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.     

自由空间光通信中精跟踪系统的辨识

精确的精跟踪系统模型为研究精跟踪的控制算法,找到影响其动态、静态性能的关键因素提供了重要的条件。设计了精跟踪辨识系统,该系统包括:快速倾斜镜、CCD、DA 以及相关的电子设备。精跟踪模型传统上被认为是一个二阶系统,通过输入输出数据、模型类和最小二乘等价准则等一系列过程确定精跟踪的模型。为了评估该辨识方法的性能,将最小二乘辨识法得到的模型与传统的频率响应法得到的模型做比较。通过验证发现,两种模型的输出与实际系统输出的模型残差平方和分别为8.20 和89.52,相关系数分别为0.98 和0.95。结果表明,最小二乘法得到的精跟踪模型比频率响应法得到的模型更准确地反映出实际系统的特性。     

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.     

空间光通信精跟踪系统地面模拟实验

提出了一套简便易行的空间光通信精跟踪演示系统方案,详细介绍了精跟踪演示系统的组成。信标光斑定位和跟踪算法决定了跟踪带宽,信标光斑定位的传统方法存在系统误差和随机误差,采用像元细分对误差进行校正;跟踪算法采用改进神经网络算法,利用神经网络的自学习和自适应能力,在线调整网络加权值,增强了系统的实时跟踪性能。最后分析了像元细分对定位精度的改善,比较了不同定位算法的跟踪性能,改进的神经网络算法提高了精跟踪系统的鲁棒性。采用400Hz的CCD,针对不同频率的信标抖动进行跟踪补偿实验,实验结果表明,50Hz的信标光抖动范围压缩了25.7%。     

采用自抗扰控制的空间激光通信精跟踪系统

空间激光通信的视轴稳定是激光通信链路建立的前提。针对通信终端载体的非线性扰动和扰动模型未知造成视轴稳态误差较大的问题,设计了自抗扰控制方法,并采用模糊控制理论自适应调整非线性状态误差反馈控制律中的相关参数。实验结果表明,与自适应PID控制方法相比,采用模糊自抗扰控制方法可以有效抑制平台的非线性扰动,并且具有较快的响应速度与较强的鲁棒性,可以满足系统的稳态精度要求。     

变结构控制在空间光通信PAT系统中的应用

基于离散指数趋近律和被控对象离散化模型设计了空间光通信的瞄准、捕获和跟踪系统(简称PAT系统)的变结构控制器,通过改变趋近律的参数,消除了系统的抖振现象,使得在滑模方式下系统收敛于平衡点,从而实现了系统远远高于经典频域法对动态目标的跟踪精度。仿真结果表明在跟瞄性能方面变结构控制跟踪动态目标的跟踪精度比经典控制提高了两个数量级,证实了该设计方法的可行性。     

自由空间光通信终端机中ATP系统设计

自由空间光通信将成为未来通信一种可行且非常具有吸引力的通信手段。光束的捕获、跟踪和对准是自由空间光通信中必须解决的关键技术之一。本文介绍了自由空间光通信终端机中ATP系统的工作原理 ,详细论述了实现ATP系统功能的硬件和软件的设计 ,并给出了该系统性能测试的结果。     

自由空间光通讯中应用的光纤耦合系统设计

在分析光纤通信、光纤传感等系统光纤耦合特点的基础上,讨论了自由空间光通讯系统光纤耦合前端的设计理念和总体要求。给出了针对840m通讯波段的光纤耦合系统设计实例,并且对设计优化结果进行了分析。