空間激光通信具有信息容量大、通信速率快、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn),可作為衛(wèi)星間通信的主要方式。粗跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)作為衛(wèi)星光通信的核心技術(shù)之一,逐漸成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。粗跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)通過伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)姿態(tài)的高精度控制,完成對(duì)目標(biāo)單位的精準(zhǔn)指向和精確跟蹤,保證通信鏈路的建立和穩(wěn)定。伺服系統(tǒng)的控制性能直接影響光通信的質(zhì)量。本文以某星載光通信終端項(xiàng)目為應(yīng)用背景,為實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)通信終端的穩(wěn)定跟蹤,進(jìn)行衛(wèi)星光通信用潛望式粗跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)研究。本文通過分析粗跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的性能需求以及系統(tǒng)組成,選擇了合理的結(jié)構(gòu)形式,制定了伺服控制系統(tǒng)總體方案。詳細(xì)論證了伺服控制系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)、角位置反饋器件以及CCD圖像跟蹤單元的種類與特性。根據(jù)磁場定向控制和空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù),在MATLAB中建立永磁同步電機(jī)(PMSM)的控制仿真模型,經(jīng)仿真分析驗(yàn)證了空間矢量控制的原理。并針對(duì)潛望式跟蹤結(jié)構(gòu)形式,建立了粗跟蹤模型,設(shè)計(jì)了跟蹤算法,經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平均模型解算誤差為2.6",滿足系統(tǒng)跟蹤要求。在總體方案和仿真分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)行伺服控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了基于ARM+FPGA的伺服控制板和基于DRV8312的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板,并詳細(xì)論證FPGA中工作模塊的具體實(shí)現(xiàn)方法。然后根據(jù)頻率響應(yīng)原理,進(jìn)行了頻響測(cè)試并辨識(shí)出了系統(tǒng)的傳遞函數(shù),為控制算法設(shè)計(jì)提供模型支撐。根據(jù)三環(huán)控制理論,完成了閉環(huán)環(huán)路設(shè)計(jì)。并對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,在頻率為0.067Hz幅值為5°的外部擾動(dòng)下,動(dòng)態(tài)跟蹤精度優(yōu)于104μrad,滿足技術(shù)指標(biāo)要求。為進(jìn)一步提高光閉環(huán)跟蹤精度,針對(duì)光閉環(huán)時(shí)存在的脫靶量滯后問題,進(jìn)行了滯后補(bǔ)償研究。經(jīng)測(cè)試表明加入補(bǔ)償算法動(dòng)態(tài)跟蹤精度可提高16%左右。
【學(xué)位單位】：長春理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)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(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證，其技術(shù)實(shí)力在世界范圍內(nèi)始終處于領(lǐng)先位[18]。在早期時(shí)，美國在激光通信領(lǐng)域做了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為后期的在軌衛(wèi)星通信積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，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(tǒng)研究；1980 年美國空軍實(shí)驗(yàn)室（AFRL）實(shí)現(xiàn)了基于倍頻 YAG光器通信距離為10Km、通信速率為1Gbps的飛機(jī)與地面站之間的激光通信[19]；1994 JPL 搭建激光通信演示系統(tǒng)（OCD），實(shí)現(xiàn)了基于 OOK 調(diào)制、孔徑 10cm、通信速為 250Mbps 的激光通信[20]。在 1995 年美國彈道導(dǎo)彈防御組織（BMDO）通過與美國國內(nèi)多個(gè)研究機(jī)構(gòu)合作，施了 STRV-2 星地激光通信項(xiàng)目，其目的是實(shí)現(xiàn)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(jì)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(shè)計(jì) LEO 的運(yùn)行軌道與姿態(tài)控制精度與 STRV-2 通信終端匹配，導(dǎo)致其未能實(shí)現(xiàn)星地激光通信。但是美國經(jīng)歷 STRV-2 衛(wèi)星通信終端從設(shè)計(jì)發(fā)射等一系列的流程，在這個(gè)過程逐漸掌握了衛(wèi)星光通信的器件、單元、系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)現(xiàn)并解決了一系列實(shí)際應(yīng)用時(shí)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(shí)現(xiàn)通信打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

光通信和傳感演示項(xiàng)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(yàn)證 NASA/JPL/MIT2017 年 星間及星地1.25Gbps/ps國對(duì)衛(wèi)星光通信技術(shù)也十分重視，于 1977 年歐空局開始了對(duì)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(jìn)的技術(shù)實(shí)星光通信領(lǐng)域發(fā)展飛速，始終處于技術(shù)領(lǐng)先地位[26]。歐空局自光通展了多個(gè)發(fā)展計(jì)劃，例如：TRP 計(jì)劃、ASTP 計(jì)劃、遠(yuǎn)程通信準(zhǔn)備擬及試驗(yàn)計(jì)劃、SILEX計(jì)劃等[27]，其中最為著名的要數(shù)SILEX計(jì)劃頭領(lǐng)導(dǎo)，英法德等多個(gè)歐盟成員國參加，旨在實(shí)現(xiàn)兩星載衛(wèi)星通信信。在 SILEX 計(jì)劃中，設(shè)計(jì)并研制出兩套結(jié)構(gòu)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(jìn)入2001 年 11 月份進(jìn)行通信速率為 50Mbps 星星激光通信實(shí)驗(yàn)并取得了進(jìn)入了星間激光通信的時(shí)代[28]。且在這一年的 11 月份，進(jìn)行了地終端 OSG 與衛(wèi)星光通信終端 OPALE 之間通信測(cè)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(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)形式[47]，具有結(jié)構(gòu)形式簡單、兩動(dòng)范圍大以及易實(shí)現(xiàn)半球空間內(nèi)的指向與跟蹤等優(yōu)點(diǎn)，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(tǒng)、美國的 OCD 激光通信演示以及日本的 LCDE、LUCE 激光通信系統(tǒng)。如圖 2.1 所示為通信終端 LUCE 以及構(gòu)示意圖。根據(jù)兩軸系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖中可以看到,方位俯仰軸直接驅(qū)動(dòng)光學(xué)天目標(biāo)光束不經(jīng)過反射鏡直接進(jìn)入到圖像處理單元中，使得該系統(tǒng)指向精度高、跟法相對(duì)簡單、工作穩(wěn)定性高且易于調(diào)試。但是，其尺寸較大使得質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量功耗不易把控；其伺服結(jié)構(gòu)的剛度和諧振頻率較低，控制性能易受到衛(wèi)星震動(dòng)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(yīng)用。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2889184