【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)計思想應(yīng)運而生。相對于大衛(wèi)星,衛(wèi)星編隊飛行具有在物理上不受限制的長“基線”,降低航天任務(wù)的成本,很強的靈活性,更高的生存能力等優(yōu)點。編隊衛(wèi)星相對距離的確定是編隊衛(wèi)星群載荷正常工作的必要條件,利用地面設(shè)備對編隊小衛(wèi)星實現(xiàn)定位,存在測量弧較短和測量目標(biāo)多的難處。實現(xiàn)編隊衛(wèi)星間的距離測量,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光LED的通信測距復(fù)合系統(tǒng),設(shè)計了地面60m原理樣機,實現(xiàn)了LED通信測距復(fù)合功能的驗證,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)的擴展功能:利用LED天線,配合可見光探測相機實現(xiàn)一定距離空間碎片的主動探測及相對方位的確定。具體的研究工作包括以下幾個方面:(1)對可見光通信測距復(fù)合系統(tǒng)及信道進行建模。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),提出了補償LED I-V的線性模型,使選用的XT-E-EAQ4線性度由0.5665補償?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,研究了可見光信道的衰減特性,分析了影響可見光信道的相關(guān)因素,提出了信道的增益模型,以此為基礎(chǔ)進行信道增益的光學(xué)設(shè)計。第四,為了展開地面試驗完成對復(fù)合系統(tǒng)的原理性驗證,分析了地面仿真實驗的空間傳輸特性,建立了大氣對光強的衰減模型。(2)分析研究了具有測距和通信兩種功能的復(fù)合系統(tǒng)的技術(shù)方案。為了保證編隊衛(wèi)星組網(wǎng)及相對導(dǎo)航的需求,設(shè)計了兼顧通信帶寬和測距精度的OOK通信與偽碼測距復(fù)合方案。在同一條硬件鏈路可以實現(xiàn)通信和測距兩種功能;在采用OOK進行偽碼序列測距時,可以同時進行單碼測距,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距中單碼相位差測量的多種方法,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)確的相位差測量并提高系統(tǒng)抗噪聲能力。(3)設(shè)計和集成可見光通信測距復(fù)合系統(tǒng)原理樣機。第一,提出了運放驅(qū)動大電容的補償電路,設(shè)計了具有平坦紋波的Bias-Tee電路和減少LED的偏置電源紋波的處理設(shè)計。第二,設(shè)計低噪聲增益、高靈敏度的信號檢測電路。二級信號放大電路使用單片微波集成放大器,減小信號的失真度。三級電路采用AGC放大電路,保證系統(tǒng)測距的動態(tài)范圍。第三,為了補償發(fā)射機和接收機的信號的頻率響應(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。第四,分析了系統(tǒng)的精度、動態(tài)范圍等特性,給出了通信系統(tǒng)在太空中實現(xiàn)10km測距動態(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)對整個系統(tǒng)性能的作用。第一,針對光接收機中由于接收信號幅度變化造成的相位漂移,提出了引入兩種頻率信號進行差分測量,并補償幅度相位的一致性。第二,在對信號采樣中,提出了增加相位量化臺階的方法以降低量化誤差,提高相位測量精度。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°附近時測量不準(zhǔn)確性。第三,使用濾波算法對測距數(shù)據(jù)進行誤差修正,降低系統(tǒng)有色噪聲及白噪聲從而降低相位測量的系統(tǒng)誤差。(5)設(shè)計相位計穩(wěn)定性測量實驗,確定相位采樣數(shù)據(jù)的最佳幅度及采樣位數(shù);對相位計進行回環(huán)測試,對同一長度電纜進行多次測量,其距離測量誤差在±1.21cm以內(nèi),驗證了相位計測量的穩(wěn)定性。(6)對系統(tǒng)的視場能力進行了分析驗證,實驗結(jié)果得到發(fā)射機在±2.5°的視場內(nèi),相位測量的平均百分比誤差為8.73%;經(jīng)過相位漂移補償后,平均百分比誤差降低到5.41%,提高了37%的準(zhǔn)確度。實驗表明,可見光測距比激光測距具有更好的視場能力,相位漂移補償算法得到了驗證;對比于傳統(tǒng)激光測距方法,可見光LED測距發(fā)散角大不需要輔助瞄準(zhǔn)系統(tǒng),較大的視場能力有利于編隊衛(wèi)星在隊形構(gòu)成中實時測距。(7)對可見光通信測距復(fù)合系統(tǒng)的原理樣機進行了地面測試實驗,實現(xiàn)了在17.4us內(nèi)5.4m~60m測量動態(tài)范圍內(nèi)±45cm的準(zhǔn)確度測量;基于長基線二目測距原理,設(shè)計了小衛(wèi)星編隊的相對導(dǎo)航實驗,2km內(nèi)主動識別空間碎片并對其避撞。
【圖文】：

第 1 章 引言星空間目標(biāo)識別的發(fā)展與現(xiàn)狀年，空間目標(biāo)識別主要應(yīng)用在空間碎片移除業(yè)務(wù)。為了完成多衛(wèi)星平臺攜帶不同測量傳感器[16]實現(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題，歐空R（Robotic Geostationary Orbit Restorer）”系統(tǒng)，，ROGER 項目飛爪對空間碎片實施捕獲，捕捉成功后進行離軌操作。GER 主要任務(wù)是：探測、識別、跟蹤和測量空間非合作目標(biāo)。從 使用了短距離激光測距儀（0～2m），中距離激光測距儀（0.1～立體成像系統(tǒng)（0.5～100m），中距離測距相機（50m～5km）感器共 6 種測量系統(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)交會對接、空間非合作目標(biāo)自主捕捉跟蹤的自探測方法，視場范圍為 5°，最大作用距離為 5km
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V443;TN312.8

【參考文獻】

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本文編號：2688925