硕士学位论文PAT系统中粗瞄控制子系统的研究

1、摘要卫星间光通信是未来卫星通信技术的一个重要发展方向，卫星光通信是在较为恶劣的空间环境下进行的，信号光束窄，传输距离长，这样给链路的建立和保持造成了极大的困难，因此在卫星光通信系统中，必须建立一套瞄准捕获和跟踪（pointing，acquisition and tracking, pat）系统来防止由于链路失败而造成的信号损失。pat技术是关系到通信链路建立和保持的关键技术。本文对卫星光通信仿真终端运动控制系统的研究主要是对pat系统中粗瞄控制系统的研究。本文首先对国内外卫星间光通信技术的研究现状和进展进行了综述，阐述了卫星间光通信系统的基本构成和原理，对瞄准捕获跟踪技术的研究现状进行了分析和

2、比较。然后在概述星间光通信链路系统的基础上对pat系统的原理和总体设计进行了详细的阐述，分析了pat系统研究的重要性，及瞄准捕获跟踪的工作原理和pat系统的工作流程，并给出了系统设计的初步方案。本文的重点放在对pat系统中粗瞄控制子系统的研究设计及实现上。pat系统采取复合轴控制的方式，粗瞄控制子系统主要是实时跟踪到指定的位置，补偿两星间的相对运动，进行大范围的跟踪。文中根据粗瞄控制子系统需要实现的功能对粗瞄控制子系统中控制器部分的设计作了详细的分析并给出具体的硬件实现。在实现硬件的基础上，探讨了控制算法的选取，并给出了控制算法实现的流程图。结合系统的软硬件利用仿真器对系统进行了调试。论文最后

3、对含摩擦环节的终端伺服控制系统进行了建模，理论上对摩擦力矩的模型进行了分析以及摩擦力矩对系统性能的影响，讨论了两种补偿摩擦力矩的方法：基于模型的摩擦补偿和不基于摩擦模型补偿。并针对库仑摩擦模型应用模型参考自适应补偿的方法对摩擦进行补偿，并进行了仿真。本论文的工作为瞄准捕获跟踪系统设计尤其是粗瞄控制子系统的设计及实现提供了初步的理论基础和设计方案，为我国今后卫星光通信技术的研究打下一定的基础。关键词卫星间光通信；瞄准捕获跟踪；粗瞄控制；摩擦补偿abstractintersatellite optical communication (ioc) can be considered as the c

4、onsequent evolution of satellite communication technology. ioc is much more difficult than millimeter wave because of the communicating environment, the limited width of laser beam and the long communicating distance. so it is necessary to build pat(pointing, acquisition, tracking) subsystem to prev

5、ent the loss of communication signal from the failure of links. pat technology used for the foundation and instauration of laser link is critical to an ioc system. the emphases of research on terminal control system is the coarse pointing system in pat.at first, the research actuality and developmen

6、t of ioc technology in the world were summarized. then the main configuration and principle of ioc system were expounded, and the research actuality of pat technology were analyzed and compared.then the theory and whole design of pat is expounded on the bases of introducing an ioc system. the import

7、ance of pat is discussed. and, the detailed work process of pat and the preliminary design measures are narrated.the emphasis of the dissertation is the design and realization of coarse pointing assembly (cpa) in pat system. pat system implementation adopts composite axis control. the cpa accomplish

8、es the real-time tracking of the appointed position and compensates the relatively intersatellite movement. the design of controller in cpa is analyzed in detail. the concrete hardware implementation is provided. basing on the hardware realization, the control arithmetic is discussed and the flow ch

9、arts of system software are given. then the debug of the system is accomplished using the emulator.at last, the terminal servo control system with friction is analyzed and the model of the system is established. the paper makes theoretical analysis of friction model and the influence to system perfo

10、rmance. two methods of friction compensation that includes compensation with friction model and without friction model are studied. then the simulation was operated to study the friction compensation using methods of model reference adaptive control (marc).the work of this dissertation provides the

11、preliminary theoretical model, designing methods for pat system design and study of realization project, and it will lay the elemental researching foundation for the study of ioc technology in our country.keywordsoptical intersatellite communication；pointing, acquisition, tracking；coarse pointing co

12、ntrol；friction compensation目录摘要iabstractii第1章 绪论211 课题背景错误！未定义书签。111212 本章小结错误！未定义书签。第2章错误！未定义书签。21 本章小结错误！未定义书签。第3章错误！未定义书签。31 本章小结错误！未定义书签。结论2参考文献2附录2攻读学位期间发表的学术论文2致谢2索引2个人简历2千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 课题研究的意义随着航天技术的不断发展，各种卫星，空间站及其他航天器的数量越来越

13、多，处于不同空间轨道上的卫星需要与地面建立联系，有些还需要在卫星之间建立通信联系。采用增加地面站的方法满足这些要求有很多实际的困难，如在国外设站要考虑很多政治因素，常常难以实现的。此外，大量的地面站会带来庞大的地面运行，可靠性及保密性等问题。因此，建立卫星与卫星间的通信链路势在必行。可建立的激光星间链路有：低轨道卫星（leo）或中轨道卫星（meo）与同步轨道上的卫星（geo）间的链路，一般称为轨道间链路（iol）；geo与geo间的链路，称为星间链路（isl）；leo（meo）与leo（meo）间的链路；geo与地面站之间的链路。通信、对地观测、科学实验和载人航天器等要求有高速的数据传输率，这

14、样才能保证信息的快速和实时传输。从现有第一代跟踪数据中继卫星系统的情况看，由于微波通信频段容量有限，很难满足这一要求。另外，由于在有限的同步轨道资源里卫星的数量越来越多，微波通信系统间的干扰现象日趋严重。通过卫星光通信可以很好的解决上述问题。卫星光通信是指在空间信道中用激光束取代微波作为信息载体进行空间（包括大气空间，低轨道，中轨道，同步轨道，星际间，深空等）通信。激光的波束非常窄，基本不存在相互间的干扰问题。此外，卫星光通信终端还具有较小的体积，质量和功耗，便于星载运行。与微波通信相比，卫星光通信的显著优点是：1增加了带宽，信息容量加大；激光的频率大致在数百thz量级，比微波高35个数量级，

15、因而可以得到高得多的数据传输率。2设备体积明显减小；光波波长分别是rf和微波波长的千万分之一和十万分之一。影响卫星光通信系统体积最主要因素天线尺寸在卫星光通信系统中将成倍减少。3抗干扰和保密性显著提高；卫星光通信传输光束非常窄院小于微波束宽，捕捉和干扰非常窄的激光束是很困难的，因此满足保密性和抗干扰要求，使得通信更安全。卫星光通信在较为恶劣的空间环境下进行，而且卫星光通信的信号传输光束束宽窄，传输距离长，在目前的空间环境下建立和保持激光链路面临着较大的困难。因此，必须建立一套瞄准、捕获和跟踪（pointing，acquisition and tracking-pat）系统来防止由于链路错误而造

16、成的信号损失。卫星微波通信中的pat技术较为成熟，但无法直接应用到卫星光通信中而且对卫星光通信中的pat系统的控制精度要求远高于对卫星微波通信pat系统的要求。从近些年各国卫星光通信技术的发展计划和研究情况来看，pat是目前其中较为关键的一项技术，一直受到各国的高度重视。我国在卫星间光通信中的pat技术方面的工作与国外相比还有很大的差距。但由于国外文献中大部分pat技术细节属于保密范围，因此我国必须独立进行细致深入的前期研究工作。本文的主要工作是对卫星光通信中终端运动控制系统进行研究，着重分析和研究卫星光通信中的关键技术pat技术中粗瞄控制子系统，为我国今后卫星光通信的进一步工程化研究和在轨实

17、验打下一定的基础。1.2 国际上卫星光通信的研究现状在卫星光通信方面，国外目前空间光通信已经从理论研究进入到应用基础研究的试验阶段，发展日新月异。卫星光通信的出现是现代信息社会对大容量，远距离，低成本通信要求的必然结果，而它的优点也表明了它能够担此重任。全球空间光通信的发展目前主要是由政府支持的。如欧洲航天局（european space agency），日本政府，美国的nasa（美国宇航局）和dodo（国防部）等。在卫星光通信的研究初期，由于相应的元器件技术发展水平有限，激光光源和pat装置等的体积，质量和功耗都较大，不能满足在空间环境运定的需要。近些年来，随着半导体技术，探测技术，光学元件

18、技术，控制技术和材料技术等的发展，各国已逐渐从卫星光通信的地面模拟实验走向了空间实验。随着全球星间链路一体化的改变，相信不久各卫星光通信将进入实用的商业化发展阶段。国外卫星光通信系统的研究主要集中在部分军事和科技强国，如美国，欧洲，日本和俄罗斯等，我们对他们的研究进展做一下简单分析。1.2.1 美国美国是世界上开展卫星光通信最早的国家，主要研究部门是美国宇航局（nasa）和美国空军（air force）。七十年代初，美国的nasa资助进行了co2激光和光泵浦nd：yag激光空间通信系统的初步研究。美国空军部（the department of the air force）在七十年代中期资助进行

19、了选择最佳通信波长的研究工作，并进行了在acts飞船上搭载使用半导体激光的发射机以建立飞船与地面之间的外差接受联系的预研工作。nasa还在卫星光通信的一些新的应用领域进行了研究，以寻求自由空间激光链路潜在的应用。nasa的喷气推进实验室（jpl）一直在进行着卫星光通信及应用于外层空间探测器上的深空卫星光通信系统的基础研究。随着美国第一代跟踪数据卫星系统（tdrss）投入运行，美国的卫星光通信研究进入一个新阶段。近几年来，在商业需求及政府支持巨大推动下，卫星光通信技术已成为美国的研究热点，美国至今已经实施了多个有关卫星光通信的研究计划，研制了多个卫星光通信实验终端。同时还积极进行小卫星星座中星间

20、激光链路终端的研制。从1995年起，美国的弹道导弹防御组织(bmdo)实施了strv-2实验计划(space technology research vehicle 2)。该项计划的主要目的是演示leo卫星tsx-5与地面站间的上行下行激光链路，验证卫星光通信技术在这方面的准备情况。1.2.2 欧洲欧洲空间局(esa)于1977年正式开展了高数据率空间激光链路研究。在二十余年的时间里，esa对光学空间通信的有关技术进行了有步骤的，周密细致的研究。并制定了一系列的阶段性研究计划6。从1989年起，esa开始实施著名的silex(semiconductor laser intersatellite

21、 link experiment)计划。这个计划的实施是为了发展光学空间通信系统的全部元器件以及实用前进行一次空间实验以测试光学空间通信系统的性能。在该计划期间，esa先后研制了以不同星间链路为背景的一系列卫星光通信终端。近些年，esa还研制了小光学用户终端sout，甚小光学用户终端vsout以及高级激光通信终端alct7。1998年esa又开始研制新一代卫星光通信终端sroil。在sroil终端中，采用半导体激光泵浦的yag激光器作为新光源，同时将以往的直接探测改为相干探测，这样大大提高系统的探测灵敏度，此类终端的数据率最高可达15gbps，而终端的质量最小可达8kg。可以说，esa在卫星光

22、通信研究方面已走在当今世界的前列。1.2.3 日本日本在八十年代中期开始卫星光通信的研究工作。主要有邮政省的通信研究室（crl），宇宙开发事业团（nasda）及高级长途通信研究所（atr）的光学及无线电通信研究室进行此方面的研究工作。crl主要进行了在地面站与工程实验卫星ets-vi之间的激光通信实验，且于1995年7月成功完成。是世界上首次成功进行的卫星光通信实验，实验结果证明了星地链路的可行性。nasda自行研制了只携带光学终端，质量约为500kg的低轨道小型光学星间通信工程试验卫星oicets,发射oicets的目的是在空间对卫星光通信的探测，跟踪等技术进行试验，以评价及改进卫星光通信技

23、术及装置。atr在十余年的研究工作中，对激光星间链路的光束控制，调制等关键技术进行了研究及论证，并建立了一套自由空间模拟装置以进行了有关的地面模拟试验。1.2.4 俄罗斯俄罗斯也在卫星光通信方面一直进行着研究，但对此甚为保密，难以得到光通信研究的详细资料。俄罗斯位于伏龙芝的“npozarya研究与生产联合体”曾透漏该单位已进行了卫星光通信的理论和实验研究，并取得了令人满意的结果。在可得到的公开发表的文献中，可以看出俄罗斯队卫星光通信器件的技术进行了研究？1.3 卫星光通信中pat技术的研究现状pat技术是空间光通信系统中的一个至关重要的关键技术，它关系到空间光通信的成败。因此从开始研究卫星光通

24、信技术起，各国就在捕获，跟踪子系统的研究方面投入了大量的人力，物力。各研究机构和大专院校也都提出了一些捕获，跟踪系统的方案，其中相当一部分做了实验室模拟。这些方案在探测时的扫描方式以及探测，跟踪传感器的选用等方面都有所不同。但被实际采用的捕获和跟踪方案是基本一致的。由于空间光通信的信号光束束宽非常窄，使得直接对信号光束进行捕获变得很困难。因此各国所提出的捕获，跟踪方案的一个共同点就是基本上都先利用一个束宽较宽的信标光束进行开始阶段的瞄准捕获，捕获成功后，再进行进一步的瞄准，进而实现跟踪。随着pat相关技术的发展，pat执行单元器件的不断更新，pat实现方案逐步得到了优化和完善。目前，我国在卫星

25、间光通信中的pat技术方面的工作还处在概念研究阶段，与国外相比还有较大的差距。参考国外公开发表的文献，可以大大缩短我国在pat技术方面的研究周期。近些年来，各国具有代表性的卫星光通信实验系统有美国的strv-2，欧控局的silex系统，日本的nasda提出的两套pat实现方案。美国的strv-2仅在地面终端设置了精瞄装置，星上的瞄准，捕获和跟踪全部由万向转台来完成。瞄准装置为基于一种新式的水平俯仰设计的半球视域轻重量复合万向转台，由中空无刷三相直流电机驱动，避免了由于齿轮传动造成的瞄准偏差。silex系统中pat子系统由下列部分组成：粗瞄装置（cpa），粗瞄装置（cpa）的光学部分位于万向转台

26、上，分别由两路步进电机带动两轴旋转，并通过加速度计对电机进行闭环控制；精瞄装置（fine pointing assembly, fpa），精瞄装置位于望远镜后面，由两个可精控制并能分别独立地绕两个正交轴旋转的反射镜组成，采用电磁驱动光反射镜实现，通过位置传感器进行反馈控制；超前瞄准装置（point ahead assembly, paa）；捕获传感器探测单元（acquisiton sensor detection unit, asdu）；跟踪传感器探测单元（tracking sensor detection unit, tsdu）；精瞄及传感器控制电子学部分（fine pointing and

27、 sensor control electronics, fpsce）。日本在1991年提出了卫星光通信技术研究中pat系统的基本框架，将瞄准系统分为三个部分：粗瞄装置（cpacoarse pointing assembly）；精瞄装置（fpafine pointing assembly）。提前扫描装置（paapointing ahead assembly）。-国外卫星光通信技术经过10到20年的发展，迄今为止已有多颗用于卫星光通信实验的卫星成功发射。美国strv-2所在的低轨道卫星tsx-5在近地轨道上运行，但由于tsx-5卫星的轨道和姿态精度和预计的精度相差太大，地面站对tsx-5捕获和跟

28、踪实验宣告失败，使得后续的strv-2与地面之间激光通信实验无法进行。而日本在1995年利用同步卫星ets-vi上的lce终端成功地进行了星地光通信实验，此实验由nasda，crl和nasa的jpl联合完成。此星地链路实验结果证实了星地激光链路的可行性，部分空间环境条件比预期想象得要乐观。1.4 国内卫星光通信研究现状及分析国内自70年代初就开始了“无线光通信单元技术及通信系统的研究”，先后对he-ne激光，co2激光及半导体激光等方面进行了研究，但均受到各种条件限制未有具体应用场合。直到90年代初期才开始了以卫星通信为背景的卫星光通信技术研究，主要进行研究的单位有哈尔滨工业大学，北京大学和电

29、子科技大学。电子科技大学从1975年便开始了研究激光大气通信理论，技术与系统并跟踪国际技术。这些工作是以实现地地之间大气传输光通信为应用背景。哈尔滨工业大学“八五”期间对卫星光通信技术进行了调研和跟踪，分析了卫星通信今后的发展趋势。“九五”期间进行了对卫星光通信关键技术的研究，研制了两套卫星光通信模拟实验终端，初步进行了卫星光通信模拟试验，这些工作为卫星光通信的空间演示验证系统研制和实现卫星光通信实验打下了基础，标志着我国的卫星光通信研究可以向空间试验阶段迈进。我国在卫星光通信技术方面的研究工作刚刚起步，尽管所用的主要器件已基本具备，但对一些基本的理论和关键技术还需要进一步研究。此外，在进行空

30、间试验之前，必须进行大量的模拟分析及地面模拟试验。1.5 本文主要工作及内容安排我国的卫星光通信技术研究起步较晚，光通信的关键技术pat技术的研究，在系统功能实现，系统优化以及瞄准捕获跟踪方案选择等方面需要深入的研究，本文所作的工作即是基于这一情况开展的，对pat系统中的粗瞄控制子系统从软硬件设计到软硬件的实现作了深入的理论研究和实际地面测试，并考虑实际系统运行时遇到的干扰问题进行了理论仿真。论文内容安排如下：1. 介绍卫星光通信的研究意义和国内外的研究现状2. 对卫星光通信的pat技术进行原理性的阐述和理论分析，及pat系统的总体设计方案。3. 分析pat系统中粗瞄控制子系统的原理，对于控制

31、子系统中软硬件设计及实现做了详细的阐述。4. 对含摩擦环节的粗瞄控制子系统终端伺服系统进行理论分析和仿真研究。第2章 pat系统的原理分析及总体设计2.1 星间光通信链路系统概述一个激光星间链路系统是由两个分别搭载在处于不同轨道的卫星上的激光星间链路（光学）终端（简称终端）构成的。整个激光星间链路的特性不仅取决于搭载终端的性能，还与所搭载卫星的性能以及外空间的环境有关，这些因素共同影响着链路性能。激光星间链路中的两个终端，虽然搭载在不同卫星上，但是作为链路的组成部分，两个终端的参数还是要相互制约的，并且同时都要受链路参数的约束。在激光星间链路中，由于一般都要进行双向通信，因此一个终端要同时具有

32、发射和接收功能。为了使接收到的能量足够大，终端发射的信号光束很窄，即光束的束散角很小。一般情况下，搭载卫星的指向误差大于光束的束散角，要建立起链路，链路中的两终端首先要在一定的误差范围内进行扫描捕获，待互相捕获到对方的发射光束后，终端就进入到跟踪状态。为了使链路的建立能够容易一些，激光星间链路中通常在链路的一个终端中加信标光束，信标光的束散角大于信号光的束散角，对方的终端可以先捕获到信标光，然后转入到对信号光的捕获，跟踪。一个激光星间链路终端是由这样几部分组成的：发射/接收子系统，包括调制/解调子系统以及滤波子系统；通信子系统；瞄准，捕获，跟踪子系统；电源子系统以及终端管理子系统。其总体框图如

33、下：图2-1 星间光通信系统总体框图fig2-1 diagram of intersatellite optical communication system2.2 pat系统工作原理2.2.1 pat系统研究的必要性空间光通信系统中，发射激光经光学系统后，信标光的发散角很小往往只有0.10.5毫弧度29，信号光束散角更小，把如此小角度的激光光束发射对准目标进行高精度的跟踪，特别是在卫星光通信链路中，通信双方相隔数万公里，对光束的瞄准，捕获和跟踪技术即成为光通信系统的一大关键技术。瞄准捕获跟踪技术（pointing, acquisition and tracking, pat）是激光星间通信中

34、关键技术之一。瞄准捕获跟踪过程是激光星间链路的建立和保持过程，捕获扫描用于卫星间光通信链路的建立和链路中断后的恢复，跟踪用以保持链路的不间断。由于卫星存在指向的不确定度，通常需要链路中两颗卫星上光通信终端进行一定方式的相互扫描，最终实现互相的光束捕获以进入闭环跟踪和通信过程。任何同步或数据传输在通信系统中可能实现之前，要求发射机的场功率确定地达到了接收机的检测部件上。也就是说，被发射场的场能量，一方面必须克服传输途径上的衰减效应，各种干扰噪声的影响，另一方面，还必须正确的对准接收目标。同样地，接收机的检测天线或其他部件必须测定发射场能量的传播位置和方向。这两个方面在星际高速光通信中显得特别重要

35、。对于两个通信终端在没有中继情况下，跨度要求达到四五千里，甚至上万里，而精度要求在几个微弧度之内，这些苛刻的要求使得瞄准，捕获，跟踪（pointing, acquisition and tracking, pat）成为星间光通信成功与否的一个关键工作。当要处理的场能量的覆盖区非常窄，传输的距离非常远的时候，瞄准，捕获和跟踪一个发射场能量的有关问题成为一个突出的问题，由于现有的卫星定位系统的精度和卫星在天上运行受到各种各样的如摄动，各种天体引力的影响，轨道精度低，使得预置的各时刻，轨道的坐标点准确度下降，迫使扫描时，扫描区域增大，使扫描，捕获和跟踪过程复杂。由此也可以看出pat技术的必要性和重要

36、性。2.2.2 瞄准、捕获、跟踪原理光学瞄准（pointing）可定义为：控制某个卫星光通信终端（发射端）的信号光（信标光）对准某一恰当的方向，以便对卫星间光通信终端（接收端）进行捕获或接收。在卫星间光通信过程中，瞄准角度误差至少应小于信号光束宽的一半以确保接收端对光场的接收。也就是说，若瞄准角度误差为弧度，则信号光束宽应大于。卫星间光通信中的瞄准角度误差由以下几类因素造成：1) 参考坐标系；通常坐标系是根据某一已知的恒星或其他天体定位的，在这种情况下，必须对参考系的运动进行补偿，一般来说这种运动并不是精确已知的，因此瞄准控制系统通常无法精确的决定所期望的瞄准方向，参照系的误差将导致瞄准视线方

37、向的不确定性，瞄准只能在基本坐标系建立的精度内进行。2) 相对运动补偿方程；为了补偿发送端和接收端之间的相对运动，需要通过卫星轨道参数和姿态参数建立相对运动补偿方程。瞄准控制系统通过相对运动补偿方程预测两终端的相对运动以对其进行补偿。然而由于卫星轨道参数和姿态参数存在一定的误差，不能精确地补偿这种运动，最终导致瞄准误差。3) 瞄准装置；在卫星间光通信系统中，望远镜或透镜通过电子或机械进行连接，并通过传感器反馈进行瞄准控制。应力，噪声，温度变化等因素造成的误差将使光束不能精确的瞄准。卫星间光通信中，信号传输的距离很大，使得传输的驰豫实际较长。当考虑两颗卫星间的相对运动时，发送端的瞄准操作将进一步

38、受阻碍。在这种情况下，发射端必须将光束实际瞄准到接收端的“前方”以便接收端进行信号接收。也即，发送端在瞄准时必须要考虑到在光束传输驰豫时间内所发生的两星间的附加移动，以对准预计的角位置。通常称这一瞄准过程为提前瞄准（pointing ahead）。图 2-2 两星间的提前瞄准角fig2-2 pointing ahead between two satellites如图2-2，卫星a在点p1处进行光场发送，当光场到达卫星b时，卫星a已经移动到点p2处。卫星b再进行光场发射时除了必须补偿从点p1到点p2的运动外，还要补偿光场从卫星b传播到卫星a期间内卫星a的移动（p2到p3）。定义卫星b接收矢量和

39、发射矢量之间的夹角为提前瞄准角（pointing ahead angle）。由于卫星间的相对运动比光速要慢的多，因此可以假定提前瞄准角很小，可以进行小角度近似。设卫星a与卫星b间的距离为，光束往返传播的驰豫时间为，有，其中为光速。卫星a沿着轨道从p1运动到p2的距离为，其中为卫星a和卫星b间的相对速率。对于小角度假定，提前瞄准角可以近似表示为：。在卫星间光通信中，两颗卫星上的光通信终端必须根据给定的对瞄准进行实时的补偿。空间捕获（acquisition）要求将卫星间光通信系统的接收透镜瞄准在对面的卫星发射光场到达的方向，即根据光束的到达角度来调节接收端光阑平面的法向量。捕获用于卫星间光通信的建

40、立和通信终端后的恢复，要求在尽可能短的时间里以较高的捕获概率来完成。在捕获过程中，通常认为调节到与光束到达角度在某一立体角范围内即是可以接受的，称该立体角为捕获分辨角（或分辨束宽），以标记。显然，最小捕获分辨角为衍射极限视场，但在实际系统设计时的分辨角通常要大一些，这样可以使入射光束有更多的模式进入捕获探测器，并对瞄准误差和其他不确定因素进行补偿。捕获可分为单向和双向两种过程，图2-3为单向捕获示意图。图 2-3 单向捕获示意图fig2-3 sketch maps of acquisitions with single terminal卫星a上的发射端向卫星b上的接收端发射信标光，如果信标光的

41、束宽大于发射端的瞄准误差，接收端将位于信标光光场的有效功率范围内。在某些不确定性下，根据卫星a的瞄准误差以及相关的参数，接收端可获悉信标光束的角方向位于以接收机位置定义的立体角内。接收机期望其天线法向量与到达光场的角方向矢量的夹角在某一预先设定的分辨立体角内。通常，因此接收端必须在内进行扫描捕获，以使发送端位于所希望的分辨角内。双向捕获时，两个终端都进行信标光的发射和接收，要求两个终端都必须进行空间捕获以建立双向通信链路。在典型情况下，终端a向终端b瞄准，同时发送出一个束宽较大的光束以覆盖其瞄准误差。终端b以一定的捕获分辨角完成捕获后，根据终端a光束到达的方向，以较窄的束宽向终端a瞄准。这是终

42、端b完成了瞄准捕获操作，终端a开始以一定的捕获分辨角来捕获终端b发射的光束。若终端a完成捕获，则两终端进入跟踪操作。如果需要的话，还可用更窄的光束重复上述过程以改善捕获精度。双向捕获可以提高卫星间光通信系统的捕获性能，但在操作上比单向捕获更复杂。在完成光束瞄准和空间捕获之后，由于存在卫星间的相对运动和星上微振动，面临着将发射端的光束保持在接收端探测器表面区域上的问题。定义将接收端接收光阑相对于到达光场保持正确定向的操作为光束跟踪（tracking）。在信号光束被成功地捕获之后，其光场应聚焦到捕获阵列的中心，而这一中心将被共轴地校准到跟踪系统的位置误差传感器上。当聚焦光束偏离中心时，跟踪子系统将

43、产生误差信号。空间跟踪就是根据即时产生的误差信号对光学硬件进行连续的重新调整而实现的。跟踪系统通常对方位角和俯仰角两个方向分别进行闭环控制。通过位置传感器得到方位角和俯仰角两个角方向上的误差信号，通过这些误差信号对瞄准装置进行控制。一般采用分立的伺服环路对方位角和俯仰角分别进行控制，且控制环路采用相同的动力学模型。稳定，高精度的跟踪是卫星间进行光通信的保障。跟踪过程中需要克服的主要问题是卫星间的相对运动和星上微振动的干扰，因此卫星的轨道和姿态控制精度对跟踪有较大的影响。根据不同的星上环境，可采用单向和双向两种不同的跟踪方式：a，单向跟踪：由一个跟踪终端上的粗瞄和精瞄装置根据卫星轨道参数进行开环

44、瞄准，而由另一个终端利用实际测量的跟踪误差，由粗瞄和精瞄装置进行补偿。单向跟踪方式对卫星的定位和姿态控制精度较高。在卫星环境条件允许的情况下，甚至可仅采用粗瞄装置来完成跟踪。例如美国的strv2星地激光通信实验系统，其星上终端就没有设置精瞄装置，而仅通过伺服电机控制粗瞄装置来完成光束跟踪。b，双向跟踪：双向跟踪时，两个光通信终端同时对来自另一个终端的光束进行跟踪，卫星光通信系统的两端都将产生瞄准角度误差且一端的瞄准精度将影响另一端的误差。两个终端均进行闭环瞄准控制。在卫星的定位和姿态控制精度较低时，必须采用双向跟踪方式。双向跟踪方式对跟踪系统的控制精度有较高的要求，当跟踪精度达不到要求时，会产

45、生跟踪误差发散的现象，最终导致通信失败。2.3 瞄准、捕获、跟踪过程概述pat系统负责完成对信号的扫描，捕获和跟踪，它贯穿于星间光通信的整个通信过程中。以a，b表示链路中需要建立星间链路的两个终端，则pat系统的主要工作流程如下图所示：图2-3 pat流程fig2-3 flow chat of pat system在链路的两颗卫星进入链路范围内以后，两星上终端的pat系统同时利用卫星轨道参数进行瞄准。实际在轨运行时，星上pat系统的设计必须考虑存在的瞄准误差，轨道误差，姿控误差，热变形误差，装配校正误差等。pat系统的捕获时间和概率取决于链路时间和通信网络要求，跟瞄精度则取决于双向跟踪收敛条件

46、和光通信系统的通信误码率要求。因此，在pat系统的设计过程中，除了系统的基本参数外，还需要考虑捕获扫描方式，跟瞄稳态误差和跟瞄对数据传输的影响等问题。2.4 瞄准，捕获，跟踪方案初步设计瞄准、捕获、跟踪系统是一个综合了光，机，电的复杂系统，实际实现的方案必须综合考虑对准精度，稳定可靠性和实现可行性等各种因素。1. 扫描方式选择捕获扫描用于卫星间光通信链路的建立和链路中断后的恢复。由于卫星存在指向不确定度，通常需要两颗链路的卫星上光通信终端进行一定方式的扫描，最终实现互相的光束捕获以进入闭环跟踪和通信过程。在卫星间光通信的捕获过程中，设卫星a上的光通信终端负责发射信标光，卫星b上的光通信终端负责

47、接受信标光。为了补偿两颗卫星的指向不确定度，捕获扫描过程应包含以下两个基本操作：1信标光扫描：补偿卫星a的指向不确定度，扫描完成的标志是信标光实现对卫星b接受天线的有效功率覆盖，扫描范围与卫星a指向不确定度和信标光束散角的大小有关。2接受天线扫描：补偿卫星b的指向不确定度，扫描完成的标志是实现了一定捕获视阈内的对卫星a信标光接收，扫描范围与卫星b指向不确定度和接收捕获视阈的大小有关。由于星上激光器功率和接收信噪比等方面的限制，信标光的束散角和接收端的捕获视阈与卫星的指向不确定度相比通常较小。因此，卫星间光通信的捕获过程要求信标光扫描和接收天线扫描两种方式相结合进行。在卫星间光通信过程中，应选择

48、最佳的扫描方式以在最短的时间内完成捕获。激光波束属于针状波束，按扫描时波束在空间的运动规律，较为典型的扫描方式有分行式扫描，螺旋扫描和分行式螺旋扫描等。在外部环境和参数相同条件下，不同的扫描方式关系到平均捕获时间的长短。一般情况下，卫星的指向角在其不确定度范围内的中心区域出现的概率较大。根据从捕获概率最大处开始扫描的基本原则，可采用的扫描方式有两种：分行式螺旋扫描和螺旋扫描，两种扫描方式在扫描过程中的轨迹如下图所示。图中的轨迹对于信标光扫描指的是信标光束中心轨迹，对于接收天线扫描的是捕获视场中心轨迹。 图2-4 a) 分行式螺旋扫描 b) 螺旋扫描fig 2-4 a) raster scann

49、ing b) spiral scanning分行式螺旋扫描的运动速率不是连续变化的，不便于连续控制，但扫描覆盖浪费较少。螺旋扫描的运动速率是连续变化的，便于进行连续运动控制，扫描覆盖浪费与分行式螺旋扫描相比较大。然而，在扫描的中心区域（即捕获概率较大区域），螺旋扫描与分行式扫描的扫描覆盖浪费基本相同。鉴于以上的考虑并结合前面的捕获扫描分析，我们采用分行螺旋扫描方式进行信标光扫描，采用螺旋方式进行接收天线扫描。2. 捕获、跟踪方案由于空间光通信的信号光束束宽非常窄，使得直接对信号光束进行捕获变得很困难，一般是先利用一个束宽较宽的信标光光束进行开始阶段的瞄准捕获，待捕获成功后，再进行进一步的瞄准，

50、进而实现跟踪。同样以a，b分别表示需要建立星间链路的两个终端。其具体的工作过程如下：a) 开始探测时，让通信双方的光收发机相对瞄准。瞄准的范围由其他测控手段决定，由于定位精度所限，双方对准程度存在一个较大的不确定范围。b) 卫星a终端打开激光信标，让其在上一步总的瞄准不确定范围内扫描。相对一方（b方）的光接收机保持在上一步的固定方向不动，即b方在a方扫描的同时采取跳步扫描的方式进行扫描，即在a端一帧扫描期间，b端处于凝视状态不动。另一帧，b端跳一步，凝视于另一角度。若b端的接收视场等于或大于不确定视场的话，则b端不必要进行扫描，只处于凝视等待状态，a端信标光的光束在扫描过程中必然会落在b端接收

51、视场内，即b端必然会接收到a端的信标光。c) b方接收到a方发来的信标后，立即由传感器确定信标光束的入射方向，输出位置误差信号，经控制器算法处理后送给驱动装置，驱动终端执行机构二维转台转动，对准a方。并调整发射天线到此方向，进入跟瞄状态，同时立即向a方发送回应通信光束，此通信光束发散角小于信标光束。考虑到光的有限传播速度及卫星的在轨速度，此通信光束应相对信标光束有一前向角。d) a端收到b端的信标光，达到一定门限后，扫描停止，a端探测器输出位置误差信号，经处理后送给万向转台控制器，驱动转台转动，进一步对准b端。e) a方b方进一步调整，从而达到捕获，对准的目的。采用以上的扫描，捕获跟踪方案的优

52、点是：1) 可以用较大功率的半导体激光器作为信标光源，这样可使信标光束的发散角进一步加大，降低瞄准捕获的难度。2) 捕获过程中，由发送信标方扫描，而对方固定不动的探测方式可降低捕获，跟踪的复杂程度。3) 通信过程中，一直利用通信光束进行闭环跟踪，可达到很高的瞄准精度。 3 光束控制方案卫星光通信要求跟瞄装置既有较大的瞄准范围还要求有较高的瞄准精度。此外，为了克服星上微振动的影响，还要求跟瞄系统具有较高的响应频率。综合考虑上述因素，跟瞄装置通常采用复合轴控制的方式以提高系统性能。采用复合轴方式控制光束，即采用具有较大瞄准范围的粗瞄装置来补偿两星间的相对运动，进行大范围跟踪，采用具有较高瞄准精度的

53、精瞄装置来补偿精瞄误差，克服高频振动干扰和补偿提前瞄准量，对粗跟踪误差进行补偿。卫星光通信系统实际在轨运行时，由于存在瞄准误差，轨道误差，姿控误差，热变形误差，装配校正误差等，两颗卫星上的pat系统需要进行天线扫描来捕获对面的信标光，主要由粗瞄控制子系统和光信号检测系统完成。两星上的pat系统捕获到对面终端的信标光之后，粗瞄装置将信标光锁定在精瞄装置的补偿范围之内，利用光信号检测系统进行复合轴跟瞄控制，同时向通信系统发出链路建立信号。跟瞄过程中，粗瞄装置负责补偿低频高幅度的角度偏差（如相对运动等），精瞄装置负责补偿高频低幅度的角度偏差（如星上振动，提前瞄准角等）。粗瞄控制子系统的任务是实时的跟

54、踪到指定的位置。粗瞄装置的机械结构主要由两个互为正交的万向节组成，水平轴和垂直轴分别由两个无刷伺服电机驱动。通过控制指令改变万向转台的转动使得望远镜光阑的法向量方向发生改变，从而达到瞄准目的。2.5 本章小结本章首先给出了卫星光通信的整体框图，然后重点分析了星间光通信中关键技术pat技术。对pat系统研究的必要性，以及pat系统的工作原理作了详细的阐述，然后分析了pat系统的工作过程，给出了pat系统设计方案。本章对于pat系统的原理分析及总体设计为下章对于pat系统中粗瞄控制子系统的研究打下了基础。第3章 粗瞄控制子系统的软硬件设计及实现3.1 粗瞄控制子系统原理卫星光通信关键技术pat技术

55、对于跟瞄系统一般采用复合轴控制的方式，即采用具有较大瞄准范围的粗瞄装置来补偿两星间的相对运动，进行大范围跟踪，采用具有较高瞄准精度的精瞄装置来补偿精瞄误差，克服高频振动干扰和补偿提前瞄准量，对粗跟踪误差进行补偿。卫星光通信中的粗瞄控制子系统具有较大的瞄准范围，用来克服由于卫星轨道运动和姿态控制引起的低频瞄准干扰分量，具体包括卫星捕获的初始化，扫描和跟踪。二维万向架是粗瞄控制子系统的执行机构，由无刷力矩电机驱动，经粗瞄子系统控制器控制完成光通信的捕获和大致跟踪。简要分析粗瞄控制子系统的工作原理如下：i. 接收到粗瞄准启动命令后，根据卫星本身的姿态和粗瞄准的最佳初始姿态之间的关系（包括粗瞄准动态范

56、围，粗瞄准捕获所需的时间等），确定是否需要调整卫星姿态；ii. 当不需要调整卫星姿态时，首先将粗瞄准调节到最佳初始状态，然后搜索目标卫星的信标光；iii. 当需要调整卫星姿态时（或由于意外摄动或姿态变化时），首先使粗瞄准系统复位，调整卫星姿态使粗瞄准系统位于最佳初始状态，然后开始搜索目标卫星的信标光。捕获目标卫星信标光（对于本地卫星而言）i. 转动二维转台的水平轴和垂直轴，使光学天线按选定的扫描方式对目标卫星进行扫描搜索，根据捕获传感器获取的光波信息，确定目标卫星的信标光是否已捕获；ii. 当捕获传感器接收到目标卫星的信标光后， 停止扫描iii. 将粗瞄准机械转动功能锁定本章将主要介绍复合轴控

57、制中粗瞄子系统的软硬件设计及实现。粗瞄控制子系统的原理框图如下：图 3-1 粗瞄控制系统原理框图fig 3-1 block of coarse pointing system粗瞄控制子系统主要包括以下几个模块：1. 控制器：采用atmel公司的at89c55作为控制器的主控单元。完成与上位机dsp和测角码盘之间的通信以及控制算法的实现。2. 无刷伺服电机系统（包括功放电路）：粗瞄控制子系统的执行机构，具有力矩系数大，过载能力强，散热条件好，没有换向火花，电磁干扰小，无需维修，可靠性高等特点，适合用于高精度伺服系统中。3. 测角系统：由ti公司的tms320f240dsp实现。3.2 控制系统设

58、计在空间光通信中，一般系统的工作平台是卫星，系统设计必须考虑系统的重量，可靠性和能耗等问题。除了采用高可靠性，低能耗的芯片和抗干扰设计外，执行机构还采用功率因数大，体积小，重量轻的无刷直流电机。软件的设计上初步采用的还是最成熟也最可靠的pid算法，以确保系统能长时间正常工作，降低维修费用。3.3 控制器硬件部分设计与实现控制器所需要实现的基本功能如下：1) 完成对转台驱动电路的电压输出2) 完成与测角码盘21位数据通信3) 完成与dsp21位数据通信4) 完成与电机17位数据通信及状态信号的传输控制器硬件系统的组成原理框图如下：图 3-2 控制器系统组成框图fig 3-2 diagram of controller整个控制系统以单片机作为核心控制单元，主要分为以下