卫星光通信粗瞄控制系统的设计及故障诊断

论文摘要

卫星间激光通信是未来卫星通信技术的重要发展方向,它在较为复杂的空间环境中进行,信号光束窄,传输距离长,给链路的建立和保持造成极大的困难。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技术是激光通信链路建立和保持的关键技术。本文以哈尔滨工业大学航天学院承担的“中继卫星间链路技术”课题为背景,研究设计了PAT系统中的粗瞄控制系统。首先对卫星光通信研究的背景和意义进行综述,分析比较了国内外卫星光通信技术的研究现状和进展。此外,详细阐述了PAT系统的重要性和工作原理,并给出其总体设计结构。其次对粗瞄控制系统的各个功能单元作了全面介绍,提出了系统的控制方案,包括带积分分离和输出限幅的PID控制算法选取,用频率响应法求解被控对象的数学模型以及按照典型Ⅰ型和Ⅱ型系统模型分别对速度环和位置环进行设计等。在此基础上,对粗瞄控制系统进行相关的仿真实验,同时给出了响应曲线。此外,单独详细介绍了控制器单元的软硬件设计,还用试凑法对整个系统进行参数整定,取得了较好的控制效果。最后用故障树分析法对粗瞄控制系统的故障诊断问题作了研究。以电机转动异常这一典型故障为顶事件建立了故障树,并运用数学方法对其进行定性和定量分析。应用表明,故障树分析法用于粗瞄控制系统的故障诊断是可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国外卫星光通信的研究现状
• 1.3 国内卫星光通信的研究现状
• 1.4 卫星光通信中PAT 技术的研究现状
• 1.5 本文的主要工作和内容安排
• 第2章 PAT 系统的工作原理和总体设计
• 2.1 瞄准、捕获和跟踪的概念
• 2.2 PAT 系统研究的重要性
• 2.3 PAT 系统的工作原理
• 2.4 PAT 系统的总体设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 粗瞄控制系统的设计及仿真
• 3.1 粗瞄控制系统的性能指标
• 3.2 粗瞄控制系统的功能单元设计
• 3.2.1 中位机单元
• 3.2.2 测角单元
• 3.2.3 驱动单元
• 3.3 粗瞄控制系统的控制方案设计
• 3.3.1 PID 控制算法
• 3.3.2 被控对象数学模型
• 3.3.3 速度环设计
• 3.3.4 位置环设计
• 3.4 粗瞄控制系统的仿真
• 3.5 本章小结
• 第4章 控制器单元的软硬件设计及调试
• 4.1 控制器单元的功能
• 4.2 控制器单元的硬件设计
• 4.2.1 单片机和存储器扩展电路
• 4.2.2 时钟电路和复位电路
• 4.2.3 通信接口电路
• 4.2.4 D/A 转换电路
• 4.2.5 其他电路
• 4.3 控制器单元的软件设计
• 4.3.1 主程序模块
• 4.3.2 定时器中断程序模块
• 4.3.3 外部中断程序模块
• 4.3.4 运算子程序模块
• 4.4 控制器单元的调试
• 4.4.1 软硬件调试
• 4.4.2 控制参数整定
• 4.5 本章小结
• 第5章 粗瞄控制系统的故障诊断
• 5.1 故障树分析法
• 5.1.1 常用的故障树术语和符号
• 5.1.2 故障树分析的步骤
• 5.2 故障树的建造
• 5.3 故障树的定性分析
• 5.3.1 结构函数确定
• 5.3.2 最小割集求解
• 5.4 故障树的定量分析
• 5.4.1 最不可靠割集求解
• 5.4.2 顶事件发生概率计算
• 5.4.3 底事件重要度计算
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢