移动平台ATP系统的捕获跟踪与控制

摘要

自由空间光通信(FSO，Free Space Optics communication)在军事和民用领域都有着广泛的应用前景。而在FSO中，仍有很多关健技术和问题需要解决，其中ATP(Acquisition、Tracking and Pointing)技术是实现移动平台下空间光通信的前提，由于平台的机动，信标光运动幅度较大，进一步加大了跟瞄误差，需要更加先进的跟踪算法来实时、准确的求取信标光的运动轨迹，也需要更加先进稳定的控制算法来控制ATP执行机构的动作来保持信标光处于视场中心附近，实现对信标光的连续稳定跟踪。 首先介绍了空间光通信的概念、特点、关键技术。叙述了空间光通信及其捕获跟踪技术在国内外的发展现状和趋势，对世界各国主要光通信产品及实验结果进行了详细的介绍。 讨论和分析了空间光通信ATP系统的结构和工作原理，对粗跟踪和精跟踪组成的复合轴系统进行了控制模型、控制流程和控制理论的分析。全面分析了移动平台下空间光通信中的跟瞄误差的来源。 在介绍天线扫描这种常用的初始捕获方式的基础上，提出并实践了借助GPS来进行信标光初始捕获的方法，给出了通过GPS坐标来计算天线指向的坐标变换和方位角俯仰角公式。在定点DSP上通过浮点函数库对算法公式进行了算法的实现，通过和仿真计算值的比较，证明DSP的计算精度满足捕获的要求。进行了地面GPS捕获的实验，实验数据分析表明，借助GPS的坐标解算进行信标光的初始捕获是一种非常有效的捕获手段，可以极大的减少信标光捕获建立的时间。 对移动平台下的信标光跟踪处理的全过程进行了仿真和实验研究。在总结常用图象去噪方法的基础上，提出了采用小波阈维纳滤波的光斑图象去噪方法，可以在保存光斑边缘信息的基础上去除噪声点，仿真实验结果表明该方法优于其它常用去噪方法。提出采用直方图阈值分割方法和质心定位法来实现光斑位置信息的有效提取。为了实现移动平台下信标光的预测跟踪，在总结常用移动目标运动模型的基础上提出采用“当前”统计模型来建立极坐标下信标光的运动模型，并将光斑位置信息作为观测模型。在建立上述数学模型的基础上，提出了一种基于重采样阈值判决的实时粒子滤波改进算法来实现对信标光位置的预测跟踪，改进的目的是缓解粒子滤波固有的退化和计算复杂问题。通过仿真和室内跟踪实验表明，该算法能有效实现信标光的预测跟踪，且预测精度优于扩展卡尔曼滤波。 在辨识ATP系统执行机构的结构模型基础上，提出采用广义预测显式自适应控制算法来实现ATP系统的稳定控制。控制对象的模型参数由遗忘因子递推最小二乘法进行在线辨识取得，通过滚动优化和反馈校正，使得预测控制有较好的鲁棒性。仿真和实验结果表明，控制算法有较好的稳定性和鲁棒性。 最后搭建了ATP系统实验平台，在室内进行了二维运动跟踪实验，其粗跟踪精度达到198.5μrad。在外场进行了2.3km、16km的运动仿真台移动跟踪实验，运动仿真台速度0.5°/s时，粗跟踪水平精度分别达到177.3μrad和186.2μrad。进行了16krn的粗精跟踪联合跟踪实验，经过精跟踪补偿后的跟踪精度达到24.9μrad。进行了长焦镜头的GPS加螺旋扫描捕获实验，当采用GPS算法确定不确定区域之后，螺旋扫描的平均捕获时间大大小于没有不确定区域时的捕获时间。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．2空间光通信的关键技术

1．3空间光通信及捕获跟踪技术研究现状

1．3．1美国

1．3．2欧洲

1．3．3日本

1．3．4国内研究现状

1．4本论文所做的主要研究内容及章节安排

第2章空间光通信ATP系统的结构及设计

2．1．1粗跟踪系统硬件结构

2．1．2精跟踪系统硬件结构

2．2 ATP系统的复合轴控制

2．2．1复合轴控制模型

2．2．2复合轴控制及跟踪过程

2．2．3复合轴控制技术的理论分析

2．3 ATP系统误差分析

2．3．1平台振动误差

2．3．2大气湍流误差

2．3．3光电传感器误差

2．3．4图像定位算法误差

2．3．5动态跟踪滞后误差

2．4本章小结

第3章基于GPS的信标光初始捕获

3．2天线扫描方式

3．2．1光栅螺旋扫描算法

3．2．2蜂窝螺旋扫描算法

3．3基于GPS的ATP捕获方式

3．3．1捕获原理

3．3．2坐标的转换算法

3．4 TMS320F2812的浮点运算处理

3．5数值仿真

3．6地面GPS捕获模拟实验

3．6．1电机的归零位处理

3．6．2地面捕获实验

3．7机载激光通信的初始捕获

3．8本章小结

第4章信标光跟踪技术研究

4．2信标光图像去噪

4．2．1均值滤波

4．2．2中值滤波

4．2．3小波域维纳滤波图像去噪

4．3图像阈值分隔

4．3．1直方图法阈值分割

4．3．2迭代法阈值分割

4．3．3自适应阈值分割

4．4目标定位算法研究

4．4．1质心定位法

4．4．2形心定位法

4．5目标运动模型

4．5．1匀速运动模型

4．5．2匀加速模型

4．5．3 Singer模型

4．5．4半马尔可夫模型

4．5．5“当前”统计模型

4．5．6 Jerk模型

4．6粒子滤波及其改进算法

4．6．1贝叶斯滤波

4．6．2贝叶斯重要性采样

4．6．3序贯重要性采样

4．6．4标准粒子滤波算法流程

4．6．5标准粒子滤波存在的问题

4．6．6基于重采样阈值判决的实时粒子滤波算法

4．7基于重采样阈值判决的实时粒子滤波移动平台信标光跟踪

4．7．1信标光运动目标模型的建立

4．7．2仿真结果

4．7．3信标光移动跟踪实验

4．8本章小结

第5章ATP系统的控制技术研究

5．2控制系统的数学模型

5．2．1 ATP粗跟踪系统的结构辨识

5．2．2 ATP粗跟踪系统的数学模型

5．2．3 ATP精跟踪系统的结构辨识

5．2．4 ATP精跟踪系统的数学模型

5．3最小二乘法参数辨识

5．3．1批处理最小二乘法

5．3．2遗忘因子递推最小二乘法

5．4广义预测控制算法原理

5．4．1预测模型

5．4．2滚动优化

5．4．3反馈校正

5．5广义预测控制显式自适应算法

5．5．1算法过程

5．5．2广义预测控制显式自适应算法步骤

5．5．3广义预测显式自适应控制的性能仿真

5．6精跟踪的前馈补偿控制策略

5．7本章小结

第6章空间光通信ATP系统的信标光跟踪实验

6．1引言

6．2算法的实时性分析

6．3移动平台信标光跟踪实验结构

6．4移动平台信标光跟踪实验

6．4．1室内二维移动跟踪实验

6．4．2 2．3km移动跟踪实验

6．4．3 16km移动跟踪实验

6．4．4白天夜晚跟踪对比实验

6．4．5对湖面二维移动跟踪实验

6．5粗精跟踪联合跟踪实验

6．6长焦镜头初始捕获实验

6．7本章小结

第7章全文总结及展望

7．2展望

参考文献

作者攻读博士学位期间取得的成果

致谢