激光通信APT系统的研究与设计

论文摘要

空间激光通信是一种极具发展前景的通信方式,它可以广泛地应用于民用通信和军用通信的各种场合。捕获、瞄准和跟踪(APT)系统是实现无线激光通信终端之间精准定位的关键系统,在无线激光链路的建立过程中起着至关重要的作用。本文主要研究对象是用于卫星间激光通信的APT技术和系统。在通信链路建立之前,APT系统首先执行捕获步骤。本文从卫星轨道出发,建立了用于确定通信双方卫星相对位置的模型,并推导出卫星方位角和俯仰角的计算式。这样就极大地缩小了捕获过程的不确定区域,有利于实现快速捕获过程。本文提出了一种收发合一的光路设计,采用这种设计的系统共用一套光学天线进行光束接收和发送,减小了系统的体积和重量。同时该光路设计为跟瞄过程合一提供了实现途径,APT系统完成跟踪过程的同时也实现了光束瞄准。在跟踪系统的设计方面,本文采用了粗精双跟踪环结构设计。使用大视场电荷耦合器件(CCD)作为粗跟踪探测器,四象限探测器(QD)则作为精跟踪探测器,能够发挥它们各自在视场和速度方面的优势。在精跟踪控制环路中使用非机械式的声光偏转器对光束实现快速、精确的角度控制,可以获得很高的控制带宽。稳态性能和动态性能通常是控制系统的一对矛盾性能指标,寻找协调稳态与动态性能的折中方案是本文最终目标。本文从理论上对粗精跟踪系统进行性能分析,得出增大精、粗跟踪环带宽比能够提高控制系统误差抑制能力,改善系统稳定性的结论。最后,以微控制器(MCU)为核心器件设计并着手搭建实验室条件下的APT演示系统,对APT演示系统测试结果进行分析并提出若干系统改进方法。

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1 绪言

1.1 空间光通信概述

1.2 空间光通信系统中APT 技术意义

1.3 空间光通信技术的国内外发展状况

1.4 本文内容结构

2 空间光通信系统的组成和关键技术

2.1 激光器（光源）

2.2 光学中继系统

2.3 发射/接收天线

2.4 调制系统与调制方法

2.5 探测器与探测方法

3 APT 系统执行步骤和关键参数

3.1 APT 系统执行步骤

3.2 APT 系统的关键参数

3.3 卫星轨道计算

4 跟踪系统的设计

4.1 APT 系统光路设计

4.2 粗跟踪系统设计

4.3 精跟踪系统设计

5 APT 系统性能分析

5.1 系统的稳定性

5.2 系统动态性能

5.3 系统稳态性能

5.4 双环控制结构分析

6 APT 演示系统

6.1 APT 演示系统的结构

6.2 位移平台及步进电机驱动

6.3 演示系统控制单元硬件设计

6.4 演示系统控制单元软件设计

6.5 系统性能测试与分析

7 总结

致谢

参考文献

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