基于前馈补偿的空间光通信精跟踪控制研究

针对空间光通信精跟踪系统存在非线性、时延滞后的特性而难于建立精确的数学模型,设计了基于前馈补偿的模糊比例、积分和微分(PID)控制系统。采用camera-link接口的高帧频可开窗口CMOS相机和大规模FPGA芯片,设计了精跟踪处理控制平台。将图像处理、前馈补偿和模糊PID控制等功能全部集成在FPGA芯片内部,大大降低了系统体积和成本;将模糊PID与前馈补偿相结合,极大提高了系统的控制精度和抑制外部干扰的能力。测试结果表明,该系统稳定精度高、抗干扰能力强。     

自由空间光通信系统中ATP技术的研究

对目标的捕获、跟踪和瞄准（Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，Ｔｒａｃｋｉｎｇ，Ｐｏｉｎｔｉｎｇ－ＡＴＰ）技术进行了理论分析和实验研究，ＡＴＰ实验系统光路的主要参数为：信标光束散角：２αｂ＝５ｍｒａｄ；光接收天线视场：２βω＝１０ｍｒａｄ；搜索扫描范围：２α≥±１°，２β≥±１°；安装天线误差：≤０．５°。并在１．６ｋｍ距离上进行了实验验证，实验结果与理论分析基本一致。     

湖面自由空间光通信信标光的粗跟踪设计与实验

以湖面信标光为真实移动跟踪目标,设计了二维粗跟踪演示系统,验证空间光通信捕获、跟踪和对准（ATP）系统对机动目标的跟踪性能。采用双DSP和两轴精密转台搭建了粗跟踪的硬件平台。采用直方图阈值分割法将信标光从复杂的湖面背景中分离出来。采用预测自校正控制算法设计粗跟踪系统的控制器,具有较好的鲁棒性。进行了针对湖面移动信标光的二维跟踪实验,实验结果表明,粗跟踪系统有较好的跟踪精度,跟踪精度与跟踪距离远近关系不大,满足空间光通信跟踪系统的要求。     

自由空间光通信精跟踪系统设计及其通信实验

为了解决自由空间光通信对APT系统的高精度高带宽要求,设计研制了一种精跟踪系统。该系统以高帧频CMOS相机为探测机构,以音圈电机驱动的FSM(Fast Steering Mirror)为执行机构,由PC机进行控制和运算。在一维模拟运动平台中进行带粗跟踪的距离为2 km的激光通信实验时运用该系统,当模拟运动平台以不同角速度转动时,粗跟踪会有不同的跟踪残差,该残差以及大气湍流及平台振动引起的光斑抖动均由精跟踪系统来补偿。记录并分析了精跟踪补偿后的相机端光斑质心的变化以及光路中光功率的变化数据,得出结果:精跟踪残差受粗跟踪系统的影响,随模拟运动角速度的增大而增加,在1.2(°)/s时粗精跟踪系统联合能将光斑偏移量的标准差稳定在6μrad以内。     

远场16km精跟踪系统实验研究

基于FPGA的精跟踪系统结构和工作原理,跟踪控制采用自适应模糊PID算法,在线实时动态调整PID参数值,在16km的星地光通信的精跟踪系统演示实验中实现了对通信光束功率(1550nm)的稳定,极大地提高了通信中1550nm光功率耦合效率,通过实验数据分析,精跟踪系统的跟踪精度达到了2.4μrad。     

自由空间光通信ATP系统关键技术研究

自由空间光通信将成为未来通信的最佳解决方案之一。首先需要解决实现空间光通信的关键问题是光束的捕获、跟踪和瞄准。该文介绍了自由空间光通信终端机中ATP系统的组成和工作原理，设计了用于ATP系统的精瞄偏转镜、闭环控制器、星上终端二次电源系统，并给出了该系统性能的测试结果。     

空间光通信精跟踪系统电路接口板设计

介绍了空间光通信精跟踪系统,提出了系统接口电路板的设计及扩展需求,进而设计了精跟踪系统接口电路板,并详细讨论了图像采集模块和DA模块的设计.上电测试了电路板接口板的相关功能,测试结果表明,CMOS相机输出时钟以及同步信号正常,DA模块工作正常,验证了设计的有效性.     

卫星光通信中精跟踪控制系统设计

卫星平台的振动是降低光通信链路可靠性的一个重要因素.提出在精跟踪系统中采用自适应逆控制方案来抑制卫星平台振动的影响,从而实现对目标光通信终端的稳定跟踪.采用对象的自适应逆作为控制器来控制快速反射镜偏转,以保证系统的动态响应品质;采用自适应逆控制中的自适应扰动消除系统来抑制卫星平台的振动.实现了对象控制和扰动消除分开进行且不相互影响.仿真结果表明该控制律有效地实现了对输入的跟踪,且能较好地抑制扰动.     

星间光通信中跟踪控制技术及发展

星间光通信具有巨大的潜在应用价值,国际上已实现高码率、小型化、轻量化和低功耗激光通信终端,其中光学ATP系统的设计是关键技术之一.对ATP系统的特点进行了讨论,介绍了ATP系统中的跟瞄过程,综述了国内外在星间光通信ATP跟踪系统中所采用的控制算法,指出研究新的控制算法或新的PID参数整定方法,是提高ATP跟踪系统精度的发展方向.     

空间光通信中精跟踪控制器的设计

精跟踪伺服系统设计是APT的核心技术,决定了通信链路能否建立以及通信系统的性能.针对空间光通信中压电陶瓷驱动FSM偏转具有非线性、时变不确定性和纯滞后等特性,提出变论域自适应模糊PID控制方法.引入变论域思想,并通过对输入变量加入伸缩因子的方式来实现变论域的目的,自适应能力和抗干扰能力明显增强.可有效解决稳定性与准确性的矛盾.实验结果表明:模糊PID控制算法增强了伺服系统鲁棒性,并提高了伺服系统实时性;跟踪精度可达到5μrad,对卫星平台振动和大气湍流引起信标光斑抖动有一定的抑制作用,能够满足空间光通信精跟踪精度的要求.     

空间光通信粗跟踪系统卡尔曼预测控制技术研究

以仿真转台运动模拟光电目标,基于双DSP处理器和精密的机械转台搭建了空间光通信二维实验演示系统。软件上基于TMS320F2812处理器实现了卡尔曼预测控制算法,将该算法与常规的PID经典控制相比较,并进行了卡尔曼预测控制算法验证实验研究。实验结果表明:相比于常规的PID算法,在保证足够的系统采样点数,卡尔曼预测控制具有较好的控制效果。     

基于FPGA的精跟踪系统实验研究

精跟踪是星地光通信系统中的一项核心技术。设计了基于FPGA的宽带精跟踪系统,详细介绍了精跟踪子系统的各部分组成。系统以FPGA作为精跟踪的核心数据处理器,可完成并行、高速数据处理,跟踪控制算法采用自适应模糊PID算法,PID参数值可以实现在线实时动态调整。外场2.3km的实验表明,跟踪精度可达到3.2μrad,该系统具有良好的实用价值。     

基于FSO自由空间光通信中自动伺服系统的研究

在空间光通信中,为建立可靠的通信链路,捕获跟踪瞄准技术成为了ATP系统的关键所在,伺服系统主要采用了复合轴的控制结构,即粗跟踪和精跟踪两部分,精跟踪是建立在粗跟踪的基础上的,主要是为抑制粗跟踪中残差所引起的扰动。随后对伺服系统的关键参数进行分析,指出提高灵敏度和跟瞄精度的重要性,最后对ATP伺服系统的传递函数进行推导与仿真,得出结果完全满足系统跟踪控制的要求。     

基于FPGA的精跟踪控制系统的设计与实验

针对自由空间光通信精跟踪系统对小型化、智能化的要求,设计了一套以FPGA为处理核心的精跟踪控制系统,完成了对光斑的采集处理、补偿控制及相机的自适应控制等功能,并重点介绍了模糊自适应PID控制的原理及实现方法.最后,搭建了室内试验平台,对系统进行了评估.     

基于自由空间光通信技术的研究

自由空间光通信（FSO）是以大气为传输媒介,以激光的波长作为载体用以携带高速信息的无线传输技术,它是光通信与无线通信的结合,并兼有光纤通信的高速传输与无线通信可灵活移动等优点,无须挖沟,无须申请频率许可证,为当今卫星通信技术的首选。关键技术主要对FSO通信系统中接收灵敏度进行分析以及对接收的光学系统中跟踪原理进行剖析,为进一步提高自由空间光通信的性能作铺垫。     

无线光通信ATP演示实验系统

针对空间无线光通信中捕获、瞄准和跟踪（ATP）技术的粗跟踪系统对信标光斑实时准确跟踪需求,为项目进一步工作提供基础,搭建了无线光通信ATP演示实验系统,分别对粗、精跟踪子系统进行了详细的介绍,利用该系统进行了运动目标的模拟跟踪实验。结果表明：粗跟踪可将运动误差控制在200μrad之内,使光目标始终维持在精跟踪视场内,精跟踪可将系统误差控制在15μrad,可满足通信需求。     

大气激光通信机的光学模型和物理实现研究

将光学理论应用到大气激光通信机设计中,提炼出大气激光通信机的发射和探测过程的光学理论模型,提炼推证了半导体激光器远场发射、准直发射和接收透镜探测损耗的公式,提炼推证了准直激光焦面探测爱里斑公式及对应的质心运算和质心评价公式。设计了和上述推证相关的光学天线和分光镜等。设计了光学天线分辨率、CCD捕获分辨率、通信分辨率、伺服系统分辨率等和系统精度相关的参数。     

基于焦面阵列FPA(CCD)探测器的捕获、跟踪和瞄准系统研究

对国内外近年已研制出的多种捕获、跟踪、瞄准系统(ATP)的基本结构进行了分析研究,并围绕基于焦面阵列FPA(CCD)探测器的ATP光路图、ATP发射/捕获协议、ATP发射/捕获方法等,引入提出了一系列最新技术实现方法,为进一步的实验及产品研究提供了基础。