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)展起來的。QPS通過量子衛(wèi)星發(fā)射的兩路量子糾纏光子對到達(dá)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(biāo)。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(zhǔn),這個過程是通過QPS中的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)(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(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,本論文主要研究內(nèi)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(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)光和量子光對準(zhǔn)的任務(wù)。對精跟蹤系統(tǒng)中各個模塊的結(jié)構(gòu)及其所需要實現(xiàn)的功能進(jìn)行了分析;進(jìn)一步對精跟蹤系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、探測器和微處理器進(jìn)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(xué)模型。對超前瞄準(zhǔn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作過程進(jìn)行分析,并設(shè)計了一套實現(xiàn)超前瞄準(zhǔn)的實施方案。2)精跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)濾波器的設(shè)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(xué)模型,結(jié)合狀態(tài)擾動估計器和強(qiáng)跟蹤濾波器,設(shè)計了一種自適應(yīng)強(qiáng)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(jìn)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(yīng)控制器的設(shè)計。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)計的模型參考自適應(yīng)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(shè)計好的基礎(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(shè)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(rèn)識。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(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）精跟蹤探測器：精跟蹤系統(tǒng)中的光電檢測模塊，負(fù)??責(zé)將入射光的光斑信號轉(zhuǎn)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(fù)責(zé)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(jìn)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(biāo)光，通過精跟蹤探測器鏡頭，進(jìn)入到精跟蹤探測器。信標(biāo)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(zhuǎn)化為在探測器上分??布的電流信號，經(jīng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)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(jìn)行計算

?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）精跟蹤探測器：精跟蹤系統(tǒng)中的光電檢測模塊，負(fù)??責(zé)將入射光的光斑信號轉(zhuǎn)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(fù)責(zé)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(jìn)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(biāo)光，通過精跟蹤探測器鏡頭，進(jìn)入到精跟蹤探測器。信標(biāo)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(zhuǎn)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(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，精跟蹤探測器探測到精跟蹤系??統(tǒng)的角度跟蹤誤差４＾（０，將其轉(zhuǎn)化為探測器上分布的電流信號Ｅ⑴，通??過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)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(shè)計出的控制律計算輸出控制信號ｕ（ｆｃ），再經(jīng)??Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號驅(qū)動快速反射鏡偏轉(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)，以此完成整個精跟蹤過程。??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：2855914