（通信与信息系统专业论文）星间光通信跟踪精度测试.pdf

摘要 摘要 随着社会的日益发展，在当前的信息时代对通信技术的要求是通信容量大、 传输速率高。星间光通信正是以其传输码率高、功耗低、抗干扰能力强等一系列 优点适应这种需求而发展起来的一项高新技术。星间光通信技术要走向实用，依 赖于很多关键技术，而捕获、对准与跟踪( a c q u i s i t i o n , t r a c k i n ga n dp o i n t i n g - a t p ) 技术是星间光通信的关键核心的支撑技术。 星间光通信的优点同时导致了光通信终端设计参数的苛刻性。考虑到星上应 用，作为光通信必不可少的一个组成部分光通信终端的测试、验证，其意义 和光通信终端同样重要，上星前对终端的测试和验证必不可少，而且这些测试、 验证必须可信。 本论文根据研制一套星问光通信终端的研究课题，对该终端进行动态在线高 精度测试，为星间、星地全光通信链路的实现积累经验和数据。论文就终端的动 态跟踪精度的在线测试方面做了一定的研究。 论文中对星间光通信的特点及关键技术进行了阐述，研究了星间光通信及其 测试技术的发展现状及趋势。对星间光通信中的a t p 系统进行了论述、分析，详 细介绍了星间光通信a t p 系统结构、工作原理及工作过程，对a t p 系统一些关键 性能参数进行了分析说明，指出了星间光通信a t p 系统的关键技术。在星间光通 信终端动态跟踪精度测试方面，对测试原理进行了比较详细的介绍，对检测微弧 度量级动态跟踪精度的测试方案进行了对比分析，提出了一套简便易行的测试方 案，对其可行性进行了详细分析论证；在此基础上搭建了测试系统平台，分析了 测试系统主要构成硬件的性能。采用该方案搭建的测试平台顺利完成了终端动态 跟踪精度的在线测试。最后，对测试结果进行了比较详细的分析研究。 该终端及其动态跟踪精度测试系统的研制是星间光通信领域内的一种新尝试 和可行性研究，为以后星间光通信检测系统的研究提供了一条切实可行的初步途 径。 关键词：星问光通信，a t p ，跟踪精度，测试 a b s t r a c t a b s t r a c t c o m m u n i c a t i o n si sb e e nd e v e l o p i n gf o rh i 曲c a p a c i t ya n dh i g hs p e e d ，a st oo p t i c a l i n t e r s a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o n s ，i to c c u p i e sm e r i t sa sh i g hb i t - r a t e ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，a n t i - j a m m i n ge t c ，i t i s p r o m i s i n g t h ek e y s t o i m p l e m e n to h c a l i n t e r s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i e sa r et h ea t p ( a c q u i s i t i o n ，t m c l ( i n g ，p o i n t i n g ) a n ds oo n t h em a r g i n a lf r o mo p t i c a li n t e r s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n so r i g i n a t e sf r o mp t i c a l i n t e r s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n st r a n s c e i v e r , i no r b i t ，i t sn o t h i n gt od o 证t ha m e n d i n g ，s o t h ed e s i g no ft h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so f o p t i c a l i n t e r s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s t r a n s c e i v e ri sq u i t es t r i c t a n dt ot e s t p r o p e r l y w i l lg u a r a n t e et h e q u a i l t yo ft h e t r a n s c e i v e r , o f c o u r s e ，t h et e s t i n gm u s tb er e l i a b l e t h ep r o j e c ti st od e v e l o pat r a n s c e i v e ro fa n dt ot e s ti ta c c u r a t e l y + t h i sp a p e r d e d i c a t e st ot e s tt h e t r a c k i n gp r e c i s i o n o ft h e p r o p o s e do p t i c a l i n t e r s a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o n st r a n s c e i v e ra c c u r a t e l y f i r s t l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ep i v o t a lt e c h n o l o g i e sa l ee x p o u n d e d ，t h es t a t u s q u oa n dt h ed i r e c t i o na r es t u d i e d ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ea t ps y s t e mi sa n a l y z e d , t h e c o n f i g u r a t i o n ，t h et h e o r ya n dt h ep r o c e s so fe m p l o y m e n to ft h eo p t i c a li n t e r s a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o n sa t ps y s t e ma r ep r e s e n t e dd e t a i l e d l y , s o m ep i v o t a lp a r a m e t e r sa r e a n a l y z e d ，t h ep i v o t a lt e c h n o l o g i e so ft h eo p t i c a ti n t e r s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n sa t p s y s t e ma r ep u tf o r w a r d t h e n t h et e s t i n gt h e o r ya l ep r e s e n t e dd e t a i l e d l y , t h em e t h o ( 1 st o t e s tt h ed y n a m i ct r a c k i n gp r e c i s i o no ft h et r a n s c e i v e ra r ea n a l y z e d , t h et e s t i n gs y s t e mi s a c h i e v e d ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h eh a r d w a r eo ft h ea t ps y s t e mi sa n a l y z e d f i n a l l y , t h e r o b u s tw a yt ot e s ti sa c q u i r e d ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h et e s t i n gs c h e m ei sa n a l y z e da n d d e m o n s t r a t ed e t a i l e d l y t h et e s t i n gr e s u l ti sa c h i e y e db yt h es c h e m ea n di sa n a l y z e d d e t a i l e d l y t h er e s u l t sf i o m t h et e s t i n gs h o wg o o d p e r f o r m a n c e s o ft h e o p t i c a l i n t e r s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n st r a n s c e i v e r t h ep r o p o s e dt e s ts y s t e mo f f e r san o v e lw a yt or e s e a r c ho p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，i t i i i a b s t r a c t g i v e saw a yt og u a r a n t e et h eq u a l i t yo fo p t i c a li n t e r s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n st e s t i n g s y s t e m k e y w o r d ：o p t i c a i n t e r s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s ，a t p , t r a c k i n gp r e c i s i o n ，t e s t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 五! ：奎 日期：2 0 0 6 年r 月i j 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 拭国二 导师签名： 日期：2 0 0 6 年r 月j 3 日 第一章引言 1 1 星间光通信概述 第一章引言 卫星通信是现代通信网中一个重要的组成部分，目前主要采用微波通信方式。 由于微波的波长较长，收发天线较大，使得星上通信系统的体积和重量都比较庞 大，功耗也较高。随着时代的发展，对信息传输的要求是传输速度快、信息容量 大，以微波为载体的星间通信技术逐渐暴露出其自身容量不足的弱点，越来越不 能满足现代通信中海量信息的传输要求。 2 0 世纪6 0 年代，伴随着激光器的问世及相关技术和相关器件的发展，科技界 掀起了研究无线光通信的热潮。由于其受天气的影响严重，到7 0 年代，在光纤通 信迅速发展的同时它却陷入了低谷。但随着激光器成本不断下降及高灵敏度接收 器和先进通信电子设备的发展，无线光通信已成为下一代光通信的发展方向之一。 与微波通信相比，无线光通信所使用的激光频率高、方向性好、可用的频谱宽、 无需申请频率使用许可；与光纤通信相比，无线光通信造价低，施工简便、迅速。 可以说无线光通信结合了光纤通信和微波通信的优势。 图i - i 星间光通信示意图 星间光通信属于无线光通信，包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道卫星问 的通信等，如图1 一l 所示。与星间微波通信相比，星间光通信具有以下优点： 电子科技大学硕士学位论文 1 ) 信息容量大。星间光通信多采用红外波段激光器，频段在1 0 ”l o ”胁， 比微波通信高出3 - 5 个数量级，可提供高达l o c b p s 量级以上的数据传输率。 2 ) 发射光束窄、方向性好，具有极好的保密性和极强的抗干扰能力。 3 ) 较小的收发天线和系统结构。由于光波波长极短( 零点几到几十微米) ， 在完成同样功能的情况下，光天线的尺寸比微波、毫米波天线尺寸要小得多。 4 ) 功耗小、体积小、重量轻。 从以上对比可以看出，光通信技术将成为未来星间通信的主要手段。 另一方面，星间光通信的优点导致了光通信终端设计参数的苛刻。而且作为 有效载荷，光通信终端一旦上星，有些错误将无法弥补。因此，考虑到星上应用， 作为一个必不可少的组成部分光通信终端的测试、验证，其意义和光通信终 端研制本身一样重要，而且上星前对终端的测试和验证必须可信。 1 2 星间光通信技术的特点及关键技术 星间光通信技术涵盖了光、机、电等多个领域。星间光通信系统的每个通信 端都主要包括发送和接收子系统、光学子系统、跟踪子系统、捕获子系统、光学 天线、辅助功能子系统等。其系统原理如图1 - 2 所示。 图1 - 2 星间光通信系统原理图 1 2 1 星间光通信技术的特点 1 ) 通信距离远。星间作用距离按接收系统设计标准，g e o ( g e o s y n c h r o n o u s e a r t ho r b i t ) 与l e o ( l o we a r t ho r b i t ) 间的链路距离大约为4 3 1 0 4 k m ，g e o 星 间约为8 x 1 0 4 k m 。 2 ) 多谱勒频移。多谱勒频移与卫星间的相对速度、光频率成正比。g e o 星问 第一章引言 多谱勒频移在i o g h z 以下。采用强度调制值接检测时，基本上不存在多谱勒频移 问题，若采用外差法检测，则有必要进行频率跟踪。 3 ) 光程差校正。光速是有限的，如果将激光直接往接收到对方波束的方向上 发射( 直接对准卫星) ，由于对方卫星在轨道上运行，将会产生光程差，出现光束 偏离j 故必须加上预定角校正。如g e o - l e o 星间的光程差校正角最大为4 4 9 9 a d 。 4 ) 背景光噪声。在星间光通信中，背景光噪声主要有：行星与恒星所发的光、 太阳光、月球的太阳散射光、卫星平台的辉光等。当它们进入系统接收视场时， 会降低信噪比。为减少这一影响，可采用减小接收视场或使用窄带光滤波器等措 施来改善信噪比。 1 2 2 星间光通信关键技术 根据目前各国对星间通信技术的研究及其本身所具有的特点，可以将星间光 通信的关键技术总结为如下几点： 1 ) 高功率的激光光源及信号的高码率调制技术 星间光通信系统中多采用半导体激光器或半导体泵浦的n d ：y a g 固体激光器 作为信号光和信标光光源，工作在波长为o 耻1 5 a m 的近红外波段。信标光源要 求能提供约几瓦量级的、调制频率可为几十至几千赫兹或几千至几万赫兹的连续 光或脉冲光，以便在大视场、高背景光干扰下，快速、精确地捕获和跟踪目标。 信号光源则选择输出功率为几十毫瓦至几瓦的半导体激光器，要求输出光束质量 好，工作频率高( 可达几十兆至几十吉赫兹) 。 2 ) 高灵敏度抗干扰的光信号接收技术 星间光通信系统中，接收终端接收到的信号十分微弱，加之高背景噪声场的 干扰，会导致接收端s n d 说明此时没有光束进入终端b 接收天线，系统无法进入稳定跟踪状态。 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 图3 6 反射镜法光路计算( 2 ) 现在假设偏转范围o o = ：t 5 0 ，计算方法同上，可以得到a e = o 0 7 m 。那么， 在接收终端未响应前，进入接收终端主镜的光束占总束宽的比例： 善= ( d l 一4 d d i = ( o 1 5 0 0 7 ) 0 1 5 = 5 3 3 ( 3 1 3 ) 进一步计算得到： k h = i n = 0 h + 0 。k = 0 0 8 5 5 m 1 0其它 式中，j ，y 为像点的坐标，g ( x , y ) f i g ( x ，”处的灰度值， 二值化结果可以得出目标的形心位置： ( 3 - 2 2 ) 始为灰度闽值。从 糟( z ，y )增( 墨j ，) t = 号号一y 。= 号号一 ( 3 2 3 ) g ( 五y )g ( z ，y ) x - 1v = ix = ly = l 式中x 。，儿为目标形心位置，肘，为图像长、宽方向的象点数。依据本帧 的数据就计算出当前目标的位罱。 形心算法的计算简单，在短时间内就可以完成计算，输出目标的位置坐标。 在简单背景模式下，形心算法比较有效，不论速度还是精度都能达到要求；但在 复杂背景下，由于目标的提取有定的困难，所以跟踪的性能会有所下降。一般 定位中采用这种方式比较多。形心定位也有自己的缺点，那就是必须确定目标图 像分割中的闽值。 3 4 3 快速倾斜镜( f s m ) 快速倾斜镜( f s m ) 是光电跟踪系统中的精密跟踪器件。它具有以下优点： 结构上的共振频率高，响应速度快且动态滞回误差小。当它作为精跟踪伺服系统 时，可以有效补偿跟踪误差、基座、装配抖动等引起的光束的小范围高频抖动， 使系统的跟踪精度大大地提高。 实际的高精度快速倾斜镜由个快速响应和大动态范围的快速反射镜和一个 具有高速采样率和精确定位能力的具有良好特性的控制系统组成。快速倾斜镜的 主要参数包括跟踪范围，共振频率和有效孔径。跟踪范围指向镜的最大转动范豳。 跟踪范围确定了能够补偿的范围。共振频率直接影响系统的控制带宽和响应速度。 有效孔径是指倾斜镜的无遮拦i l 径。 系统采用的f s m 选用了德国p i ( p h y s i k i n s t r u m e n t g m b h & c o ) 公司定制的 快速倾斜镜。虽然该倾斜镜频响高、分辨率高且简单可靠，它是压电陶瓷驱动， 摩擦力为零，具有极高的定位精度。图3 1 l 为$ 3 3 0 k 0 0 7 快速倾斜镜的实物照片， 该倾斜镜的主要性能参数由表3 - 2 给出。 4 屯子科技大学硕士学位论文 图3 - 1l $ 3 3 0 k 0 0 7 快速倾斜镜实物图 表3 2 $ 3 3 0 k 0 0 7 快速倾斜镜参数 转轴zr 。一。 开环转角 1 5 8 5 v - 土2 m r a d 线性行程 3 0 u r r 吐2 0 电容3 6 u f ，轴= 吐0 谐振频率( 无反射镜) 2 k h z 枢轴到r 台表面距离6 m n - 哇0 $ m m 转动惯量 5 1 5 娜f 工作温度 - 4 0 + 7 0 重量 6 5 脚 材料a u m i n u m6 0 6 l - t 6 系统中在精跟踪环对f s m 偏转的控制算法采用p i d 控制算法。p i d 控制算法 是将偏差的比例( p ) ，积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，完成对 目标的控制。p i d 控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点，在控制理论 和技术飞速发展的今天，工业过程控制领域仍有近9 0 的回路在应用p i d 控制策 略。数字p i e ) 表达式为： 甜(j)：k，error(k)+鼻圭p舢州)丁+_error(k)-error(k-|) ( 3 _ 2 4 ) j = o 1 其中r 为采样周期，为采样序列，置= l 2 ，e r r o r ( k 1 ) 和e r r o r ( k ) 分别为 第七一1 和第时刻所得的偏差信号。 常规的数字p i d 控制系统框图如图3 1 2 所示，它相当于一个带“串联校f ” 的闭环系统。 4 2 第二章星问光通信跟踪精度测试方案 幽3 - 1 2 数字p 1 d 控制系统框图 在p i d 控制器中，比例系数七。的作用在于加快系统的响应速度，提高系统调 节精度，k 。越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，即对误差的分辨 率越高，但容易产生超调，甚至导致系统不稳定。 k 。取值过小，则会降低调节精 度，尤其是使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静、动态特性变坏。 积分系数k ，的作用在于消除系统的稳态误差。女。越大，系统稳态误差消除越 快。但七，过大，在响应过程的初期会产生饱和现象，从而引起响应过程的较大超 调。若女，过小，将使系统静差难以消除，影响系统的调节精度。 微分系数k 。的作用在于改善系统的动态特性。因为p i d 调节器的微分作用环 节是响应系统误差的变化率，其作用主要是在响应过程中抑制误差向任何方向的 变化，对误差变化进行提前预报，但k 过大，则会使响应过程过于提前，从而延 长调节时间，且系统的抗干扰性能较差。 p i d 控制中一个关键的问题便是p i d 参数的整定。在实际的应用中，许多被 控过程机理复杂，具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点。在噪声、负 载扰动等因素的影响下，过程参数甚至模型结构均会随时间和工作环境的变化而 变化。这就要求在p i d 控制中，不仅p i d 参数的整定不依赖于数学模型，而且p i d 参数能够在线调整，以满足实时控制的要求。 课题中采用在线调整p i d 参数，经过反复调整，使用的数字p i d 表达式为： 虬( 七) = 4 6 0 xe r r o r ( k ) + 1 0 5 e r r o r ( j ) + 1 1 0 4 k 肿，( t ) 一e r r o r ( k 一1 ) 】( 3 2 5 ) 卢0 女 s t y ( ) = 4 6 0 x e r r o r ( k ) + 1 0 5 p o r ( j ) + l l o 4 e r r o r ( 七) 一p o r ( 尼一1 ) 】( 3 2 6 ) 3 5 本章小结 本章重点研究了星间光通信终端动态跟踪精度的测试方案。对动态跟踪精度 的测试原理进行了比较详细的介绍，对比分析了几种测试方法。分别从理论及实 4 3 电子科技大学硕十学位论文 验两个方面对反射镜法测试星间光通信系统动念跟踪精度的可行性进行了分析论 证。搭建了测试系统平台，并对测试系统的主要构成硬件作了一定的说明。 第四章星问光通信跟踪精度测试及结果分析 第四章星间光通信跟踪精度测试及结果分析 4 1 测试原理 保持反射镜以1 2 5 m r a d s 的速度在5 - 2 5 0 的范围内匀速扫描，以模拟两光通信 终端相对运动情况。终端a 通过光学天线发射激光束，经反射镜反射后进入终端 b 接收天线。接收到终端a 发出的光束后，在终端b 的a t p 的粗、精c c d 上获 取光斑位置信息，经a t p 控制系统控制万向节和快速倾斜镜动作，使a t p 进入稳 定跟踪状态。运用光电方法探明激光束在探测器上所形成的光斑在稳定跟踪情况 下的位置稳定性，并对此时的指向偏差进行处理和计算，得到稳定跟踪状态下光 斑位置的动态参数，即误差信号，此误差信号的统计规律表明了a t p 系统的跟踪 精度。 4 2 测试平台搭建 图4 - 1 跟踪精度测试原理框图 镜 我们按照图4 1 在实验室里搭建测试平台。首先使反射镜位于初始位置，调整 终端a 的光学天线对准反射镜轴心，使经反射镜反射后的光束进入终端b 的天线， 保持终端a 与终端b 的虚像同轴。然后调整光通信终端a 的光源部分，使光源发 出的高斯光束经衰减、放大、滤波和扩束后的光斑质量良好。启动反射镜控制电 机，模拟两通信终端以2 5 m r a d s 的速度做相对运动的情况。打丌终端b 电源， 4 5 电子科技人学硕士学位论文 使b 机的a t p 系统进入工作状态，在终端b 完成对终端a 的扫描、捕获并进入稳 定跟踪以后，整个通信链路始终保持稳定跟踪。对光斑图像位置信息进行采集， 用形心算法计算出光斑形心坐标。连续采集光斑位置，对大量采样数据进行统计 计算，最后得到跟踪误差( 跟踪精度) 。 4 3 精跟踪c c d 的定标 在星间光通信a t p 跟踪精度测试中，精跟踪c c d 采集到的数据是光斑经过形 心算法后得到的蚍c c d 像元作为坐标点的坐标值，因此必须得到精跟踪c c d 每 像元所对应的入射角的大小，即进行精跟踪c c d 的定标。 4 3 1 定标方法 光电码盘是一种数字式角度传感器，它能将角位移量转换为与之对应的电脉 冲输出，主要用于机械转角位置和旋转速度的检测与控制。对于用光电码盘进行 转角位置的检测，传统方法是检测码盘输出脉冲数来计算角位移。根据码盘的零 位脉冲以及输出脉冲个数，以零位脉冲为起始位置，得出转角位置，检测精度受 码盘分辨率的直接影响。为提高检测精度，传统方法是采用高分辨率码盘。目前 在国内外的传感器市场上有分辨率超过百万的光电码盘，但价格十分昂贵。 系统采用的光电码盘的精度是9 8 9 r a d ，而精跟踪c c d 每一个像元对应的角度 是5 9 r a d ，精跟踪c c d 的像元数是1 2 8 x 1 2 8 ，所以其对应的视场为6 4 0 r r a d ，若 认为光电码盘是线性变化的( 假设) ，则运用光电码盘对精c c d 满程定标的误差 大约是5 0 矿a d ( 光电码盘的精度的一半) ，对每一个精跟踪c c d 像元而言，其误 差为5 0 1 2 8 “o 4 印 a d 。 为了确保定标精度，采取两步定标的方法，即：首先标定粗跟踪c c d 与精跟 踪c c d 像元问的对应关系，确定单个粗跟踪c c d 像元所对应的光束空间角度变 化表示几个精跟踪c c d 像元对应的光束空间角度变化；然后标定单个光电码盘刻 度所表示的空间角度与几个粗跟踪c c d 像元所代表的空间角度相等。最后，根据 两步标定的情况计算出单个精跟踪c c d 像元所代表的空间角度。 4 3 2 精跟踪c c d 定标测试 对精跟踪c c d 的定标过程分两步：首先得到光电码盘指示角与粗跟踪c c d 第四章星问光通信跟踪精度测试及结果分析 像元之间的关系，然后找出粗跟踪c c d 像元与精跟踪c c d 像元之问的关系，最 后换算出精跟踪c c d 每像元对应的入射角。采用两步进行定标，是为了减小定标 误差。 将光斑在c c d 光敏面形心位置的坐标值用( x ，y ) 表示，x ，y 分别代表横坐 标和纵坐标上的像元位鼍，单位为像元。系统中粗跟踪c c d 像元尺寸为 7 6 8 ( h ) x5 7 6 ( v ) ，精跟踪c c d 像元尺寸为1 2 8 ( h ) 1 2 8 ( v ) 。系统中所采用的光电码 盘的精度为9 8 1 t r a d 。打开终端a 的激光器电源，使a 机连续发出定向激光，保持 两光通信终端完全对准。 4 3 2 1 标定粗跟踪c c d 与精跟踪c c d 像元对应关系 运行b 机粗、精跟踪控制程序、粗跟踪c c d 数据采集卡及精跟踪c c d 光斑 位置信息采集与处理模块。先设定光斑在粗跟踪c c d 上的形心位置保持y 坐标为 3 9 3 不变，改变x 值，采集对应的精跟踪c c d 上光斑的形心位置坐标信号；然后 保持x 坐标为1 6 8 不变，改变y 值，采集对应的精跟踪c c d 上光斑的形心位置 坐标信号。最后用m a t l a b 分别拟合出两者在x 和y 方向的对应关系。 、i ：瓣黢 氓 t 弋? 、 、 ；9 2 卜 ? 一矿 ， i 妻 一 。矽 ( a ) x 方向( b ) y 方向 图如2 粗、精c c d 像元对应关系测试及拟合曲线 从拟合结果可知：在x 方向，单个粗跟踪c c d 像元所示的角度对应2 3 4 5 1 个精跟踪c c d 像元所示角度；在y 方向，单个粗跟踪c c d 像元所示角度对应 2 3 8 3 3 个精跟踪c c d 像元所示角度。 4 3 2 2 标定粗跟踪c c d 像元与光电码盘刻度对应关系 运行b 机粗跟踪控制程序及粗跟踪c c d 数据采集卡，同时读取光电码盘读数。 先设定光斑的码盘读数保持y 值为2 5 3 1 4 不变，改变x 值，采集对应的粗跟踪c c d 上光斑的形心位置坐标信号；然后保持光斑码盘读数的x 值为2 0 7 2 5 不变，改变 4 7 电子科技大学硕+ 学位论文 y 值，采集对应的粗跟踪c c d 上光斑的形心位置坐标信号。最后用m a t l a b 分 别拟合出两者在x 和y 方向的对应关系。 l ：g l 髓i 一i z o l 。 矿 矗? 墨 国 芎 奎 君 茹 ( a ) x 方向( b ) y 方向 图4 - 3 码盘与粗c c d 像元对麻关系测试及拟合曲线 从拟合结果可知：在x 方向，单个光电码盘刻度所示角度对应4 6 3 9 5 个粗跟 踪c c d 像元所示角度；在y 方向，单个光电码盘刻度所示角度对应4 5 3 8 4 个粗跟 踪c c d 像元所示角度。 已知单个码盘刻度为9 8 _ r a d ，则单个精跟踪c c d 像元对应的角度为： x 方向= 西丽9 百8 丽5 9 0 1 u r a d ( 4 - 1 ) y 方向= 西两9 忑8 丽2 9 0 6 口a d ( 4 2 ) 根据计算结果可以知道，单个精跟踪c c d 像元对应的光束空间立体角度约为 9 a a d 。 4 3 3 定标结果分析 已知精跟踪c c d 像元尺寸为1 6 x 1 6 t a n ，系统等效焦距为3 2 m ，根据( 3 - 18 ) 式可得精跟踪c c d 单个像元理论上对应的空间立体角度为5 1 r a d ，这与实际标定 值存在很大偏差。 造成标定值与理论设计值出现较大偏差的原因主要是： 】) 由于光学镜片加工精度不够以及光学镜片的固定位簧不精确，造成系统实 际等效焦距小于3 2 m 的设计值； 2 ) 粗、精跟踪c c d 没有精确定位于入射光束的焦片面上； 3 ) 定标方法的精确度不够高。 譬$st*89 第四章星间光通信跟踪精度测试及结果分析 4 4 星间光通信跟踪误差统计模型 星间光通信的跟踪误差包括了随机跟踪误差和系统误差。随机跟踪误差在l 陨 与帧之间快速变化，它的产生是由许多独立因素的微量变化的综合作用的结果。 例如大气衰减、外向节抖动、光束自身的特性等。因此，随机误差不能用实验方 法加以修正，只能估计出它对跟踪结果的影响和减小影响的方法。系统误差定义 为在实际测试过程中，误差的大小及符号不变，或按一定规律变化。它的误差源 包括星历表误差、热机失真误差以及由算法误差和光束对准误差造成的固定偏置。 星间光通信的跟踪误差是指理想光轴和实际光轴之间的差异。该误差值代表了实 际光轴偏离理想光轴的大小。 y 图4 - 4 跟踪误差示意图 星间光通信由于通信距离远，发射功率有限，发射光束的束宽小，所以减小 跟踪误差成为实现星间光通信的关键技术。图4 - 4 给出了通信两端跟踪误差示意 图。根据衍射理论，接收端光强分布满足夫琅和费衍射区，且接收天线尺寸远远 小于光斑覆盖面积，接收天线上光波幅度和相位差异可以忽略，即 ，( f ，r ，口) = ，。( f ) ，2 ( r ) g 2 ( p ) ( 4 - 3 ) 其中1 4 ( f ) 为时间f 时的发射光强，为链路中收发终端天线增益和损耗，f ( r ) 为距离损耗，归一化发射天线衍射幅度a ( o ) 为： g * 半，善= 叫五 其中，0 为视轴误差角，z 和五分别为发射天线孔径和波长 函数： 4 9 ( 4 4 ) ( ) 为一阶b e s s e l 哆，。 一 一 h 鲨，、 坠i f 上 l 电子科技大学硕士学位论文 j g ) = 砉r c 。s g s i n 8 一口p 口 ( 4 - 5 ) 图4 - 5 为出射光束的归一化光强分布，从图中可以看出，随着跟踪误差角的增 加，接收光强迅速减小。 心、 i = 嚣f 。心 图4 - 5 光强度分布归一化曲线 在极坐标下，跟踪误差角表示为( 6 ，印) ，其中6 为相对于视轴的径向跟踪 误差，妒为跟踪误差与水平轴夹角。可由极坐标( 6 ，9 ) 映射到平面坐标( 6 ， 6 ，) ，将视轴误差角6 正交分解，可得跟踪误差角的水平和俯仰分量： 限= 8 c o s v 1 q = 口s i n y= t a n 。1 白 。 日 * 肌妒一 c “， 设6 ，6 ，是满足独立分布的随机变量，均值分别为垆，9 ，相应的方差为， ，则跟踪误差可表示为： 口( f ) = l 砖( f ) + 钟( f ) 】7 2 ( 4 7 ) 口，( f ) ；i 建( f ) + 妒：】” ( 4 8 ) 星间光通信中跟踪误差模型方位和俯仰上误差满足高斯分布【3 1 】。设 d ，= o ，= d ，则6 ，6 ，的联合概率密度函数为： r ( 酢，。) 2 “日，) 2 p ( 以，吼) = 1e - i j ( 4 9 ) 由( 4 - 6 ) 式，并令帆：t a i l 。( 生) ，可得1 3 2 】： 第四章星间光通信跟踪精度测试及结果分析 卯) ：吾e 一等蹦( 4 - 1 0 )盯。盯 其中山) 为修正的零阶b e s s e l 函数： 山( 等 = 去扣 p l d 缈 可以看出，星间光通信跟踪误差径向概率密度函数为r i c i a n 分布。若系统误 差口为零，则概率密度函数满足r a y l e i g h 分布吲： p ( 口) ：乓e 丢( 4 - 1 2 ) 假设均方根值盯= l r a d ，则以上两种跟踪误差概率分布如图4 6 所示( 其中 妒，= 伊。) 。 图4 - 6 单端跟踪误羔概率分布 在实际的星间光通信系统中，假定双端跟踪误差不相关，则跟踪误差联合概 率分布函数为： 础属，= 鲁e 一等山蟹，毒e 等山筹， ，s ， 盯：盯：d ；盯： 其中脚标a 、b 分别代表通信系统两端。如果考虑系统误差仍= = 0 ，上式 可表示为： 鸱= 尝2 囊2 蔫 在双端情况下，两种跟踪误差概率分布( 0 a = = l p r a d ) 如图4 - 7 所示。 电子科技大学硕士学位论文 耀球谩差 u 脚) 图4 - 7 双端跟踪误差概率分布 4 5 跟踪精度测试内容及数据处理 为了模拟星间光通信实际情况，将测试平台搭建于室内，采取单端跟踪的方 法测试其中一台终端的跟踪精度。其中，发射终端距离反射镜转轴中心约6 4 m ， 接收终端距离反射镜转轴中心约0 5 m 。采取降低激光发射功率和在收、发端放置 衰减片的方式来模拟远距离( 1 0 0 0 2 0 0 0 k i n ) 通信终端的a t p 功能实现。 4 5 1 测试数据处理方法 当终端b 实现对终端a 的稳定跟踪以后，终端b 的精跟踪c c d 将探测到的 光斑位置信号送入数字采集卡，经形心算法计算出光斑的形心位置坐标。然后计 算出光斑形心位置坐标与精跟踪c c d 坐标中心( 6 3 ，6 3 ) 的偏差。连续采集一定 数量的偏差值，最后采用统计计算的方法，求出该偏差的算术平均值和均方根盯来 反映测量结果的统计规律，最后得到该星间光通信终端的跟踪精度。具体的处理 公式如下。 均值公式： 均方根公式 ；：土宝x 月冒 铲 击静前】； 歹= i 1 擎n ( 4 - 1 5 ) 旷亡静研】i ，s ) 第四章星间光通信罡艮踪精度测试及结果分析 4 5 2 跟踪精度测试 反射镜以1 2 5 m r a d s ( 即两通信终端横向相对速度为2 5 m r a d s ) 的速度偏 转，系统进入动态稳定跟踪后，在粗跟踪c c d 上采集到的稳定跟踪前后的瞬间光 斑图像如图4 8 所示。 ( a ) 跟踪执行前采集的两幅光斑图像( b ) 稳定跟踪时的光斑幽像 图4 - 8 跟踪执行前后的光斑对比情况 在系统动态稳定跟踪情况下，我们在精跟踪c c d 上对跟踪误差信号的位置信 息进行采集。为了使测试数据能够最大限度反映系统实际跟踪精度情况，在不同 时间段分批进行误差信号位置信息的采集，共采集了1 5 0 组数据，每组数据包含 1 0 0 0 0 个采样点。对每一组数据分别求均值、均方根及对应的跟踪精度。测试结果 如下表所示( 其中均值及均方根的单位：像元，跟踪精度单位：耐) 。 表4 - 1 跟踪精度测试数据 序 一 一 测试时问 x盯j见y盯， p 。 导 l3 月1 4 日0 9 ：1 1 - 1 1 ：0 20 4 8 5 60 4 2 0 31 57 40 4 6 9 70 3 1 8 21 2 9 0 20 4 9 3 003 7 6 81 4 6 30 4 7 8 40 3 4 1 41 36 1 3 0 4 7 4 60 3 4 8 8 1 37 0 0 5 0 1 20 3 4 4 91 3 9 2 40 4 9 6 503 2 0 41 31 30 4 9 7 50 3 3 8 51 3 7 1 50 4 9 1 7 0 4 0 1 1 i 52 70 4 8 7 60 3 5 4 31 4 0 5 6 0 4 8 7 70 3 8 6 5 1 4 8 40 4 9 8 1 0 3 6 2 31 4 3 6 70 a 9 5 70 3 5 6 21 4 0 90 4 6 8 703 6 8 51 4 2 6 80 4 8 6 4 0 3 9 1 2 1 4 9 60 4 8 7 40 2 9 5 61 2 4 5 9 04 8 7 40 4 0 2 51 52 70 4 8 1 50 3 1 3 7l2 8 9 电子科技大学硕士学位论文 1 0 0 4 9 9 1 o 3 3 8 91 3 6 60 4 7 3 403 0 0 11 24 5 l l 0 4 8 7 9 0 3 6 5 41 4 2 7 o 4 6 踮o 3 1 3 21 27 6 1 2 o 4 8 2 6 0 3 5 8 71 4 0 40 4 7 1 903 2 5 6 1 3 1 3 1 30 4 9 1 5 0 3 6 4 51 4 2 8 0 ，4 9 1 2o 3 1 5 31 30 2 1 4 0 4 9 6 8 0 3 9 1 11 5 0 50 4 9 6 l0 3 6 5 4 1 4 4 3 j 50 4 8 5 90 3 6 5 81 4 2 70 4 7 5 30 3 0 4 51 2 5 8 1 63 月1 4 日1 5 ：0 0 1 7 ：0 10 4 8 6 9 0 3 4 5 61 3 7 3 0 4 8 1 40 3 2 5 41 3 2 i ， 1 70 4 8 7 20 3 6 9 71 4 3 80 4 6 7 40 3 2 8 31 3 1 6 1 80 4 9 1 60 3 4 7 l1 3 8 10 4 8 7 90 3 3 6 21 3 5 6 1 9 0 4 50 3 6 8 41 4 。3 7 0 4 9 5 10 3 3 4 l1 3 5 7 2 00 4 9 3 50 3 9 5 51 5 1 40 4 6 8 70 3 3 5 31 3 3 6 2j0 4 9 6 20 3 5 4 9 1 4 0 6 0 4 9 1 30 3 5 2 81 4 0 4 2 20 4 8 5 6 o 3 5 1 81 3 8 80 4 9 5 2 0 3 4 3 71 3 8 3 2 30 4 8 7 20 3 4 7 61 3 7 90 4 7 6 40 3 6 4 91 4 2 3 2 40 4 8 7 5 0 3 8 1 71 4 7 1 0 4 8 5 30 3 5 6 11 4 0 8 2 50 4 8 5 70 3 6 7 21 4 3 00 4 5 7 70 3 4 8 61 3 6 2 2 60 4 6 6 40 3 4 1 61 3 4 40 4 9 6 70 3 2 5 81 3 3 6 2 70 4 9 3 10 3 6 7 51 4 3 80 4 8 2 80 3 5 2 61 3 9 6 2 80 4 8 5 50 3 8 4 21 4 7 60 4 8 1 90 3 6 7 41 43 5 2 90 4 8 6 90 3 3 3 5 1 3 4 00 4 6 7 50 3 6 5 9j 4 1 8 3 00 4 8 2 20 3 5 4 7 1 3 9 30 4 6 8 60 2 8 4 01 1 9 6 3 l3 月1 4 同1 9 ：0 8 - - 2 1 ：0 30 4 7 7 40 3 7 6 91 4 4 90 4 9 1 40 2 9 6 l1 2 5 0 3 20 4 8 9 603 8 7 71 4 8 90 4 9 5 30 3 0 4 91 2 7 7 3 30 4 9 6 40 ，3 7 5 1 1 46 1 0 4 8 7 70 3 4 2 61 3 7 3 3 40 4 7 5 70 3 4 6 3 1 3 6 5 0 4 8 3 70 3 5 3 4