星載激光通信的研究近幾年發(fā)展迅速并且具有廣闊的發(fā)展前景,其中高精度跟瞄系統(tǒng)在激光通信鏈路的建立和維持過程中起到關(guān)鍵作用,跟瞄系統(tǒng)是一個集合光、機、電一體的復(fù)雜系統(tǒng),為了滿足星載激光通信系統(tǒng)的設(shè)計需要,跟瞄系統(tǒng)的跟蹤精度要達到微弧度級。本文基于星載激光通信的課題背景,重點研究了激光通信跟瞄系統(tǒng)在捕獲、瞄準、跟蹤過程中擾動補償控制問題。如何消除跟瞄系統(tǒng)內(nèi)部摩擦擾動、平臺抖動以及一些非線性擾動對跟蹤精度的影響,是實現(xiàn)星載跟瞄系統(tǒng)高精度魯棒伺服控制的關(guān)鍵。由于星間激光通信系統(tǒng)通信距離遠、通信的激光束散角窄以及空間環(huán)境復(fù)雜,建立一條通信雙端穩(wěn)定的通信鏈路十分困難,而跟瞄控制系統(tǒng)是其核心和關(guān)鍵,本文針對星載跟瞄系統(tǒng)的控制問題展開研究,主要研究內(nèi)容有:（1）介紹了跟瞄系統(tǒng)的組成并分析了跟瞄系統(tǒng)的工作流程,激光通信鏈路的建立與保持一般需要經(jīng)過三個階段:捕獲、瞄準和跟蹤,詳細描述每個階段的工作原理。而星載激光通信終端實現(xiàn)APT整個過程的系統(tǒng)稱為跟瞄子系統(tǒng),主要由粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)組成。為了方便描述ATP過程的姿態(tài)和軌道運動,對常用的坐標系以及坐標變換進行計算分析。隨后介紹了星載激光通信鏈路的建立過程... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所)吉林省

【文章頁數(shù)】：137 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

LUCE激光通信終端示意圖

第1章緒論7衛(wèi)星上的LUCE激光通信終端與德國航空航天研究院DLR（DeutschesZentrumfürLuft-undRaumfahrt）的光學(xué)地面站進行星地間的通信實驗，該項目主要驗證了地面站在各種天氣狀況下對衛(wèi)星終端的捕獲能力和相互之間的通信能力。2006年，日本衛(wèi)星與德國地面站之間又開展了多次捕獲試驗，由實驗結(jié)果得出：大氣湍流擾動和云層不確定因素對結(jié)果影響最大，尤其是在當(dāng)湍流較強時，導(dǎo)致地面站接收端的光束色散嚴重，使得光功率分布不均勻，進而導(dǎo)致整個系統(tǒng)通信性能變差。該實驗為后續(xù)星地激光通信提供了參考，地面站可以通過選擇多點布站的方式，可以提高總通信時間。此試驗項目實現(xiàn)了雙向通信，上行、下行傳輸速率分別為2.048Mbps和49.372Mbps[18]。圖1.4SOTA收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure1.4TransmitterandreceiversystemofSOTA2014年，一項名為先進空間光通信技術(shù)衛(wèi)星SOCRATES的計劃由日本開展。該計劃的超小型LEO（LowEarthOrbit）激光通信終端SOTA（SmallOpticalTrAnsponder），總質(zhì)量僅為5kg左右，搭載在50kg級的小衛(wèi)星上與地面通信試驗[19]，SOTA終端的收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.4所示。同年5月SOTA終端發(fā)射進入軌道，并成功于當(dāng)年8月至11月間開展了星地激光通信試驗，下行通信速率為10Mbps，最遠通信距離1000km。2015年1月，日本公布了包括“激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（JDRS）”計劃在內(nèi)的國家航天開發(fā)基本計劃，目前正處于初步設(shè)計研發(fā)階段，并于當(dāng)年下?lián)芰?2.08億日元作為該計劃的啟動經(jīng)費，計劃在2019年搭載光學(xué)衛(wèi)星（AOS）發(fā)射，旨在

基于高精度跟瞄系統(tǒng)的擾動補償控制技術(shù)研究10圖1.6LLCD月球探測示意圖Figure1.6LLCDlunarexplorationschematicdiagram為了建設(shè)深空探測通信網(wǎng)絡(luò)以及為未來的TDRS空間激光通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供一個重要參考，美國在2017年開展了名為“激光通信中繼演示（LCRD）”計劃[24]。此計劃希望對地面接收站與地球同步軌道衛(wèi)星間實現(xiàn)高速雙向通信進行演示，并利用GEO衛(wèi)星與地面上兩個接收站進行激光中繼通信。在LLCD的基礎(chǔ)上，LCRD計劃完成驗證編碼演示，提高組網(wǎng)能力，滿足DTN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等任務(wù)。LCRD計劃在商用衛(wèi)星SSL（SpaceSystemsLoral）上裝載衛(wèi)星激光通信終端。同時，該計劃改建了麻省理工學(xué)院和JPL的兩個地面光學(xué)站。在原來地面站的基礎(chǔ)上增加DPSK單元和AO自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，用來進行DPSK通信試驗同時可提高其抗大氣湍流干擾能力。如圖1.7所示為LCRD自適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。QuadcelldetectorWFSFPAInGaAsphotodiodeFiberlaunchingFilpinopticBeamsplitterSingle-modeFilberinputMAOfeedbackSDMOrCDMWFSAOfeedbackFastSteeringmirrorTelescopeprimaryTelescopepupil4frelayopticsTurbulencesimulator(rotatingphasescreen)D/r0<=7.5Laserdiodeλ=1550nm圖1.7LCRD自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure1.7AdaptiveopticalsystemstructureofLCRD

【參考文獻】：
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