空间激光通信捕获、对准、跟踪系统动态演示实验

捕获、对准、跟踪(APT)系统是空间激光通信重要组成部分,是通信正常进行的前提与保障。对APT系统组成原理、工作原理、关键技术、系统设计、工程实现等内容进行了详细的研究,在此基础上开展室内模拟实验及野外演示验证实验。室内模拟实验跟踪精度达到2~3μrad,表明本系统可应用在星间激光通信中。野外双端动态演示实验在飞艇-船舶间进行,结果表明系统捕获概率优于95%,捕获时间小于60s,系统跟踪精度由于受到大气湍流影响而降低,多次实验测试表明在湍流中跟踪精度达到5~25μrad。APT系统的成功研制为空间激光通信顺利进行奠定了基础。     

基于合作信标的卫星激光通信瞄准捕获仿真系统

针对星间激光通信基于合作激光信标的瞄准与捕获过程,在LabVIEW(虚拟仪器)平台上研制了一套瞄准与捕获仿真系统。该系统模拟卫星轨道姿态动力学,建立双星指向关系,仿真双自由度转台初始对准。根据不确定区域大小,驱动信标激光进行螺旋扫描,根据信标光束散角及探测器视场,确定仿真捕获点以完成捕获。加入含有高斯噪声的最大速度为1°/s,最大加速度为1°/s2的等效正弦扰动进行了动态捕获实验。最终实现了同步轨道卫星和近地轨道卫星间动态双星激光通信瞄准与捕获仿真,形成了基于虚拟仪器的激光通信全过程仿真模式,为跟踪系统仿真及无信标捕获的仿真奠定了基础。     

基于伺服控制的水下光动态通信捕获跟踪系统设计

基于空间光通信捕获、对准、跟踪技术的基本理念,笔者设计了一套基于伺服控制的水下无线光动态通信捕获跟踪系统,提出了基于跟踪微分器的电机加减速控制技术,设计了转台粗、精跟踪策略。在此基础上,笔者开展仿真验证、室内模拟测试及水下激光光斑捕获跟踪实验。仿真验证结果表明了该系统与算法策略在原理上的可行性;室内模拟测试方位、俯仰跟踪精度分别为0.08 mrad和0.27 mrad,这表明可将本系统应用于水下无线光动态通信;水下激光光斑捕获跟踪实验结果表明系统的捕获概率优于99%,捕获时间少于9 s,水箱施加扰动前后的跟踪精度分别为0.6 mrad和2 mrad。本文为后续开展水下无线光动态通信技术研究提供了一种技术方法和研究思路。     

自由空间激光通信捕获控制系统

为了完成快速高概率的捕获,设计并构建了自由空间激光通信捕获控制系统,主要由主控计算机、GPS/INS捷联导航系统、数传电台和控制软件等部分组成.主控计算机采用嵌入式操作系统Windows CE,控制系统采用多线程同步技术和事件驱动方式处理多个通信串口的数据,减少了处理数据的延迟时间;同时,系统采用快速高精度指向算法,实现高精度的粗对准;使用复合光栅螺旋扫描方式和可对速度补偿的捕获算法,减少了捕获时间,提高了捕获概率.基于野外试验数据对捕获控制系统性能进行分析评估.结果表明,系统指向误差小于1°,捕获时间小于30 s.目前,该系统已经研制完成并投入使用,效果良好.     

光电目标快速捕获系统设计及其实验研究

在空间光通信系统中,终端平台目标光的捕获技术是通信链路建立的一项关键技术。考虑到传统的扫描捕获方式,系统捕获概率低、且耗时长,不利于通讯系统链路建立,因此提出采用GPS 进行目标快速定位,搭配水平和俯仰基准传感器,利用GSM 网进行无线传输,进而辅助APT 系统完成目标捕获的终端技术,并建立了目标快速捕获系统。基于该系统开展了多项实验研究,结果表明:对于固定点捕获,概率可达100%;对于模拟目标运动捕获,当模拟转速增大时,捕获平均时间增大,捕获概率降低,但仍然能维持在60%之上;对于低速动态捕获,也能较好地完成系统链路建立需求。     

动态环境下数字化DS/BPSK接收机捕获电路

提出了一种全数字化扩频序列捕获电路,建立了接收机动态环境下捕获电路的数学模型,分析了多普勒频移、伪码相位差和信号载噪比对电路捕获性能的影响.提出了一种提高电路捕获性能的改进方案.分析表明改进后的捕获电路具有检测概率高和虚警概率低的特点,可有效地缩短电路的平均捕获时间.     

地面天线目标捕获技术分析

针对空中机动平台与地面站宽带通信中的目标捕获问题,提出了地面天线目标捕获概率和捕获时间的计算方法。在数学建模的基础上,分析了不同天线扫描方式、扫描速度、飞机飞行状态的参数选择对捕获概率和捕获时间的影响,推导了其捕获概率的计算公式。仿真结果表明：初始捕获阶段,光栅扫描的捕获概率和捕获时间都明显优于螺线扫描;而在失锁重捕阶段,螺线扫描的捕获概率更高,且不受扫描速度的影响。该仿真结果已在工程设计中应用。     

基于分段相关-视频积累方法的伪码串行捕获优化设计

本文主要针对载波多普勒下的伪码捕获问题,研究了基于分段相关-视频积累方法的伪码串行捕获系统的优化设计.通常的优化设计为假设峰值点的伪码相位偏差为0.但对于实际的捕获系统,由于接收到的伪码相位与本地伪码相位关系随机,在串行搜索过程中过门限值的伪码相位残差可能不为0,从而对捕获性能产生影响.本文主要分析伪码相位偏移残差对峰值点的信噪比和检测概率的影响,并给出了最大伪码相位偏移残差下的平均捕获时间表达式.同时基于平均捕获时间最小准则,给出了搜索步进推荐值.对虚警概率指定和未指定两种情况分别进行了优化设计,得到了最优的中频积累和视频积累设计值,该设计值与载噪比、多普勒容限等因素相关.研究成果可用于指导扩频接收机伪码捕获模块的设计.     

基于信号估计的扩频测控信号快捕方法

为进一步提高扩频测控系统的捕获速度,研究了借助辅助序列估计伪码相位的方法,分析了该估计算法的精度。针对该算法在高动态条件下估计偏差较大引起捕获概率骤降的问题,提出引入最大似然频偏估计修正相干载波的方法,显著提高捕获概率。设计了基于码相位估计和载波频率估计的快速捕获算法,仿真结果表明,该算法在载噪比较好的情况下可以有效完成捕获。为提高算法在较低载噪比时捕获的可靠性,提出将估计值作为部分匹配滤波辅助快速傅里叶变换( PMF-FFT )初值的综合捕获方法,与传统捕获方法相比,平均捕获时间显著降低,且并没有带来硬件复杂度的提高,具有一定的理论意义和工程应用价值。     

基于FFT的GPS信号二维大规模并行捕获

GPS接收机中信号捕获通过粗略调整本地复制信号的码相位和载波频率与卫星信号同步.信号捕获实际上一个二维的搜索过程,其主要挑战是计算复杂度.基于FFT的二维并行捕获方法,可以一次搜索整个二维不确定空间,在减少计算复杂度的同时提高了捕获性能.仿真结果表明,采用35 ms的捕获时间可以90%概率捕获到载噪比为34 dB-Hz的卫星信号.     

GPS/INS技术在静态激光通信初始捕获中的应用

为了实现水平远距离大气无线激光通信链路快速建立,并快速获得捕获不确定区域的大小,采用了GPS/INS组合导航系统来完成静态水平链路无线激光通信初始捕获的对准定位,同时对该系统的对准算法进行了研究并优化。首先,分析了GPS/INS工作原理,根据捕获过程,提出针对该过程的捕获模型,并且分析了该模型的可行性。接着,针对该模型提出相应的静态初始对准算法。然后,通过该算法进行了外场实验。最后,根据实验结果校正捕获模型与其算法,经实验获得了捕获不确定区域的大小为27 mrad。基本满足10 km水平链路大气无线激光通信初始捕获的基本要求,其特点为捕获速度较快,其捕获速度优于10 s,基本不受天气影响。     

市内建筑间无线光通信GPS辅助单向捕获研究

为减小无线光通信链路建立时间及增加系统捕获可靠性,提出将GPS技术应用于光通信实验系统中。以TMS320F2812为控制核心,搭建了无线光通信定点单向捕获实验系统。系统采用用户界面统一控制,双方GPS坐标手工输入至用户界面,解算出需调整的方位及俯仰角后送于F2812,驱动二维转台完成初始捕获,据此选择多点进行了多次单向初始捕获实验。结果表明,采用GPS导航定位技术,可快速实现信标光的初始捕获,且具有较高的捕获成功概率。     

星间光通信无信标捕跟瞄技术

无信标捕跟瞄技术以通信光为信标光,无需额外的信标光激光器,在重量和功耗受限的卫星光通信应用中更具优势。针对低轨小卫星平台星间光通信,对直接探测方式下的捕跟瞄链路进行功率预算分析,研究光通信终端的无信标捕跟瞄技术,设计捕跟瞄流程,并深入分析视轴抖动对捕获时间和捕获概率的影响,提出剩余不确定区域计算方法。结果表明:所设计的无信标捕跟瞄方法所需最大激光发射功率为0.135 W,捕获时间为30 s,捕获概率为95%,能够满足低轨星间光通信链路要求。     

Modified Unscented Kalman Filter for a Multirate INS/GPS Integrated Navigation System

Instead of the extended Kalman filter, the unscented Kalman filter (UKF) has been used in nonlinear systems without initial accurate state estimates over the last decade because the UKF is robust against large initial estimation errors. However, in a multirate integrated system, such as an inertial navigation system (INS)/Global Positioning System (GPS) integrated navigation system, it is difficult to implement a UKF‐based navigation algorithm in a low‐grade or mid‐grade microcontroller, owing to a large computational burden. To overcome this problem, this letter proposes a modified UKF that has a reduced computational burden based on the basic idea that the change of probability distribution for the state variables between measurement updates is small in a multirate INS/GPS integrated navigation filter. The performance of the modified UKF is verified through numerical simulations.     

大气激光通信机的光学模型和物理实现研究

将光学理论应用到大气激光通信机设计中，提炼出大气激光通信机的发射和探测过程的光学理论模型，提炼推证了半导体激光器远场发射、准直发射和接收透镜探测损耗的公式，提炼推证了准直激光焦面探测爱里斑公式及对应的质心运算和质心评价公式。设计了和上述推证相关的光学天线和分光镜等。设计了光学天线分辨率、CCD捕获分辨率、通信分辨率、伺服系统分辨率等和系统精度相关的参数。     

一种基于DSP／BIOS的跳频控制系统设计

跳频通信由于其优良的抗干扰特性而成为当今军事通信的重要方式,跳频同步是跳频通信系统的关键技术之一,跳频控制系统的设计在整个通信系统中占有重要的位置。介绍了一种利用GPS信号来进行跳频同步的方法,对TOD、跳频图案等进行了相关设计;并详细介绍了工程研制项目中的实现过程,主要采用基于DSP／BIOS的方法来具体实现跳频控制系统。试验表明该设计可以做到快速、有效的跳频控制,该系统也在实际应用中发挥了重要作用。     

最佳屏蔽二进制序列偶在GPS系统的应用

在GPS通信系统的弱信号状态下,相关噪声的效应对系统的影响重大。利用最佳屏蔽二进序列偶(PPB-SP)良好的循环自相关特性和低相关噪声特性,把它引入到GPS系统中,代替原来的C/A码作为扩频伪码,建立一个GPS信号发生和信号捕获系统。对最佳屏蔽二进序列偶进行仿真分析,仿真结果表明,在使用最佳屏蔽二进序列偶的GPS系统中,有着良好的相关噪声和检测概率。     

无信标星间激光通信系统粗精复合扫描方法

无信标星间激光通信系统无需额外设置信标光组件,直接采用小束散角的信号光进行瞄准捕获跟踪,有利于降低终端的质量、体积、功耗和制造成本等重要指标,满足商业航天和低轨卫星空间激光网络的发展要求。为了克服现有无信标激光通信系统扫描时间长、捕获难度大的问题,综合考虑星上姿态变化、测量精度和终端安装定位误差等因素,对扫描不确定域进行了数值计算,设计了无信标扫描捕获流程,定量分析了粗精扫描机构控制带宽、扫描步长、规划路径与光束覆盖面积的耦合关系,提出了一种简单可靠的无信标粗精复合螺旋扫描方法。典型环境仿真结果表明,采用所提方法平均扫描捕获时长小于20 s,捕获概率大于95%,有效提升了无信标系统的扫描效率,可满足未来低轨卫星空间激光网络的快速建链要求。     

非限幅QPSK类正弦调制大气激光通信系统的性能研究

提出了一种非限幅四相相移键控(QPSK)类正弦调制技术,并将其运用到大气激光通信系统中。介绍了大气激光通信信道模型,给出了非限幅QPSK类正弦调制的大气激光通信系统模型。在此基础上,对采用非限幅QPSK类正弦调制和采用直流偏置副载波强度调制的大气激光通信系统在无湍流和弱湍流信道下的功率利用率、误码率、中断概率和信道容量进行了分析和比较。结果表明,非限幅QPSK类正弦调制具有更好的抗噪声性能、更高的功率利用率、较低的中断概率及较高的信道容量,提高了大气激光通信系统的性能,可满足大气激光通信系统的需要。