（光学工程专业论文）船载无线激光通信系统中跟踪技术的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 本课题以项目“无线激光通信系统”为应用背景，建立船载无线激光通信系统的模型， 初步设计了一个船载无线激光通信系统，可以实现船与船之间无线激光通信，对船舶无线 激光通信的发展具有一定的理论研究意义和实际的应用价值。 本文通过对船舶运动的特点进行分析，充分考虑船舶运动时激光通信可能受到的干 扰，即雨、雪、雾等天气、船舶本身运动和振动对通信系统的干扰与影响，通过对振动平 台的选择，进行信道的补偿；通过对关键光学元件的选择来设定激光通信的距离和精度： 参与设计了一个船载的无线激光通信系统，该系统由光学天线、粗跟踪模块、和精跟踪模 块三部分组成。 本文主要叙述了无线激光通信系统中粗跟踪和精跟踪系统模块的设计过程及两个模 块中关键器件、伺服系统所用到的控制算法、通行协议和相关的程序设计。伺服系统的控 制程序采用c 语言和汇编语言进行开发，包括粗跟踪模块的控制程序、精跟踪模块的控制 程序和人机交换界面三个部分，其利用r s 2 3 2 通信协议，把相关的控制指令转换为整个通 信系统的控制信号，传送给a t p 通信平台，执行相应的命令，完成通信任务。 本文的创新点是在粗跟踪模块中给出了一种利用c c d 快速采集数据，进而控制伺服 系统进行跟踪的方法，其原理是由计算系统给出光斑的移动速度、移动方向及其预期将产 生的变化并通过伺服系统控制粗跟踪的模块的运转；精跟踪环节采用新的算法利用两轴快 速倾斜镜和四象限探测器保持对信号的跟踪；并仿真给出了两周快速倾斜镜在不同频率干 扰下的误差曲线；设计了精跟踪伺服系统控制程序。 关键词：船载无线激光通信，粗跟踪，精跟踪，c c d 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es u b j e c tp r o j e c t ，”w i r e l e s sl a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ”f o rt h eu s eo fb a c k g r o u n d ，t h e e s t a b l i s h m e n to fs h i p b o m ew i r e l e s sl a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mm o d e l ，t h ep r e l i m i n a r yd e s i g n o fas h i p b o r n el a s e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s ，c a r lb ea c h i e v e db e t w e e nt h ev e s s e la n d t h e s h i pc a r r i e do u tu s i n gw i r e l e s sl a s e rs t a b l ea n dr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n s ，t h es h i p ，t h e d e v e l o p m e n to fw i r e l e s sl a s e rc o m m u n i c a t i o ni s a l li m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls t u d ya n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o nv a l u e i nt h i sp a p e r , t h es h i pm o v e m e n tt h r o u g ht h ef o r c ea n a l y s i s ，t h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n so f s h i pm o t i o n b ys e t t i n gt h ec o n d i t i o n sf o rt h ec o n d i t i o n si nt h es m a l la m p l i t u d eo fl i n e a ra n d c o u p l e dt o t h em o v e m e n tt o s i m p l i f yt h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n si n t os i xl i n e a rd i f f e r e n t i a l e q u a t i o n si n d e p e n d e n to fe a c ho t h e r s i g n a l sa n ds y s t e m su s i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h e l i n e a rd i f f e r e n t i a le q u a t i o n ，t h ee s t a b l i s h m e n to fs h i pw a v e sa n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs w a y m o v e m e n t s w a v em o v e m e n ti nt h ec i r c u m s t a n c e sk n o w nt ou s et h em o d e lt oc a l c u l a t et h er a t e o fm o v e m e n to fs h i p ss w a yv a l u e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es t r u c t u r eo ft h es i m u l a t i o n c a m p a i g np l a t f o r mi s s u e s ，t h eb a s i sf o r t h ed e s i g no fc o n t r o lp r o c e d u r e s t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h ew i r e l e s sl a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc o a r s et r a c k i n ga n df i n e t r a c k i n gs y s t e md e s i g np r o c e s sm o d u l e sa n dt w om o d u l e so ft h ek e yd e v i c e su s e db yt h es e r v o s y s t e mc o n t r o la l g o r i t h m ，a c c e s sa g r e e m e n t sa n dr e l a t e dp r o g r a m m i n g i nt h i sp a p e r , t h ei n n o v a t i v ew i r e l e s sc a r r i e r , w i t hat r a c k i n gl a s e rc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m l i n k st h es t u d y ；t r a c k i n gm o d u l ei nt h er o u g hp a p e r ，ac c d b a s e dr e s p o n s et ot h er a p i d c o l l e c t i o no fd a t aw a sg i v e nan e wm e t h o do ft r a c k i n g ，a r eg i v e nb yt h ec o m p u t i n gs y s t e mf a c u l a m o b i l es p e e d ，d i r e c t i o no fm o v e m e n ta n dc h a n g ei se x p e c t e dt ob eg e n e r a t e dt h r o u g ht h ec o a r s e t r a c k i n gs e r v os y s t e mt oc o n t r o lt h eo p e r a t i o no ft h em o d u l e ；p r e c i s i o nt r a c k i n gl i n ki nt h e i n t r o d u c t i o no fan e wf a s ta l g o r i t h mu s i n gt w o - a x i st i l tm i r r o ra n df o u r - q u a d r a n td e t e c t o rt ok e e p t r a c ko f t h es i g n a l ；a n ds i m u l a t i o na r eg i v e nt w o w e e kf a s ts t e e r i n gm i r r o rf r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e i nd i f f e r e n te r r o r su n d e rt h ec u r v e ；t h ed e s i g no ft h ef i n et r a c k i n gs e r v os y s t e mc o n t r o l p r o c e d u r e s i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mo ft h es e r v os y s t e mc o n t r o lp r o g r a m u s i n gcl a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g ed e v e l o p m e n t ，i n c l u d i n gt h ec o a r s et r a c k i n gc o n t r o l m o d u l ep r o c e d u r e s ，p r e c i s i o nt r a c k i n gc o n t r o lm o d u l ep r o c e d u r e sa n d e x c h a n g e o f i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei nt h r e ep a r t s ，t h eu s eo fr s 2 3 2c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，t h er e l a t e d c o n t r o lc o m m a n di sc o n v e n e dt ot h ee n t i r ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mc o n t r o ls i g n a l ，t r a n s m i t t e dt o t h ea t pc o m m u n i c a t i o n sp l a t f o r m ，t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ec o r r e s p o n d i n gc o m m a n dt o c o m p l e t et h ec o m m u n i c a t i o nt a s k k e yw o r d s ：c a r r i e r - b a s e dw i r e l e s sl a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，c a p t u r i n gs i g n a l s ，a c c u r a t e t r a c k i n g ，c c d 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：笋日期：兰鼍乒。么封 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：写鸶鲢导师签名： 燃 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章船载a t p 系统的基本特性 第一章绪论 1 1 研究船载无线激光通信的意义 最近十年左右，无线激光通信技术越来越为人们所关注，它主要以直线激光束为载体 在点与点之间实现视距范围内的高速光通信。和传统的r f 及微波通信相比，无线激光通 信具有保密性高、波束窄、数据传输速率高、功率消耗小以系统结构轻小等主要优点。和 光纤通信相比，无线激光通信具有低成本、布设方便可快速组网等优点，特别适合光纤网 维护期间的应急通信。在美国，市区一英里的光纤通信成本约为3 0 0 ，0 0 0 7 0 0 ，0 0 0 美元， 包括管道开挖费和道路使用权费等；而采有定点射频无线通信方式则需要3 0 ，0 0 0 美元： 但如果采用1 5 5 m b p s 的无线激光通信链路则仅需1 8 ，0 0 0 美元( 2 0 0 2 年数据) 。军事上，可 利用无线激光通信技术在野外构建临时通信及信息侦察网，只要是可视视距，即可利用激 光光束快速建网，无须敷设通信线路和占用无线电频率资源，也不会产生无线电射频信号， 保密性好。适合在野战部队营地、边防哨所、军用飞机、军用舰船、军用卫星等通信终端 之间快速灵活地建立通信链路。美军在2 0 0 3 年提出转型通信架构( t c a ) ，其中一个重要的 技术就是利用无线激光通信技术向水面、水下、太空、高空机载用户提供宽带通信服务。 当前，我国面临着严峻的台海局势，也迫切需要一种船载型无线激光通信设备，以实 现舰船之间无线电静默条件下的移动式无线通信。尽管只能在视距条件下工作，无线激光 通信技术在近几年也开始向民用方向发展。商用无线激光通信设备既能提供类似光纤传输 的速率，又无需在频谱等稀有资源方面有很大的初始投资，例如2 0 0 0 年悉尼奥运会期间， 在水上中心与演播中心建立了8 波道无线数据光通信链路，运行期间始终保持通畅，效果 良好；另外，激光技术的进步已经使耐用可靠的器件变得很便宜f 2 j ，大大降低了设备的造 价。因此，在目前许多企业和机构都不具备光纤线路，但又需要较高速率通信需求的情况 下，无线激光通信技术不失为一种解决网络链接“最后一公里 瓶颈问题的有效途径。 1 2 船舶间通信技术演变 船舶之间最早使用旗语通信，这种通信方式不能适应现代船舶间通信的需求。目前使 用比较多的通信手段是无线电通信，这种通信方式的通信距离比较长，数据传输速度比较 快，但具有保密性差、容易被窃听和干扰的缺点。无线激光通信则可以弥补这一缺陷，它 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章船载a t p 系统的基本特性 具有通信容量大、数据传输速率高、体积小、抗电磁干扰能力强、保密性高等优点，因而 是未来船舶之间通信的发展趋势。 l 、旗语通信 旗语通信是以悬挂或挥动不同式样和颜色的旗帜传递信息的通信方式。旗语通信分为 旗号通信和手旗通信。旗号通信，以悬挂各种不同式样和颜色的旗子表示通信内容；手旗 通信，以两面手旗的不同部位表示通信内容。旗语通信主要用于下达简短命令、保障协同 和相互识别。海军还用于礼仪上，如挂满旗是表示礼仪的隆重。这种通信方式的传输距离 在视距范围内，传递的信息量非常有限，容易受气候条件影响，保密性和安全性比较差。 2 、无线电通信 无线电通信是利用无线电波传输信息的通信方式，可以传输声音、文字、数据和图像 等。无线电通信方式有：双向通信、单向通信；单路通信、多路通信；直达通信、经过中 间站转信。与有线电通信相比，不需要架设传输线路，不受通信距离限制，机动性好，建 立迅速，能同移动中的、方位不明的以及被敌人分割或自然障碍阻隔的对象建立通信联络， 广泛用于地面、航空、航海、宇宙航行的通信，是战时的主要通信手段。但无线电信号易 被敌方截收、测向和干扰；有的无线电信道不够稳定，易受电离层和大气层变化的影响。 无线电技术的原理在于导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过 调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场 变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传 递的目的。 无线电按波长和频率分为 2 】【5 】： 1 ) 甚低频v l f ，频段3 - 3 0 k h z ，超长波，波长范围1 0 0 0 k r n 1 0 0 k m ，传播特性以空 间波为主，主要用于海岸潜艇通信、远距离通信、超远距离导航； 2 ) 低频l f ，频段3 0 3 0 0 k h z ，长波，波长范围1 0 k m 1 k m ，传播特性以地波为主， 主要用于越洋通信、中距离通信、地下岩层通信和远距离导航； 3 ) 中频m f ，频段0 3 3 m h z ，中波，波长范围1 k m 1 0 0 m ，传播特性包括地波与天波， 主要用于船用通信、业余无线电通信、移动通信和中距离导航； 4 ) 高频h f ，频段3 - 3 0 m h z ，短波，波长范围1 0 0 m 1 0 m ，传播特性包括地波与天波， 主要用于远距离短波通信和国际定点通信； 5 ) 甚高频v h f ，频段3 0 3 0 0 m h z ，米波，波长范围1 0 m l m ，传播特性以空间波为主； 主要用于电离层散射( 3 0 6 0 m h z ) 、流星余迹通信、人造电离层通信( 3 0 1 4 4 m h z ) 、对空 间飞行体通信和移动通信； 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章船载a t p 系统的基本特性 6 ) 超高频u h f ，频段o 3 3 g h z ，分米波，波长范围l m 0 1 m ，传播特性以空间波为 主；主要用于小容量微波中继通信( 3 5 2 4 2 0 m h z ) 、对流层散射通信( 7 0 0 1 0 0 0 0 m h z ) 和 中容量微波通信( 17 0 0 2 4 0 0 m h z ) ： 7 ) 特高频s h f ，频段3 - 3 0 g h z ，厘米波，波长范围1 0 c m 1 c m ，传播特性以空间波为 主；主要用于大容量微波中继通信( 3 6 0 0 4 2 0 0 m h z ) 、大容量微波中继通信 ( 5 8 5 0 8 5 0 0 m h z ) 、数字通信、卫星通信和国际海事卫星通信( 1 5 0 0 1 6 0 0 m h z ) ； 8 ) 极高频e h f ，频段3 0 3 0 0 g h z ，毫米波，波长范围1 0 m m l m m ，传播特性以空间 波为主；主要用于再入大气层时的通信和波导通信。 舰船无线电通信几乎包括了所有的频段，短波通信由于传播距离远，所需发射功率小， 设备成本较低，迄今为止仍是舰船外部通信的主要手段之一。由于电波传播特性的不稳定， 以及保密通信的需要，短波通信采用了一些新技术，如实时选频技术、高频自适应通信技 术、跳频通信技术、扩频通信技术、超快速通信技术、通信和通信对抗一体化技术、保密 机的运用以及软件无线电技术等，提高无线电通信的可靠性【1 2 】。 3 、无线激光通信 无线激光通信技术是在微波通信与光纤通信的基础上发展起来的，它兼具微波通信灵 活机动与光纤通信码率高的优点，同时弥补了微波通信和光纤通信在具体应用中的不足之 处 1 引。无线激光通信系统由发送和接收系统两部分组成，涉及声、光电、通信、信息处理 和机械电子等许多领域，是涵盖多种领域的综合性技术【1 4 】【1 8 】。其关键技术问题归纳起来主 要是远距离激光信号的发射与接收技术和激光信号的捕获和自动跟踪瞄准技术 1 9 】【2 n 。无线 激光通信的主要特点有： 1 ) 保密性好：由于作为载体的激光光束的发散角度窄，通常在毫弧级，方向性好，使 光通信具有极好的保密性、防窃听和抗干扰能力； 2 ) 信息容量大：光频频段在1 0 1 3 1 0 1 7 h z ，可利用的带宽大约是无线射频波段的1 0 5 倍， 能够传出大于1 0 g b p s 的高数据码率； 3 ) 功耗小，体积小：激光的能量高度集中，在接收机望远镜天线上接收到的信号功率 密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低重量轻，架设使用方便灵活，工程 周期短，网络建立十分灵活； 4 ) 天线尺寸小，成本低：由于空间激光通信的能量利用率高，使得发射机及其供电系 统的重量减轻；由于激光的波长短，在同样的发散角和接收视场角的要求下，发射和接收 望远镜的口径都可以减小。摆脱了射频系统巨大的碟形天线，重量减轻、体积减小； 5 ) 设备性价比高：自由空间对于光波是一种优良的传输介质，光波在自由空间中传输 3 堕塞堂皇奎兰堡主婴塑生堂垡堡茎墨三童丝塾竺呈墨竺塑苎奎壁竺 损耗小，传输同样速率与信息的设备，光通信的设备的性价比最高。 由于激光无线通信具有以上的优点，并且近年来大功率半导体激光技术、自适应变焦 技术、光波窄带滤波技术、光源稳频技术、信号压缩编码技术、光学天线的设计制作以及 安装校准技术不断的发展和成熟，该项技术的应用前景十分广阔。 根据上面的叙述，旗语通信、无线电通信和无线激光通信三种船舶通信方式的优缺点 比较如表1 1 所示： 表1 1 三种船舶通信方式的比较 无线激光通信无线电通信旗语 传输信息量很大较大很小 保密性很好一般一般 抗干扰性很好一般 一般 经济成本较低较高很高 传输距离 较远很远很近 由此可见，无线激光通信在各方面均优于旗语通信，在保密性、抗干扰性和经济成本 上优于无线电通信，是比较理想的船舶间通信方式。 1 3 无线激光通信的历史和现状 目前世界各国在无线激光通信领域已从理论研究进入到基础应用和试验阶段，已经深 入开展研究的有美国、欧洲和日本等国家和地区，我国也在一定领域进行了研究。 美国是世界上最早开展无线激光通信技术的国家，1 9 8 1 年进行美国空军在新墨西哥州 白沙导弹靶场进行了飞机与地面站之间的激光通信实验，实验持续了三个月，采用倍频 y a g 激光器，波长5 3 2 n m ，飞机向地面传输的数据率达到1 g b s ，通信距离约l o o k m 。自 此之后，日本和欧洲也迅即开展了此项研究【3 1 。目前，美国n a s a 建立了一套无线激光通 信演示系统l c d s ( l a s e rc o m m u n i c a t i o nd e m o n s t r a t i o ns y s t e m ) ，以研究两个运动平台之间 及运动平台与地面之间的高码率无线激光通信链接，在1 9 9 8 年的飞行试验中实现了容量 为7 5 0 m b p s 的数据传输，2 0 0 2 年进行了容量为2 5 g b p s 的地面到卫星之间的通信实验。 美国朗讯公司采用四波长的波分复用技术，实现了地面点对点数据传输速率为1 0 g b s 、通 信距离为4 4 k m 的无线光通信，目前正在进行1 6 路4 0 g b s 的无线光传输系统 ( w a v e s t a r o p t i c a i r ) 的研究。 日本于上世纪8 0 年代中期开始了星际无线激光通信的研究工作。主要有邮政省的通 4 堕室! ! 皇奎兰堡主竺窒生兰鱼笙塞茎三童塑整竺! 至堑堕萎奎堑堡 信研究实验室( c r l ) 、宇宙开发事业团( n a s d a ) 和高级通信研究所( a t r ) 的光学及无线 电研究室进行此方面的研究工作。a t r 主要对光束控制、调制等关键技术进行研究和谁， 并建立一套自由空间模拟装置进行地面模拟实验。c r l 主要进行地面站与工程实验卫星e t s - - v i 之间的激光通信实验，以实现星际链路要求的几种基本功能，如高精度的高度测量等， 并于1 9 9 5 年7 月成功进行了e t s v i 与地面站之间的光通信实验，这是世界上首次成功 进行星地之间激光通信实验，该实验的成功进一步证明了星地间激光链路的可行性。n a s d a 从1 9 8 5 年开始研究星间激光通信技术，它首先从捕获、跟踪、瞄准( a t p ，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 ) 方面入手，随后转入系统研究与开发。n a s d a 实施的激光通信工 程试验卫星( o i c e t s ) 计划，是由日本和欧洲联合建造一条卫星间的通信链路。1 9 9 5 年6 月日本的技术实验卫星与美国大气观测卫星成功进行了8 分钟的双向激光通信，7 月实现 了卫星与地面站之间的双向激光通信。 欧洲空间局为连接低轨卫星与同步卫星实施轨道间无线激光通信实验【4 】，已经制造好 两个星上有效载荷，一个名为p a s t e l 的终端已经搭载在法国地球观测卫星s p o t 4 上，它 是第一个在轨光学终端；另一个各为o p a l e 终端，搭载在欧洲先进数据中继技术卫星 a r t e m i s 上，负责传输数据到地面站，2 0 0 0 年实现了速率为5 0 m b p s 的星间数据传输。 目前我国也开展了无线激光通信的研究，进行了相关技术和装置的研究和研制，已经 有3 路、1 2 路、9 6 0 路激光通信机。中国船舶重工集团七一七研究所研制的大气激光通信 设备，通信距离为l o k m 。长春理工大学为我国的第三代主战坦克光电对抗作战研制了 “z t z 9 9 式坦克激光敌我识别和辅助通信系统”，可传递数字指令及进行语音通信，作用距 离地对地使用大于3 k m ，地对空使用大于6 k m ，标志着我国在车载协同式激光敌我识别和 大气激光通信系统的研究方面进入了工程化研制阶段【5 l 。此外，信产部桂林激光通信研究 所在大气激光通信产品的开发上也有较为丰富的经验和成熟的产品。 虽然无线激光通信技术具有明显的优点，但这些优点是建立在光通信的一系列相关技 术之上的，其中通信过程中的发送端激光束的发射、接收端对激光束的捕获、跟踪、瞄准 ( a t p ) 即为一项关键技术。由于信息是以激光束作为载体，通信距离一般比较远( 视距 范围内) ，激光光束发散角较小，在传输过程中易受到大气散射、折射、湍流等很多因素 的影响，特别是当通信系统安装在运动平台上( 如舰船、卫星、飞机、车辆等) ，平台的 振动会造成激光光束偏离目标，因此能否解决好无线激光通信系统中的a t p 问题，成了移 动式无线激光通信技术能否付诸实用的关键。只有具备了包括快速精确的a t p 技术在内的 一系列关键技术，整个无线激光通信系统才能实现高效可靠的信息传输。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章船载a t p 系统的基本特性 1 4 本课题所完成的工作 通过对无线激光国内外研究进展和技术的分析，结合项目的实际技术要求，本文在船 载无线激光通信系统的实际设计过程中主要完成以下工作： 1 、根据船舶运动原理及其运动微分方程组，分析船舶运动本身的特点和对无线光通 信系统的影响因素。 2 、参与了船载无线激光通信系统的设计过程，主要对整个通信系统的粗跟踪模块和 精跟踪模块进行设计。 3 、在粗跟踪模块中给出了一种利用c c d 快速采集数据，进而控制伺服系统进行跟踪 的方法，配合系统粗跟踪的模块的运转，并给出粗跟踪模块伺服系统的控制程序。 4 、给出精跟踪模块的跟踪算法及伺服系统控制代码；仿真得出整个精跟踪模块关键 器件两轴快速倾斜镜在不同频率干扰下的系统误差曲线。 本文的创新点在于： 1 、根据粗跟踪模块的特点，给出了一种利用c c d 快速采集数据，进而控制伺服系统 进行跟踪的方法，使得系统能够预判光斑的移动方向，实现粗跟踪的功能并具体给出了粗 跟踪模块控制程序。 2 、根据精跟踪模块的特点，给出精跟踪模块的控制算法和两轴快速倾斜镜在不同频 率扰动下系统误差的仿真的实验结果和分析。设计了精跟踪模块伺服系统的控制程序。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二蠢船载a t p 系统的基本特性 第二章船载a t p 系统的基本特性 2 1 舰船无线通信的原理 舰船无线激光通信系统采用激光用为光源，以湍流大气层为光信道，通信终端随舰船 运动，如图2 1 【6 1 所示。 无线激 光通信 终端# 1 # 1 舰船 大气信道 图2 1舰船间无线激光通信示意 无线激 、 光通信， 终端# 2 # 2 舰船 无线激光通信终端主要包括信号传输系统( 双工通信系统) 、空间光束的捕获瞄准和 跟踪系统( a t p 系统) 、通信数据处理系统等。系统框图如下图所示。 无线激光通信终端主要包括信号传输系统( 双工通信系统) 、空间光束的捕获瞄准和 跟踪系统( a t p 系统) 、通信数据处理系统等。系统框图如下图【7 1 所示。 通信激光发射系统1 _ 无线 i 通信激光接收系统 激光 光学系统及光学天线k 一 卜一a t p 系统 通信 电源系统卜一 终端 _ _ - 叫数据处理系统 图2 2 无线激光通信系统功能框图 无线激光通信终端在进行空间信息传输之前，首先由a t p 系统保证发射端的发射功率 能够到达接收端的探测器上。这意味着除了需要克服传输通道上的各种影响外，还必须使 发射的光束准确地对准接收机。同样，接收机探测器也必须按照被发送光束的到达角度进 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章船载a t p 系统的基本特性 行调节。对于收发合一的双工系统，以上过程是在双端同时进行，并最终使通信链路处于 稳定的动态平衡状态。针对船载a t p 系统的特点，系统主要考虑以下因素。 1 、舰船运动( 振动) 的仿真和它对船载无线激光通信系统的影响。 2 、a t p 的基本原理和结构主要包括a t p 系统的基本原理以及组成a t p 系统的光学系 统、机械系统、电子系统的单元结构设计。 3 、a t p 系统的自适应控制设计着重研究a t p 系统平台伺服系统精跟踪和粗跟踪模块 的控制与协调工作。 2 2 影响无线通信的因素及补偿办法 2 2 1 天气、湍流等因素对信道的影响 大气湍流是一种快速的不规则运动，各物理量是时间和空间的随机变量，需要用统计 规律描述，激光通过时会对激光束性能产生影响。因此在大气通信系统中必须考虑这个干 扰因素。大气传输模型可用扰动大气空间格林函数向( 万，万) 描述 8 】： 乃( 万，万) = 木( 万7 ，歹) e x p - 一q + x ( 万，万) + ( 歹，万) ( 2 一1 ) 上式中：办( 万，万) 为自由空间格林函数；e x p ( - a l l ) 表示大气对光波的吸收作用，导致 激光能量的衰减；x ( 歹，万) 和( 万，万) 为大气湍流引入的幅度和相位随机抖动量。 通过大气随机信道对传输光束影响的概括描述可以看出，激光束通过大气建立的信道 是强起伏信道，强度、相位起伏的谱分布是随机的。即使是通过统计模型综合a t p 系统也 是非常困难的，甚至是不可能的。然而大气激光通信的a t p 系统需要克服光能量的强度起 伏所引入的误差，同时，系统在某种程度上应该对到达角起伏、光束指向的跳动、漂移具有 应变能力。因此决定a t p 系统所采用的体制为四象限跟踪体制配合c c d 精确定位完成， 同时也采用了补偿的大气衰减的方法。 当然想雾、雨雪等天气也会对系统产生较大影响，下面便是雾气对通信的影响的个 具体的参数图：如图2 3 【9 】 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章船载a t p 系统的基本特性 雾 ：畏 减 塞 d b k m 影响距离m 图2 3 雾气对通信的影响 2 2 2 上述影响的位道补偿方法 在a t p 子系统中大气衰减效应可导致信标探测丢失和探测定位不精确。假如一个平台 不发生移动，焦平面上信标的位置将总是可分辩的，在所有a t p 进程中任一时间的信标 探测均有效。但这只是一种理想的情况。焦平面上信标位置的变化可归于以下几个因素： 大气引起的、与微辐射相似的信标光束漫反射、与很多的微辐射相似的典型的平台振动。 主发动机的旋转方式导致的，通常在粗跟踪控制中可使用一个万向节来加以补偿。对于焦 平面阵列上信标位置的估计要想得到一个较优的值，可以通过精确测量主平台的振动来 达到。这种方法可用来代替信标质心的测量和使用闭路跟踪控制环。如果不产生中断，这 种方法可以使数据持续传输。以上是我们补偿大气在a t p 子系统中衰减效应的关键思想。 使用惯性传感器测量平台振动，这些传感器主要包括【l 卅：陀螺仪、角度传感器、角率 传感器和加速计等。关于振动的测量要求必须精确可通过衰减的持续时间来决定信标的更 新率。作为一个时间函数，可以用平台的偏离位置与原位置之间的关系来估算信标位置。 在一个确定的时间内，当误差超过了所规定的预计误差和跟踪性能时，瞄准系统的性能将 会下降，结果不是减少传输数据率就是会中断数据传输，直到再次达到更精确的跟踪为 止。如果信标位置移出焦平面阵列视场外时，这时整体的跟踪将会丢失。使用惯性传感器 组成的新的a t p 子系统中跟踪系统的处理方法是：将角位移代入到焦平面上的信标位 置中。当信标不在或低于所要求的域值水平时，通过使用惯性传感器测量的值来估计角位 o 堕塞! ! 皇奎兰堡主竺壅生堂垡堡茎兰三至堕望笪! 至竺墅苎奎堡竺 移。当信标存在或高于域值水平时，利用信标的质心，选择使用估计的角位移。为了适 应高带宽跟踪，角位移可通过惯性传感器测量的结果来估计。此系统的优点是：存在衰 减时跟踪系统稳定；存在衰减时数据仍传输可行；在同信标信号 功率中，用它可增加通信的范围；当持续相同范围的链接时，它只需要较低的信标功 率。缺点是：使用了大量的惯性传感器：新的跟踪算法增加了难度。下面通过一个使 用惯性传感器的光通信的例子来给出分析结果。 2 2 3 基于这种补偿的一种设计 信标 口，p 嬲m c c d 器 图2 4 带惯性传感器的抗大气衰减a t p 系统 光通信示范机瞄准和跟踪子系统，它通过使用单独的焦面阵列( f p a ) 和高精度的调整 发射器光束的控制镜( f s m ) 减小了复杂性完成所有的捕获、跟踪、瞄准功能。光通信示范 机的改进发展在于使用新型f p a 和f s m 。其跟踪和瞄准操作可描述为：f p a 探测到信标 光光斑的心位置与标定时的偏差值，以此产生f s m 的驱动信号，以调整发射器光束达到 跟踪和瞄准的目的。使用惯性传感器补偿大气导致的信标光衰减，增加了该种光通信系统 容忍衰减的能力，如2 4 】所示。 2 3 船舶运动的基本特性及规律 船舶在波浪上航行时，受波浪的扰动将产生摇荡运动。由于实际海浪情况复杂多变， 所以引起船舶的运动也是非常复杂，其运动往往是几种简单运动的叠加。也就是说，船舶 各个自由度的摇荡运动不是独立的，相互间存在耦合影响。另外，由于船舶运动将对周围 的流体产生扰动，改变了船体周围流体的速度场和压力场。波浪经过船体时，由于波浪起。 l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章船载a t p 系统的基本特性 伏改变了船水下形状和体积，使浮力大小及作用点发生变化。由于上述因素，从数学角度 要建立一个作用于船上的完整而精确的力学模型是相当困难的。实际上总是采取系列的 简化假设，仅考虑一些简单的耦合情况的摇荡运动。 关于船舶摇摆运动的理论研究，有过如下四种理论【l2 】： 1 ) 窄船理论一假定船宽远比船长小，而船的吃水和波长、船长相比均属于同一数量级； 2 ) 平板船理论一假定船吃水远比船长小，而船宽和波长、船长相比均属于同一数量级； 3 ) 细长船理论一假定船宽和吃水远较船长小，而波长和船长是同数量级： 4 ) 切片理论一假定船宽、吃水和波长等远较船长小。 上述四种理论都是将船作为刚体来研究。但是窄船理论和平板船理论没能从几何形状 上充分的描述船舶；细长船理论和切片理论则克服了前两种理论的缺点，而细长船理论和 切片理论的差别主要在于船受到的波浪扰动不一样。从理论上讲，尽管切片理论较其他几 种理论都要粗糙，但是通过大量的试验证明，由切片理论给出的船舶摇摆运动的响应幅值 算子与船模试验结果还是很一致的。特别是切片理论计算相对简单方便，因此在工程应用 上都是以切片理论来研究船的摇摆运动和耐波性。 2 3 1 船舶运动的受力分析 由于船舶形状的不规则以及它所处环境的复杂性，要精确的计算船舶所受外力f 和力 矩m 是相当困难的，通常是在一系列较强的假设条件下作近似处理，常见的假设主要有 1 3 】： 1 ) 假设船体和它的各种附件( 鳍、舵) 所受的水动力彼此不相关，这样一来，整个船舶 所受的水动力可以认为是船体所受水动力及各种附件所受水动力的线性叠加。 2 ) 假设船舶是在无限均匀流场中运动，因此可以不考虑流场边界的几何特征以及船舶 在水平面内所处位置的影响，并且可以运用势流理论进行力的计算。 3 ) 假设水动力中的惯性力和粘性力是彼此不相关的，这样，水动力可以认为是惯性力 和粘性力的线性叠加。 基于以上假设，我们把船舶在水中运动时所受的力分为两部分，一部分是船舶所受的 随机力和力矩，它是由海浪、海流、海风等随机干扰引起的力和力矩，关于这些力和力矩 我们可以用实验的方法获得有用信息，加以处理，得到拟合出的海浪力和力矩：另一部分 是船舶运动时，我们所加在舵上的控制力和力矩。 根据牛顿第二定律，作用于船上的垂直方向的力都是时刻处于动态平衡状态。可得到 以下结论1 1 4 j ： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章船载a t p 系统的基本特性 垂荡方程为：，砭= f ( 2 2 ) 纵摇方程为：埘= m ( 2 3 ) 当船以不变的航速矿与规则波成任意角航行时，一般会产生六个自由度的摇荡运动， 且各自由度运动之间相互耦合。因此，应将各个自由度运动方程联立求解。在实际情况下， 船舶是左右对称的，并且纵向运动和横向运动的耦合影响小，可以忽略。六个自由度的摇 荡运动方程可以分解为两组耦合方程，即： 1 ) 纵向运动一纵荡，纵摇和垂荡； 2 ) 横向运动一横荡，横摇和首摇。 由于纵荡和纵摇、垂荡之间的耦合也较小，也可以忽略。因此可以对六自由度的运动 分为三组，即： 1 ) 纵荡运动； 2 ) 垂荡和纵摇运动： 3 ) 横向运动( 横荡、横摇和首摇) 。 通常情况下，可以忽略纵荡运动对船舶运动的影响，那么在五个自由度的运动中，由 于纵摇和垂荡是耦合的，横摇、横荡和首摇是耦合的，所以可将五个自由度的运动方程分 为如下两组【1 5 】： ( ，7 z + 吩3 ) 艺+ 岛3 三+ 巳3 z + 以3 5 乡+ 6 3 5 秒- t - c 3 5 0 = 足- t - e 3l 0 5 3 艺+ 6 5 3 三+ c 5 3 z + ( 1 5 + 口5 5 ) 秒+ 魂5 0 + c 3 5 0 = 足叉_ + a 乱5j 、 f 2 4 ) ( 聊+ 屹) 夕+ 夕+ 吆+ 吃4 ( o + a 2 6 沙+ 包6 l 沙= 砚疋+ e 21 a 4 2 夕+ 夕+ ( 厶+ ) + 痧+ 矽+ q 6 矽+ k 砂= 螈+ e 4 ( 2 5 ) a 6 2 y + 3 6 2 夕+ + 矽+ ( 厶+ a 6 6 ) 9 + 6 l 沙= 咒疋爿_ + e 6j 其中五( i - 4 ，5 ，6 ) 表示惯性矩；f r 表示水平舵升力，单位为k g m s 2 ；壕表示舵升力 中心制船体中心的纵向距离；劬( i _ 1 ，2 ，6 ，j = l ，2 ，6 ) 表示附加质量( 或质量矩) ，单位 为k g 或k g m ) ；b 盯( i _ 1 ，2 ，6 ，j = l 2 ，6 ) 表示阻尼力( 或力矩) 系数；劬( i ：1 ，2 ，6 ， j _ 1 ，2 ，6 ) 表示恢复力( 或力矩) 系数；凡，( i - - - 2 ，6 ) 表示波浪扰动力，单位为k g r r d s 2 ； m w 5 表示波浪纵摇扰动力矩，单位为k g r r d s 2 。 2 3 2 船舶运动微分方程及其建模 当船舶在波浪上航行时，受波浪的扰动将产生摇荡运动。由于实际海浪情况复杂多变， 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章船载a t p 系统的基本特性 所以引起船舶的运动也是非常复杂，其运动往往是几种简单运动的叠加。也就是说，船舶 各个自由度的摇荡运动不是独立的，相互间存在耦合影响。另外，由于船舶运动将对周围 的流体产生扰动，改变了船体周围流体的速度场和压力场。波浪经过船体时，由于波浪起 伏改变了船水下形状和体积，使浮力大小及作用点发生变化。由于上述因素，从数学角度 要建立一个作用于船上的完整而精确的力学模型是相当困难的。实际上总是采取一系列的 简化假设，仅考虑一些简单的耦合情况的摇荡运动。 关于船舶摇摆运动的理论研究，有过如下四种理论： 1 ) 窄船理论一假定船宽远比船长小，而船的吃水和波长、船长相比均属于同一数量级； 2 ) 平板船理论一假定船吃水远比船长小，而船宽和波长、船