潛望式光終端瞄準誤差建模及補償方法研究.pdf

1、隨著信息化和網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對于高數(shù)據(jù)率衛(wèi)星信息傳輸?shù)男枨蟛粩嘣黾?。衛(wèi)星光通信技術(shù)具有通信容量大、保密性高、抗干擾能力強、體積重量小、功耗低等特點,將逐漸成為未來高速衛(wèi)星通信組網(wǎng)的核心技術(shù)之一。美國、歐洲、日本及中國等國相繼開展了衛(wèi)星光通信領(lǐng)域研究,已進行了多項衛(wèi)星激光通信在軌試驗。
　　對于極遠的通信距離(幾千至上萬公里)、極窄的發(fā)射光束束散角而言,微小的瞄準誤差會造成瞄準不確定區(qū)域增加,終端捕獲時間增加,從而降低建立鏈

2、路的捕獲概率,甚至造成光通信鏈路建立失敗。在衛(wèi)星光通信終端中,軸系誤差、平面鏡誤差、望遠鏡誤差、準直光路誤差、光電碼盤誤差及精瞄機構(gòu)誤差等都是影響光終端瞄準精度的系統(tǒng)誤差因素。通過研究這些系統(tǒng)誤差對光終端瞄準性能的影響,建立相應的模型,可以為光終端設計中的誤差分配提供理論依據(jù),同時可以對光終端裝調(diào)過程中的關(guān)鍵誤差項進行控制,從而有效降低系統(tǒng)誤差對光終端瞄準性能的影響。另外,基于這些誤差對終端瞄準的影響模型,可以獲得光終端系統(tǒng)誤差模型,在

3、不增加系統(tǒng)設計、裝調(diào)難度的前提下,通過軟件方法提高光終端的瞄準精度。因此,對這些光終端系統(tǒng)誤差的研究具有重要的理論價值和實際應用意義。
　　目前,衛(wèi)星光終端粗瞄準機構(gòu)主要分為經(jīng)緯儀式和潛望式兩種結(jié)構(gòu),經(jīng)緯儀式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)誤差已有文獻進行了相關(guān)研究,而潛望式結(jié)構(gòu)光終端系統(tǒng)誤差的相關(guān)研究尚未見報導。本文針對潛望式光終端系統(tǒng)誤差進行研究,建立合理的誤差矩陣模型,并基于該模型給出光終端瞄準誤差的補償方法。
　　論文首先分析國內(nèi)外衛(wèi)星激

4、光通信技術(shù)研究現(xiàn)狀;詳細討論光終端瞄準誤差對通信鏈路捕獲概率和捕獲時間的影響;在分析光終端瞄準誤差研究現(xiàn)狀的基礎上,對影響潛望式光終端瞄準性能的系統(tǒng)誤差因素進行分析:潛望式光終端存在的系統(tǒng)誤差來源于機械、光學和電子學的誤差,本論文將針對這些系統(tǒng)誤差進行分析和建模;在對光機電系統(tǒng)誤差間的相互耦合特性進行研究的基礎上,建立潛望式光終端系統(tǒng)誤差模型;最后,提出潛望式光終端瞄準誤差補償方法。本文主要工作如下:
　　1.研究潛望式光終端機械

5、軸系誤差對光束指向精度的影響。基于幾何光學理論及潛望式光終端光學特性,分別對潛望式光終端方位軸靜態(tài)軸系誤差、方位軸動態(tài)軸系誤差、俯仰軸靜態(tài)軸系誤差和俯仰軸動態(tài)軸系誤差對光終端瞄準精度的影響進行研究,建立潛望式光終端機械軸系誤差對光束指向精度影響的理論模型,并根據(jù)這些模型進行了仿真分析。
　　2.研究潛望式光終端發(fā)射光軸誤差對光束指向精度的影響。在實際運行中,光終端光學器件的位置安裝誤差將造成光終端發(fā)射光軸與機械軸之間存在一定的夾角

6、,且該夾角隨著姿態(tài)角度的變化而變化。針對潛望式光終端的結(jié)構(gòu)特點,本文將分析粗瞄機構(gòu)平面鏡誤差、望遠鏡誤差、準直光路誤差等發(fā)射光軸誤差對光終端瞄準性能的影響。根據(jù)發(fā)射光軸與機械軸系相互作用特點,建立潛望式光終端發(fā)射光軸誤差理論模型,給出這些誤差對終端瞄準性能影響的變化規(guī)律,并進行仿真分析。
　　3.研究潛望式光終端粗精瞄定位角誤差對光終端瞄準性能的影響。電子學系統(tǒng)是實現(xiàn)光終端精確指向的執(zhí)行機構(gòu),其系統(tǒng)誤差將造成光終端瞄準誤差。本文將

7、根據(jù)光通信終端粗精復合的控制結(jié)構(gòu)特點,分別對潛望式光終端粗瞄準機構(gòu)中光電碼盤刻劃誤差和定向誤差,以及精瞄準機構(gòu)定位角誤差對光終端瞄準性能的影響進行研究。
　　4.對潛望式光終端光機電等系統(tǒng)誤差間的相互作用特性進行研究,建立潛望式光終端的系統(tǒng)誤差模型。對機械軸系誤差、光學軸系誤差以及粗精瞄機構(gòu)誤差間的相互耦合特性進行研究;在此基礎上,將根據(jù)已獲得的潛望式光終端機械軸系誤差模型、發(fā)射光軸誤差模型及粗精瞄定位角誤差模型,提出一種基于幾何

8、光學的穩(wěn)定性高,系數(shù)相關(guān)性弱、具有明確物理意義、適用于潛望式光終端瞄準誤差修正的光終端系統(tǒng)誤差模型;最后結(jié)合潛望式光終端特殊的結(jié)構(gòu)特點,給出粗瞄準機構(gòu)補償方法和精瞄準機構(gòu)補償方法。
　　5.對本文提出的潛望式光終端的瞄準誤差補償方法進行實驗驗證。對潛望式光終端瞄準誤差進行測量,利用本文提出的潛望式光終端粗瞄準機構(gòu)/精瞄準機構(gòu)的瞄準誤差補償方法,對潛望式光終端的瞄準誤差進行補償。利用該實驗測試結(jié)果證明本文所提出的潛望式光終端系統(tǒng)誤差