卫星光通信终端跟瞄控制方法研究

摘要

卫星光通信具有大通信容量、高传输速率、高抗干扰能力等优点，是构成未来外层空间通信网络的重要通信技术。捕获、瞄准、跟踪(acquisition, point-ing and tracking, APT)技术是卫星光通信的一项关键技术，是建立通信链路的前提。本文研究了APT系统的工作原理和工作过程。对APT系统的粗瞄准控制单元的设计实现以及扫瞄捕获方法进行了研究，同时还对变结构控制(variable structure control, VSC)在粗瞄准系统中的应用进行了仿真分析。
　　针对光通信链路的建立和保持过程，详细分析APT系统的结构组成和各子系统的任务。研究扫瞄捕获原理与实现方法，提出用等效覆盖评价信标光束对捕获不确定区域的覆盖情况，并通过仿真可得信标光对捕获不确定区域达到等效覆盖时比完全覆盖具有更高的扫描效率。
　　粗瞄准控制单元负责计算粗瞄准装置的扫瞄轨迹和位置跟踪轨迹并发送给电机驱动控制单元，需要保证与主控单元和驱动控制单元之间的可靠通信。考虑到航天产品可靠性的要求，在试验终端系统基础上对粗瞄准控制单元的软硬件设计进行修改和功能完善，主要包括指令与数据传输接口模块、运动规划模块、运动控制接口模块和系统调试与处理电路模块等。主控单元可向粗瞄准控制单元发送控制参数，提高了系统对空间环境的适应能力。
　　详细分析变结构控制的基本原理和其在跟踪问题中的使用方法。以卫星光通信粗瞄准装置为控制对象，对变结构控制在粗瞄准系统中的应用进行仿真分析并给出仿真结果。针对影响APT系统控制精度的卫星平台振动进行详细分析并对变结构控制系统的抗干扰能力进行仿真分析并给出仿真结果。对系统设计和调试时器件筛选、电路布局和软件调试等的可靠性设计进行详细分析。

目录

摘 要

Abstract

目 录

第 1 章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外卫星光通信技术发展概况

1.2.1 国外的卫星光通信技术发展

1.2.2 国内的卫星光通信技术发展

1.3 卫星光通信的APT系统

1.4 本论文的主要内容及其意义

第 2 章 卫星光通信的 APT 系统

2.1 卫星光通信系统的组成

2.2 APT 系统的结构及工作原理

2.2.1 APT 系统的结构

2.2.2 APT 系统的工作原理

2.3 APT 系统的工作流程

2.4 APT 系统的捕获方法

2.4.1 APT 系统的光捕获基本原理

2.4.2 捕获方案的评价指标

2.4.3 捕获方案的选取

2.4.4 螺旋扫瞄捕获方案的实现方法

2.5 APT 系统的跟瞄控制方案与实现

2.6 本章小结

第 3 章 粗瞄准系统的设计与实现

3.1 粗瞄准系统总体设计方案

3.1.1 硬件设计与实现

3.1.2 软件模块化设计与实现

3.2 指令与数据传输接口设计方案

3.2.1 指令系统和传输协议的设计

3.2.2 接口的软硬件设计与实现

3.2.3 数据的滤波发送软件设计

3.3 运动轨迹规划方法与实现

3.3.1 位置偏移量轨迹规划方法

3.3.2 期望位置轨迹规划方法

3.3.3 运动轨迹规划的限位处理

3.4 运动控制接口设计方案

3.5 系统调试与处理接口设计方案

3.5.1 JTAG调试与控制接口设计

3.5.2 D/A信号转换与调理接口设计

3.6 本章小结

第 4 章 粗跟踪系统的控制策略

4.1 变结构控制的基本概念

4.1.1 变结构控制的发展历史

4.1.2 滑动模态的概念

4.2 变结构控制基本原理与性质

4.2.1 滑动模态的存在和到达条件

4.2.2 变结构控制系统的不变性和抖振问题

4.3 变结构控制器的设计

4.4 跟踪问题的变结构控制

4.5 控制系统模型分析与仿真

4.5.1 系统模型

4.5.2 基于趋近律方法设计变结构控制器

4.5.3 基于趋近律变结构控制的仿真

4.6 本章小结

第 5 章 卫星光通信的振动抑制和可靠性设计

5.1 卫星光通信系统振动分析

5.1.1 卫星平台的振动源

5.1.2 卫星平台的振动功率谱密度分析

5.2 光通信系统的振动抑制方法

5.3 考虑振动影响的控制系统仿真

5.4 卫星光通信的可靠性设计方法

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢