準指向和精確跟蹤,保證通信鏈路的建立和穩(wěn)定。伺服系統的控制性能直接影響光通信的質量。本文以某星載光通信終端項目為應用背景,為實現對目標通信終端的穩(wěn)定跟蹤,進行衛(wèi)星光通信用潛望式粗跟蹤轉臺伺服控制系統研究。本文通過分析粗跟蹤轉臺的性能需求以及系統組成,選擇了合理的結構形式,制定了伺服控制系統總體方案。詳細論證了伺服控制系統中驅動電機、角位置反饋器件以及CCD圖像跟蹤單元的種類與特性。根據磁場定向控制和空間矢量脈寬調制技術,在MATLAB中建立永磁同步電機(PMSM)的控制仿真模型,經仿真分析驗證了空間矢量控制的原理。并針對潛望式跟蹤結構形式,建立了粗跟蹤模型,設計了跟蹤算法,經實驗測試平均模型解算誤差為2.6",滿足系統跟蹤要求。在總體方案和仿真分析的基礎上,進行伺服控制系統硬件設計,設計了基于ARM+FPGA的伺服控制板和基于DRV8312的電機驅動板,并詳細論證FPGA中工作模塊的具體實現方法。然后根據頻率響應原理,進行了頻響測試并辨識出了系統的傳遞函數,為控制算法設計提供模型支撐。根據三環(huán)控制理論,完成了閉環(huán)環(huán)路設計。并對伺服系統進行實驗測試,在頻率為0.067Hz幅值為5°的外部擾動下,動態(tài)跟蹤精度優(yōu)于104μrad,滿足技術指標要求。為進一步提高光閉環(huán)跟蹤精度,針對光閉環(huán)時存在的脫靶量滯后問題,進行了滯后補償研究。經測試表明加入補償算法動態(tài)跟蹤精度可提高16%左右。
【學位單位】：長春理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TP273;TN927.2
【部分圖文】：

且近年來一直在深入研究并進行技術驗證，其技術實力在世界范圍內始終處于領先位[18]。在早期時，美國在激光通信領域做了大量的實驗驗證，為后期的在軌衛(wèi)星通信積累了大量的經驗，如：60 年代中期美國宇航局（NASA）開展了基于CO2激器的衛(wèi)星光通信系統研究；1980 年美國空軍實驗室（AFRL）實現了基于倍頻 YAG光器通信距離為10Km、通信速率為1Gbps的飛機與地面站之間的激光通信[19]；1994 JPL 搭建激光通信演示系統（OCD），實現了基于 OOK 調制、孔徑 10cm、通信速為 250Mbps 的激光通信[20]。在 1995 年美國彈道導彈防御組織（BMDO）通過與美國國內多個研究機構合作，施了 STRV-2 星地激光通信項目，其目的是實現地球低軌衛(wèi)星（LEO）與兩地面站間的激光通信[21]。如圖 1.1 所示為 STRV-2 計劃中所用的低軌衛(wèi)星 TSX-5 與光通信端 STRV-2。然而由于所設計 LEO 的運行軌道與姿態(tài)控制精度與 STRV-2 通信終端匹配，導致其未能實現星地激光通信。但是美國經歷 STRV-2 衛(wèi)星通信終端從設計發(fā)射等一系列的流程，在這個過程逐漸掌握了衛(wèi)星光通信的器件、單元、系統集成關鍵技術，發(fā)現并解決了一系列實際應用時所面臨的難題，為將來美國所研制的衛(wèi)光通信終端成功實現通信打下了堅實的基礎。

光通信和傳感演示項目 NASA 2015 年 星間及星地上行 5~10下行 10激光通信中繼演示驗證 NASA/JPL/MIT2017 年 星間及星地1.25Gbps/ps國對衛(wèi)星光通信技術也十分重視，于 1977 年歐空局開始了對衛(wèi)星，并在歐盟各成員國及歐空局的共同努力下和歐盟的先進的技術實星光通信領域發(fā)展飛速，始終處于技術領先地位[26]。歐空局自光通展了多個發(fā)展計劃，例如：TRP 計劃、ASTP 計劃、遠程通信準備擬及試驗計劃、SILEX計劃等[27]，其中最為著名的要數SILEX計劃頭領導，英法德等多個歐盟成員國參加，旨在實現兩星載衛(wèi)星通信信。在 SILEX 計劃中，設計并研制出兩套結構大致相同的光通信 OPALE，兩通信終端分別搭載 SPOT-4 衛(wèi)星和 ARTEMIS 衛(wèi)星進入2001 年 11 月份進行通信速率為 50Mbps 星星激光通信實驗并取得了進入了星間激光通信的時代[28]。且在這一年的 11 月份，進行了地終端 OSG 與衛(wèi)星光通信終端 OPALE 之間通信測試，通信鏈路得以成功。如圖 1.2 所示為 PASTEL 和 OPALE 衛(wèi)星光通信終端。

1.1 十字跟蹤架式十字跟蹤架式作為目前最常用的粗跟蹤轉臺結構形式[47]，具有結構形式簡單、兩動范圍大以及易實現半球空間內的指向與跟蹤等優(yōu)點，十字跟蹤架式被廣泛使用星光通信終端中，如歐空局的 SILEX 星載通信系統、美國的 OCD 激光通信演示以及日本的 LCDE、LUCE 激光通信系統。如圖 2.1 所示為通信終端 LUCE 以及構示意圖。根據兩軸系結構形式的不同，可將其分為三種類型，分別是極軸式式和水平式。從十字跟蹤架結構示意圖中可以看到,方位俯仰軸直接驅動光學天目標光束不經過反射鏡直接進入到圖像處理單元中，使得該系統指向精度高、跟法相對簡單、工作穩(wěn)定性高且易于調試。但是，其尺寸較大使得質量、轉動慣量功耗不易把控；其伺服結構的剛度和諧振頻率較低，控制性能易受到衛(wèi)星震動和的干擾；在天頂區(qū)域有 15°左右的跟蹤盲區(qū)。因此，十字跟蹤式較適用于中小范的伺服應用。
【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 姜會林;安巖;張雅琳;江倫;趙義武;董科研;張鵬;王超;戰(zhàn)俊彤;;空間激光通信現狀、發(fā)展趨勢及關鍵技術分析[J];飛行器測控學報;2015年03期

2 楊恭勇;張立中;;星載周掃式跟蹤轉臺運動軸與光軸關系的建模分析[J];機械工程師;2015年03期

3 趙強;呂復坡;吳倩;趙勁松;吳曉飚;;紅外光機系統中折疊反射鏡組安裝誤差分析[J];紅外技術;2014年04期

4 鄧永停;李洪文;王建立;陰玉梅;吳慶林;;基于DSP和FPGA的望遠鏡伺服控制系統設計[J];紅外與激光工程;2014年03期

5 吳從均;顏昌翔;高志良;;空間激光通信發(fā)展概述[J];中國光學;2013年05期

6 付強;姜會林;王曉曼;劉智;佟首峰;張立中;;空間激光通信研究現狀及發(fā)展趨勢[J];中國光學;2012年02期

7 李鐵才;;伺服控制技術的應用發(fā)展[J];伺服控制;2010年03期

8 邢啟江;董二寶;陳娟;姜永華;;光電經緯儀伺服系統動態(tài)高型控制[J];電光與控制;2007年03期

9 楊超;;現代運動控制系統的數字式頻響測試方法[J];計算機測量與控制;2006年11期

10 于思源,譚立英,馬晶,王俊;激光星間鏈路中振動補償技術研究[J];光電子·激光;2004年04期

相關博士學位論文 前8條

1 謝瑞宏;機載光電平臺伺服系統穩(wěn)定與跟蹤控制技術的研究[D];中國科學院長春光學精密機械與物理研究所;2017年

2 鄢永耀;空間激光通信光學天線及粗跟蹤技術研究[D];中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所);2016年

3 鄧永停;4m級望遠鏡主軸交流伺服控制系統研究[D];中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所);2015年

4 薛正燕;衛(wèi)星光通信捕獲跟蹤技術研究[D];中國科學院研究生院（光電技術研究所）;2015年

5 程佳;并聯4TPS-1PS型電動穩(wěn)定跟蹤平臺的特性及控制研究[D];浙江大學;2008年

6 劉棟良;永磁同步電機伺服系統非線性控制策略的研究[D];浙江大學;2005年

7 畢永利;多框架光電平臺控制系統研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2004年

8 王建立;光電經緯儀電視跟蹤、捕獲快速運動目標技術的研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2002年

相關碩士學位論文 前9條

1 李朝陽;激光通信大口徑地面站伺服控制研究[D];長春理工大學;2018年

2 高巍;機電一體化仿真技術在導彈伺服控制系統中的應用研究[D];電子科技大學;2018年

3 朱玉龍;車載雷達伺服控制系統的研究與開發(fā)[D];西安電子科技大學;2018年

4 蘇玲宏;基于FPGA的高性能永磁同步電機電流控制器研究[D];華中科技大學;2014年

5 劉洋;嵌入式伺服控制系統設計[D];中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所);2013年

6 林世瑤;嵌入式運動控制器設計及伺服控制算法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2013年

7 郭捷;基于TMS320F28335的交流伺服電機控制系統研究[D];華中科技大學;2012年

8 龔云飛;交流永磁同步電機伺服系統的仿真及實現[D];哈爾濱工業(yè)大學;2006年

9 孫永奎;高精度轉臺伺服控制系統的研究[D];電子科技大學;2004年

本文編號：2889184