美国月球激光通信演示验证——实验设计和后续发展

针对2013年9月6日美国宇航局(NASA)发射的月球大气与尘埃环境探测器飞船上进行的月球激光通信演示验证(LLCD),从实验设计和后续发展方面进行综述。实验中,飞船上的LLCD太空终端与主要的月球激光通信地面终端或与欧洲空间局的月球激光通信地面系统完成双向通信,而与美国喷气推进实验室的月球激光通信"光通信望远镜实验室"(OCTL)终端仅进行下行链路通信。LLCD系统还进行了优于厘米精度测距的双向飞行时间测量。未来NASA的激光通信中继演示验证任务将基于LLCD系统的相关设计。最后对LLCD的启示进行了讨论。     

“南海挑战号”半潜式平台移井优化方法研究

为了解决半潜式平台移井方案计算困难的问题,本文以“南海挑战号”半潜式平台为依托,开展移井优化方法研究。依据多段悬链线控制方程,考虑平台和各井口的位置关系,建立了系泊链长度与顶张力的关系集。采用非支配排序遗传算法,给出了最佳移井路线方案。选取了4组现场移井方案进行对比分析,研究结果表明：所提出的计算方案有效地节约移井所需的时间成本和人力成本。以D₃-D₂移井操作为例,与现场采用方案相比,移井前后系泊链收放总量减少了40.17%,同时平台移井过程中的平稳程度降低了76.45%,大幅度的提高了移井作业平台的效率和安全性。     

分布式测控系统中的多址协议研究

为保证各类业务的QoS要求及信道的利用率，本文提出在分布式测控系统中采用Polled-CSMA协议，该协议以Polling方式处理实时性要求高的流式业务，以CSMA方式处理实时性要求不高的突发性业务，分析结果表明，该协议可以满足分布式测控系统中数据传输的QoS要求。     

CMOS图像传感器电子辐照实验的研究

研究了电子辐射剂量对CMOS图像传感器性能的影响,性能参数为平均暗电流输出和光强响应度。搭建了电子辐射场和光强响应度的测量系统,在器件处于工作状态和非工作状态下分别对其辐射,辐射剂量为:5103 rad、1104 rad、7104 rad、1105 rad、5105 rad。对于暗电流,当辐射总剂量超过7104 rad~1105 rad之间的某一个阈值时,暗电流随着辐射剂量的增长基本呈线性增加;光强响应方面,当器件处于非工作状态接受辐射时,辐射剂量对光强响应影响不大;当器件处于工作状态接受辐射时,辐射剂量超过7104 rad,光强响应曲线会下移,斜率减小,灵敏度降低。理论分析后,得到了暗电流随电子辐射剂量的变化模型。研究表明:长期工作于空间环境下的CMOS图像传感器,容易受到辐射总剂量效应的影响,需采取一定的防辐射措施。     

深空光通信扩展信标捕获实验室模拟演示实验

基于CCD的角度偏差检测技术,对深空光通信中扩展信标的捕获机制进行了实验室模拟演示实验研究,获得了较好的演示效果.对实验结果分析表明,对应不同的捕获分辨角,实验得到的捕获概率与理论分析结果呈现相似的变化趋势,同时对捕获完成后系统的瞄准误差进行分析,结果表明瞄准误差在3个像素以内,并分析了误差产生的原因.     

星地光通信中PAT链路的衰落冗余

在考虑大气闪烁、静态瞄准误差和瞄准抖动的影响下,导出了大天顶角和小天顶角传输链路的强度起伏概率密度函数,给出了跟踪中断概率随衰落冗余变化的关系表达式;最后分析了最佳的光束发散角,并对概率密度分布规律和跟踪中断概率随衰落冗余变化的规律进行了模拟分析。结果表明,对于上行和下行链路,光束发散角与瞄准抖动误差均方值的最佳比值为4和6。在最佳光束发散角下,要想确保链路跟踪中断概率小于10^-3,上行链路需要10 dB的衰落冗余,下行链路需要3 dB的衰落冗余,克服了星地光通信中强度起伏对链路跟踪稳定性的影响,保证了在跟踪过程中链路所需要的衰落冗余。     

GEO星载激光通信终端二维转台伺服机构热设计

星载激光通信终端二维转台伺服机构是一种高精度指向调节机构,工作时对温度场稳定性及均匀性有较高要求,空间热环境剧烈变化是诱导其温度波动的外因。为达到在轨温度场精稳控制,提出了一种GEO星载经纬仪式激光通信终端二维转台伺服机构温控方案,通过机电热一体化结构设计选材、主动跟踪控温、散热及隔热设计等技术途径,实现了空间大尺寸的高精密二维转台伺服机构温度场稳定性与均匀性的精稳控制,并经过热试验与热分析综合验证,结果表明:工作轨道全寿命期间,伺服机构核心部件温度稳定控制在22.3～34.6℃范围内,温度场均匀性可控制在4℃以内。     

基于基模高斯光束的单光子捕获概率研究

建立了一种自由空间量子密钥分配的单光子捕获概率理论模型。基于基模高斯光束,推导了单光子捕获概率的表达式。得到影响单光子捕获概率的主要参量是发射机的跟瞄误差、光束远场发散角、发射机和接收机的链路距离和接收机天线孔径。针对低轨卫星-地面站间链路进行了数值仿真分析,得到单光子捕获概率一般在10-3~10-5量级。     

用于星载激光通信终端的绝对式光电角度编码器

针对星上激光通信终端二维转台的精确控制,设计了实时测量转台旋转角度的专用型光电角度编码器。根据星载激光通信终端所需测角系统的设计指标,分别对光电角度编码器的码盘、指示光栅及光电信号的提取方法进行了设计和选择。其中,格林二进制绝对式编码结合高质量的电子学细分,实现了编码器24位的绝对角度测量;四象限矩阵编码方式有效地减小了码盘的径向尺寸;分体读数头式指示光栅较整周玻璃盘大幅度压缩了体积和重量。在室温条件下对安装在星载激光通信终端上的光电角度编码器进行了测角精度检测。结果表明:该测角系统的角度测量精度约为0.7″(优于1.0″)。激光通信终端设备的在轨稳定运行及捕获、跟踪和通信功能的正常发挥,进一步验证了所设计的光电角度编码器测角精度高、抗辐射能力强、工作可靠性高,满足星载激光通信终端设备的应用要求。     

超声吸收引起的声光偏转器指向偏差研究

分别在不考虑晶体超声吸收及考虑超声吸收和超声功率角分布的情况下,建立了声光互作用方程。运用空间傅里叶变换方法推导出衍射光场与入射光场在空频域下的传递函数。仿真结果表明,超声吸收使得衍射光光强峰值位置偏离光束中心,光强不再呈高斯分布,会引起卫星光通信发射端的指向偏差。通过研究超声功率和频率与衍射光光强分布的关系发现,超声功率选取某一数值时可以消除峰值位置偏差,将此功率值定义为最优超声功率Popt。求出声光偏转器整个工作频带内的Popt并进行多项式拟合,得到了最优超声功率与超声频率的关系。按照该多项式关系同步调节超声频率与功率可以补偿超声吸收引起的指向偏差。