潛望式光終端瞄準(zhǔn)誤差建模及補(bǔ)償方法研究.pdf

1、隨著信息化和網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)、體積重量小、功耗低等特點(diǎn),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(jìn)行了多項衛(wèi)星激光通信在軌試驗。
　　對于極遠(yuǎn)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(zhǔn)誤差會造成瞄準(zhǔn)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(yuǎn)鏡誤差、準(zhǔn)直光路誤差、光電碼盤誤差及精瞄機(jī)構(gòu)誤差等都是影響光終端瞄準(zhǔn)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(zhǔn)性能的影響,建立相應(yīng)的模型,可以為光終端設(shè)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(jìn)行控制,從而有效降低系統(tǒng)誤差對光終端瞄準(zhǔn)性能的影響。另外,基于這些誤差對終端瞄準(zhǔn)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(shè)計、裝調(diào)難度的前提下,通過軟件方法提高光終端的瞄準(zhǔn)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(yīng)用意義。
　　目前,衛(wèi)星光終端粗瞄準(zhǔn)機(jī)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(xiàn)進(jìn)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(dǎo)。本文針對潛望式光終端系統(tǒng)誤差進(jìn)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(zhǔn)誤差的補(bǔ)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(xì)討論光終端瞄準(zhǔn)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(zhǔn)誤差研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,對影響潛望式光終端瞄準(zhǔn)性能的系統(tǒng)誤差因素進(jìn)行分析:潛望式光終端存在的系統(tǒng)誤差來源于機(jī)械、光學(xué)和電子學(xué)的誤差,本論文將針對這些系統(tǒng)誤差進(jìn)行分析和建模;在對光機(jī)電系統(tǒng)誤差間的相互耦合特性進(jìn)行研究的基礎(chǔ)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(zhǔn)誤差補(bǔ)償方法。本文主要工作如下:
　　1.研究潛望式光終端機(jī)械

5、軸系誤差對光束指向精度的影響。基于幾何光學(xué)理論及潛望式光終端光學(xué)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(zhǔn)精度的影響進(jìn)行研究,建立潛望式光終端機(jī)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(jìn)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(yùn)行中,光終端光學(xué)器件的位置安裝誤差將造成光終端發(fā)射光軸與機(jī)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(diǎn),本文將分析粗瞄機(jī)構(gòu)平面鏡誤差、望遠(yuǎn)鏡誤差、準(zhǔn)直光路誤差等發(fā)射光軸誤差對光終端瞄準(zhǔn)性能的影響。根據(jù)發(fā)射光軸與機(jī)械軸系相互作用特點(diǎn),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(zhǔn)性能影響的變化規(guī)律,并進(jìn)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(zhǔn)性能的影響。電子學(xué)系統(tǒng)是實現(xiàn)光終端精確指向的執(zhí)行機(jī)構(gòu),其系統(tǒng)誤差將造成光終端瞄準(zhǔn)誤差。本文將

7、根據(jù)光通信終端粗精復(fù)合的控制結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分別對潛望式光終端粗瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)中光電碼盤刻劃誤差和定向誤差,以及精瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)定位角誤差對光終端瞄準(zhǔn)性能的影響進(jìn)行研究。
　　4.對潛望式光終端光機(jī)電等系統(tǒng)誤差間的相互作用特性進(jìn)行研究,建立潛望式光終端的系統(tǒng)誤差模型。對機(jī)械軸系誤差、光學(xué)軸系誤差以及粗精瞄機(jī)構(gòu)誤差間的相互耦合特性進(jìn)行研究;在此基礎(chǔ)上,將根據(jù)已獲得的潛望式光終端機(jī)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(xué)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(zhǔn)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(diǎn),給出粗瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)補(bǔ)償方法和精瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)補(bǔ)償方法。
　　5.對本文提出的潛望式光終端的瞄準(zhǔn)誤差補(bǔ)償方法進(jìn)行實驗驗證。對潛望式光終端瞄準(zhǔn)誤差進(jìn)行測量,利用本文提出的潛望式光終端粗瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)/精瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的瞄準(zhǔn)誤差補(bǔ)償方法,對潛望式光終端的瞄準(zhǔn)誤差進(jìn)行補(bǔ)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