卫星光通信中耦合运动对光信号跟踪影响分析

光通信终端与卫星平台的耦合运动是影响卫星光通信系统光信号跟踪性能的重要因素。以铱星系统星间链路为例,建立了卫星光通信终端与卫星平台相互耦合运动的数学模型,并进行了数值仿真。理论分析及仿真结果表明:卫星光通信终端与卫星平台相互耦合运动使系统粗跟踪误差增大,方位轴、俯仰轴最大误差分别为94μrad和98μrad,超过精瞄系统补偿范围。为确保星间激光链路通信性能,提出了光束粗跟踪控制补偿算法,并进行了相应的仿真实验,仿真结果表明:补偿后的控制算法将方位轴、俯仰轴最大跟踪误差降低为37μrad和41μrad,符合精瞄系统补偿要求,保证了系统跟踪性能。该结果对今后小卫星星座激光组网具有一定的指导意义。     

星间激光通信机光轴指向误差源分析与补偿控制

针对星间激光通信机后光路各光学元件存在的安装误差导致的光轴指向偏差，细化了激光通信机光学系统中各元件的误差矩阵，并采用矩阵光学方法提高分析精度，通过蒙特卡洛法模拟了总体误差情况，定量分析了各光学元件安装误差对光轴指向精度的影响。为了校正存在的固定安装误差，提出了基于误差校正矩阵的补偿方案。在不测量元件具体误差的情况下，通过相机处光斑质心坐标，反推入射光矢量方向，计算得到误差校正矩阵，对跟踪机构的转动角度进行补偿，显著降低了安装误差对光轴指向精度的影响，并在实机进行了粗跟踪误差校正矩阵修正安装误差的实验验证和全角度推广。结果表明，误差校正矩阵可以在难以测量后光路内部各光学元件误差的情况下，补偿系统安装误差，实现对后光路光轴指向误差的校正，大大简化了地面误差修正的流程，同时节约了在轨通信机跟踪指向运算资源，提高跟踪响应频率。     

ULE?叠层反射镜二维等效建模方法研究

ULE~?叠层反射镜是实现大口径、低面密度、高刚度空间反射镜的有效途径。为提高ULE~?叠层反射镜设计效率,文章基于蜂窝夹芯结构均质板等效理论,推导了叠层反射镜二维等效模型建模方法,利用有限元法计算二维等效模型自由模态频率,对比详细模型计算结果,验证等效模型计算精度,并结合设计实例验证该二维等效模型在叠层反射镜优化设计中的有效性。分析结果表明,叠层反射镜面密度大于40kg/m~2时,二维等效模型模态频率计算误差优于4%,满足优化设计精度要求。文章提出的叠层反射镜二维等效建模方法大幅缩减叠层反射镜有限元模型规模,实现叠层反射镜有限元模型高度参数化,有效提高了叠层反射镜设计效率。     

空间温度场对平面反射镜面形影响研究

基于传热学基本理论,给出了潜望式激光通信终端二维转台在轨运行过程中的传 热控制方程,分析了二维转台的温度场分布,得出了不同材料反射镜在轨运行过程中温度场 随时间变化规律和升交点时刻的热形变分布。分析过程中二维转台外表面采取氧化处理,没 有采用其他温控措施,分析结果表明,对于四种不同材料反射镜,激光通信终端在轨运行一 个轨道周期的时间内,SiC材料温度波动范围最小,并且温度不均匀性也最小,因此SiC材料 是潜望式激光通信终端反射镜的可选材料。对于SiC反射镜,升交点时刻俯仰轴反射镜的温 度不均匀性最大,达到0.93℃。反射镜采用椭圆周上六点螺钉固定的方式时, 俯仰轴反射镜面形RMS值达到2.25μm,这将对光束指向产生影响,进而影响系统性能。 本文的研究内容对潜望式激光通信终端反射镜材料选择和温控措施的采取有一定参考价值。
     

空间激光通信系统光斑小目标跟踪算法研究

在空间激光通信链路中，大气湍流、结构设计误差、平台扰动等因素为链路的精确对准和精密跟踪带来了困难。为提高激光链路的跟踪精度，首先对光斑跟踪过程中的影响因素进行研究分析，继而对跟踪算法做出改进。针对跟踪目标特性，设计了一种自适应模板目标相关跟踪算法，并搭建了基于粗精复合轴跟踪系统的实验平台，开展了实验验证。结果表明：与当前常用跟踪算法相比，该设计处理速度可达 1 kfps，目标跟踪位置与真实位置基本重合，目标跟踪准确率高于98%，在处理速度、跟踪准确率与算法鲁棒性上均有较大提升，具有一定的实用性。     

空间激光通信系统中的信道纠错编码技术

由于空间激光通信系统的信道状态和链路捕获跟踪的不确定性,多种形式的信道纠错编码技术正被广泛发展研究。结合空间激光通信链路中误码性能的主要影响因素,分别选择合适的编码方案进行分析。通过仿真实验可知,对于在大气结构参数为1.5×10~(-14) m~(-2/3)、风速为20 m/s的空地激光链路的环境下,在系统数据速率为2 Gbit/s、要求误码率为10~(-6)时,LDPC码结合交织码相对未编码系统有3 dB的等效编码增益,LT码相对未编码系统有3.8 dB的等效编码增益。提供了一种能快速生成、扩展和校验的编码和交织实现方法,以抵抗大气湍流的快速变化对系统性能产生的影响。     

基于激光实时跟踪测量的航天器编队相对位置测量方法

为了解决编队航天器间相对位置的高精度测量，实现航天器编队自主飞行，提出基于激光实时跟踪测量航天器间相对位置的测量定位方法，建立了航天器间相对位置测量的数学模型。该测量方法在直角坐标系下用Hill方程建立编队航天器相对运动模型，得出航天器相对运动轨迹的解析解，在极坐标系下建立航天器间相对位置的激光跟踪测量模型，将激光跟踪测量系统的测量值转换到直角坐标系，对转换误差进行去偏差补偿，利用卡尔曼滤波方法进行数据处理，以提高航天器间的相对位置测量精度。仿真结果表明，若对于测距精度为5厘米，测角精度为0．1度的激光跟踪测量系统，采用去偏差转换测量卡尔曼滤波方法，航天器空间相对位置精度可达到厘米量级。     

高效率远距离激光无线能量传输方案设计

为了提高激光传能的电到电转化效率,文章设计了一种激光传能系统,采用相位阵列提高光束接收端光强分布的均匀度同时提高激光发射端与光束接收端之间的瞄准精度,优化了光电池排列设计,增大了光电池对激光束的接收效率及光电转换效率,从而提高了激光传能的电到电转换效率。     

晃动基座下正向-正向回溯初始对准方法

针对传统方式需要对准时间长的问题，提出一种晃动基座下正向-正向回溯初始对准方法，实现了快速初始对准的目的。首先，给出了导航惯性系粗对准的基本原理，分析了导航惯性系粗对准在回溯过程中的作用。其次，对捷联惯导系统初始对准过程进行了深入的研究，利用导航惯性系建立精对准系统误差模型，将晃动基座时变姿态误差角估计问题转换为时不变姿态误差角估计问题，进而为正向-正向回溯对准奠定了理论基础。在此基础上，详细分析了正向-正向回溯对准的基本原理和设计方法。最后，通过设计仿真实验，验证了本文设计的对准方法可以在303 s内实现晃动基座上航向误差优于0.1°的对准精度。试验结果表明，本文提出的方法具有计算效率高、对准时间短、对准精度高的优点。     

一种星载应答机接收信号快速同步技术

讨论一种星用调相模式应答机信号的快速捕获和跟踪方法。该方法通过4096点FFT运算能够快速地对载波的多普勒频偏进行估计,实现高动态下载波的粗同步,并通过二阶锁频环和辅助二阶锁相环实现载波的精密跟踪。测试表明,该应答机在载波捕获门限为-118dBm、多普勒变化范围为-115~ 115kHz、多普勒变化率为32kHz/s的高动态、低信噪比情况下,能在1s内快速完成接收信号的捕获和跟踪。     

地面对量子卫星信号捕获及粗跟踪过程的仿真研究

考虑在轨运动过程中地面载荷安装角度不同的情况下,推导出地面接收端接收到的方位角和俯仰角随时间变化曲线转换的计算过程。为了直观地显示量子定位中捕获、跟踪与定位(ATP)系统建立光链路的过程,利用专业的星地链路分析软件STK(Satellite Tool Kit)进行三维动画仿真,并将动画和ATP系统的输入信号、捕获过程、粗跟踪过程结果集成在Matlab的GUI中。为后续精跟踪系统量子定位系统中的控制器设计和仿真研究提供了条件。     

基于轨道角动量的星间激光通信技术

介绍了将轨道角动量（orbital-angular-momentum, OAM)）作为新复用维度的星间激光通信系统设计。轨道角动量理论上具有无限种模态且各模态间两两相互正交,这意味着基于OAM复用的通信系统可大幅度提高频谱效率和信道容量。分别对星间激光链路的发射机和接收机的实现架构进行了介绍,发端采用无衍射贝塞尔-高斯光束进行编码、调制和OAM多路复用;收端利用具有与发端相反的螺旋相位移除OAM光束的方位角相位以恢复光束的平面相位波前,并通过光电探测器、解调器和译码器来恢复数据。此外,还分析了多普勒频率、卫星摆动和背景噪声等因素对于系统的影响。提出的基于OAM技术的星间激光收发系统设计方案对于未来大容量星间通信系统设计与实现具有重要意义。     

一种深空再生复合伪码测距信号的自适应捕获跟踪技术

再生复合伪码非常适合于深空测距。分析了复合伪码的相关特性和典型伪码跟踪环的结构,提出了一种通过相位误差过零检测进行码环带宽自适应调整的算法,进而实现测距信号的自适应捕获和跟踪。仿真结果表明算法能使环路的相位误差方差减小6～ 7倍。
     

大功率激光能量传输多光束协同捕获瞄准与跟踪技术研究

以用于空间太阳能电站的远距离、大功率激光无线能量传输为研究背景,以提高系统能量传输效率为宗旨,针对多光束传输的激光无线能量传输系统协同捕获、瞄准与跟踪(APT)方法进行研究。首先通过对大功率激光无线能量传输系统的分析,获知了单光束激光无线能量传输系统的局限性,然后针对大功率、多光束激光无线能量传输系统的协同APT系统组成,分析了单终端多光束系统和多终端多光束系统的实现方法及构成,最后针对单光束、7光束和9光束发射系统的目标重构光斑进行仿真,仿真结果表明,通过精确的多光束协同APT系统可以实现光束重构,重构后的能量光斑能量密度和分布都能得到改善。文章的研究成果将为建造用于空间太阳能电站的大功率、远距离激光能量传输系统提供技术储备和理论依据。     

激光跟踪仪水平与垂直角对 测量精度影响的试验研究

激光跟踪仪是一种高精度测量设备,对于总装精测过程中大体积及复杂形面的航天器测量具有广阔应用前景。文章介绍了激光跟踪仪的测量原理,并通过激光跟踪仪水平角与垂直角在不同位置时对测量精度的影响进行试验分析,给出了激光跟踪仪最佳测量角度并得出相应结论。     

空间交会中激光搜索跟踪系统的研究

空间交会是航天领域里非常复杂的飞行过程之一。本文提出了一种用激光搜索跟踪技术实现空间交会的方法，它具有雷达、导航和通信的功能，基于此方法建立追踪航天器和目标航天器的激光搜索跟踪系统模型，并进行计算机仿真，能够完成系统指标的计算，此外仿真软件还能够根据设定的场景进行动画演示。     

火星探测转移轨道中途修正分析

中途修正分析是深空探测任务设计的关键步骤。首先讨论火星探测中途修正速度增量的求解方法,并由此对多次修正问题进行了Monte Carlo仿真分析。为满足不同的计算需求,针对速度增量的求解问题,给出了精确算法和快速算法两种思路,并对二者的解算精度进行了对比。以2018年某火星探测轨道为例,根据设定误差,计算得出了各次修正速度增量和残余误差随修正时间变化的数据曲线,进而对修正时机的选择问题进行了讨论,并对5次修正策略进行了仿真分析。实验表明,Monte Carlo仿真数据能够直观地反映多次修正的基本规律,讨论结果可以为修正策略的制定提供一种思路和数据参考。
     

基于公共点转换原理的综合精度检测方法研究

随着小卫星技术的快速发展,高分辨率光学遥感类小卫星及安装有特殊载荷的科学试验类小卫星对总装精度检测的要求不断提高。传统的经纬仪测量系统受测量原理所限,只能实现方位角测量;激光跟踪仪测量系统只能实现点位及形面测量。为了适应后续型号任务的综合精度检测需求,本文提供了一种基于公共点转换原理的综合精度检测方法。通过该方法,实现经纬仪测量系统与激光跟踪仪测量系统的坐标系转换和统一,完成点位坐标系和立方镜坐标系之间关系的检测任务。     

基于InGaAs器件的空间高速捕跟探测组件设计与实现

提出一种基于InGaAs焦平面器件的空间高速捕跟成像组件设计方法,阐述了系统工作原理及主要模块实现方式,分析了测试方法和验证结果.方案以InGaAs焦平面器件为核心,采用主控FPGA控制工作模式及交互通信、4路图像信号经前置单端电流驱动以及差分功率放大和AD转换后输入主控FPGA进行图像信号处理输出.针对空间环境特点,通过器件选用、电路优化、抗单粒子设计等防护措施进行了系统加固.基于刷新重构FP-GA设计了具备灵活在轨图像校正补偿、系统优化重构,主控FPGA程序定时刷新的功能模块.实现产品具有全幅高帧频6 kfps输出、-85 dBm像元灵敏度、69 dB宽动态范围的性能,具备低延迟高帧频快速图像处理的特性,可满足空间多轨道激光通信捕获跟踪及短波红外遥感成像需求.     

直/气复合控制导弹的自抗扰控制系统设计研究

提出了一种直/气复合控制导弹的姿态控制系统设计方法。建立有轨控式直接力装置和空气舵导弹的短周期运动模型,基于自抗扰控制技术分别设计俯仰、偏航和滚转通道的姿态控制器,给出了俯仰、偏航和滚转通道的控制结构。俯仰(偏航)通道中用俯仰(偏航)角速度环实现对俯仰(偏航)角速度指令的快速跟踪;用攻角(侧滑角)环实现对攻角(侧滑角)指令的快速跟踪;用法向(侧向)过载环实现对过载指令的快速跟踪。滚转通道中采用了有角速度环和角度环的双闭环结构,内外环均采用自抗扰控制器。设计了直接力开启逻辑。用Lyapunov法证明了设计的闭环系统的稳定性。对用该方法设计的某直/气复合控制导弹模型进行数值仿真,结果表明可保证设计的导弹姿态稳定且具良好的过载响应特性。