量子定位系統(tǒng)(QPS)作為一種新型定位技術,是在基于量子力學和量子信息理論上發(fā)展起來的。QPS通過量子衛(wèi)星發(fā)射的兩路量子糾纏光子對到達地面用戶端,在反射到衛(wèi)星后,通過數(shù)據(jù)處理后獲得的精確時間差,計算出厘米級別的定位坐標。QSP實現(xiàn)高精度定位的前提是地面用戶與量子衛(wèi)星之間實現(xiàn)高精度的精確對準,這個過程是通過QPS中的捕獲、跟蹤和瞄準(ATP)系統(tǒng)來實現(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,本論文主要研究內容包含以下四個方面:1)量子定位中的精跟蹤系統(tǒng)數(shù)學模型建立和組成模塊中器件選型分析。在量子定位系統(tǒng)框架結構中,明確精跟蹤系統(tǒng)中各個模塊的功能及其所需要完成星地之間信標光和量子光對準的任務。對精跟蹤系統(tǒng)中各個模塊的結構及其所需要實現(xiàn)的功能進行了分析;進一步對精跟蹤系統(tǒng)的執(zhí)行機構、探測器和微處理器進行選型;分析衛(wèi)星運行的環(huán)境,并根據(jù)已有軌道衛(wèi)星獲取的振動數(shù)據(jù),模擬出衛(wèi)星平臺的振動信號,建立起考慮衛(wèi)星平臺振動和環(huán)境噪聲的精跟蹤系統(tǒng)的數(shù)學模型。對超前瞄準子系統(tǒng)的結構及工作過程進行分析,并設計了一套實現(xiàn)超前瞄準的實施方案。2)精跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)濾波器的設計。針對所建立的帶有衛(wèi)星平臺振動以及工作環(huán)境噪聲的精跟蹤系統(tǒng)的數(shù)學模型,結合狀態(tài)擾動估計器和強跟蹤濾波器,設計了一種自適應強跟蹤卡爾曼濾波器(ASTKF),在在線估計時變的狀態(tài)擾動和系統(tǒng)本身狀態(tài)的同時,抑制了狀態(tài)擾動,進一步減小測量噪聲對精跟蹤信號的影響。3)精跟蹤系統(tǒng)自適應控制器的設計。為了進一步提高精跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度,增加系統(tǒng)的魯棒性,提出并設計了一種離散型的模型參考自適應控制器,并依據(jù)波波夫超穩(wěn)定性定理,證明了所設計的模型參考自適應控制器的漸近穩(wěn)定性。通過系統(tǒng)仿真實驗,以及與PID+ASTKF和自抗擾控制器(ADRC)+ASTKF的精跟蹤性能對比實驗,驗證了所提出的控制器性能的優(yōu)越性。4)ATP系統(tǒng)動態(tài)仿真實現(xiàn)。在濾波算法和控制算法設計好的基礎之上,結合掃描捕獲和粗跟蹤方向的工作,搭建了一個完整的ATP系統(tǒng)的Simulink系統(tǒng)仿真實驗平臺,借助MATLAB自帶的GUI開發(fā)平臺,設計了一個ATP系統(tǒng)動態(tài)仿真平臺,可以讓用戶實時查看ATP系統(tǒng)的跟蹤的性能情況,以及對整個ATP系統(tǒng)的工作過程有直觀的了解和清晰的認識。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：O413;TN713
【部分圖文】：

?精跟蹤模塊??圖２．１?ＡＴＰ系統(tǒng)組成及工作過程??ＡＴＰ系統(tǒng)中的精跟蹤系統(tǒng)結構圖如圖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)行機構，負責??調整入射光的光軸角度；（２）精跟蹤探測器：精跟蹤系統(tǒng)中的光電檢測模塊，負??責將入射光的光斑信號轉換為探測器表面分布的電流信號；（３）微處理器：精跟??蹤系統(tǒng)的光斑能量信號處理器和控制器，負責光斑電信號的檢測計算和實現(xiàn)控??制算法的作用。精跟蹤系統(tǒng)的整個工作過程：快速反射鏡對經(jīng)由粗跟蹤系統(tǒng)輸出??的入射光進行反射，通過分光鏡將其分為兩路：一路為量子光，指向單光子探測??器；另一路為信標光，通過精跟蹤探測器鏡頭，進入到精跟蹤探測器。信標光照??射到精跟蹤探測器上形成光斑，精跟蹤探測器將光斑信號轉化為在探測器上分??布的電流信號，經(jīng)Ａ／Ｄ轉換成數(shù)字的光斑能量信號Ｅ（ｆｃ），微處理器對分布的光??斑能量信號￡（／〇進行計算

?出射信標光?精跟蹤模塊??圖２．１?ＡＴＰ系統(tǒng)組成及工作過程??ＡＴＰ系統(tǒng)中的精跟蹤系統(tǒng)結構圖如圖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)行機構，負責??調整入射光的光軸角度；（２）精跟蹤探測器：精跟蹤系統(tǒng)中的光電檢測模塊，負??責將入射光的光斑信號轉換為探測器表面分布的電流信號；（３）微處理器：精跟??蹤系統(tǒng)的光斑能量信號處理器和控制器，負責光斑電信號的檢測計算和實現(xiàn)控??制算法的作用。精跟蹤系統(tǒng)的整個工作過程：快速反射鏡對經(jīng)由粗跟蹤系統(tǒng)輸出??的入射光進行反射，通過分光鏡將其分為兩路：一路為量子光，指向單光子探測??器；另一路為信標光，通過精跟蹤探測器鏡頭，進入到精跟蹤探測器。信標光照??射到精跟蹤探測器上形成光斑，精跟蹤探測器將光斑信號轉化為在探測器上分??布的電流信號

?圖２．３?ＡＴＰ系統(tǒng)控制回路圖??２．３．１精跟蹤控制系統(tǒng)結構圖??精跟蹤控制系統(tǒng)結構圖如圖２．４所示，其中，精跟蹤探測器探測到精跟蹤系??統(tǒng)的角度跟蹤誤差４＾（０，將其轉化為探測器上分布的電流信號Ｅ⑴，通??過Ａ／Ｄ轉化器轉換為數(shù)字光斑能量分布信號￡（ｆｃ），通過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??個誤差傳入到控制器，控制器根據(jù)設計出的控制律計算輸出控制信號ｕ（ｆｃ），再經(jīng)??Ｄ／Ａ轉化為模擬電壓信號驅動快速反射鏡偏轉角度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，以此完成整個精跟蹤過程。??Ａ０Ｃ（〇??１？⑷＝０?一，丨數(shù)字控ｋ＊）?［７Ｔ１?＿．１快速反內??＂Ｔｖ?１?制器?｜￣Ｔ／ＡＩ￣１?射鏡?＾??＾＾（＊）?｜?ｆｔ？？?ｉ￡（＾）ｉ
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本文編號：2855914