星间激光通信指向与捕获机构研究
发布时间：2022-05-08 11:10
相比于传统卫星微波通信,卫星激光通信具有通信速率高、抗干扰能力强、资源消耗少等优点,是一种新型通信技术。作为空间高速信息网络的重要组成部分,星间激光通信担负着数据中继的重要作用,以微弧度量级发散角的光束在数千公里远的距离实现通信,需要特殊的识别、指向与跟踪（Acquisition,Pointing and Tracking:APT）光束控制系统,现今APT系统主要存在的问题是质量大、体积大、指向精度不高,本文以实际工程需求为背景,采用数值仿真与实验分析结合的方法,针对上述问题对APT系统指向性能及结构进行了研究,主要研究内容包括:首先,对影响APT系统指向指标的关键因素进行了分析。分析了角度随机误差对APT捕获机构指向精度的影响,研究了角度随机误差的形成原理,提出了一种改进Rayleigh型的角度随机误差模型,与传统Rayleigh模型相比可以将链路保持时间的预测精度提升2.8倍;分析了星间相对运动情况,建立了星间相对运动模型,推导了星间距离、星间夹角、星间角速度计算公式,并以实际卫星轨道数据为依据进行了仿真分析,结果显示LEO-LEO星间链路相对运动速度最大约为0.5°/s;研究了中...
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
星间激光通信系统示意图
星间激光通信指向与捕获机构研究4LCDS由JPL牵头主要用于验证移动平台之间通过激光建立高速数据传输的可行性，其传输速率大于750Mbits/s，其APT系统的粗跟踪采用单反镜提供方位±15°与俯仰±15°的视轴转动，粗跟踪视场0.5度瞬时视场角17.1μrad，采用150μrad视场角的四象限探测器实现精跟踪，终端长34.6in(1in=2.54cm)，宽21.5in，高18in，整机质量50kg，所搭载的卫星体积3m×2m×1m重量272kg。如图1.3所示为LCDS激光通信终端[19]。图1.3LCDS卫星光通信终端示意图Fig1.3SatelliteopticalcommunicationterminalofLCDS（2）OCD通信验证终端(OpticalCommunicationDemonstrator)OCD终端是由JPL在1994开始立项研制的，这项研究的目的是通过地面高度集成化的终端来验证高精度瞄准、捕获、跟踪的APT系统，OCD天线口径100mm采用万向架作为粗跟踪瞄准装置，在OCD中采用了一些当时比较先进的技术与器件来实现APT系统内部光路的高度精简，如CCD动态开窗技术，仅通过一块探测器与一块振镜来实现粗、精跟踪与提前量功能，粗跟踪探测器的视场角为6mrad(@512pixels×512pixels)带宽10Hz，精跟踪探测器的视场角为12μrad@10pixels×10pixels其带宽为2kHz，另一方面OCD的收发光路采用共光路式结构，整个通信终端与万向架随动。在2000年OCD成功进行了45km地面距离下激光通信的验证，整个系统地面实验指向精度达到2μrad[20]，而且JPL研制了可以补偿100Hz的新型快速反射镜FSM(Faststeeringmirror)带宽500Hz，同时对中继光路中光学元件数量也进行了控制以降低APT系统的复杂程度[21]。如图1.4为OCD通信终端APT设计原理图。
第1章绪论5图1.4OCD终端APT系统设计原理图Fig1.4APTsystemdesignschematicdiagramofOCD此后JPL对OCD-Ⅰ进行了改良设计并研制了OCD-Ⅱ，两者APT系统的关键性能参数见表1.1所示。表1.1OCD-Ⅰ与OCD-Ⅱ通信终端对比Table1.1ComparisonbetweenOCD-IandOCD-II参数OCD-ⅠOCD-Ⅱ天线直径10cm10cm通信光束散角22μrad200μrad粗跟踪转台无万向架粗跟踪视场1mrad×1mrad3.25mrad×2.45mrad粗指向精度2μradNA质量16kgNA同轴度＜100μrad＜100μrad（3）STRV-2激光通信系统STRV-2是由BMDO组织研制的，所搭载的卫星TSX-5轨道高度450km，粗跟踪采用万向架调节的方式，内部光路采用收发光学天线分离式的设计，由8台80μrad的激光器同时发射，每台天线口径16mm，且每4台组成一个信道通信速率达到2×622Mbps，质量7.3kg[22]，表1.2给出了STRV-2星上终端APT系统相关参数。
【参考文献】：
期刊论文
[1]柔性轴在卫星光通信中的使用与优化设计[J]. 张福瑞,阮萍,韩俊锋. 红外与激光工程. 2019(08)
[2]基于贝克曼分布的星间激光通信链路性能优化[J]. 宛雄丰,郝士琦,张岱,赵青松,徐晨露,唐进迎. 光学学报. 2019(02)
[3]国外卫星激光通信进展概况[J]. 韩慧鹏. 卫星与网络. 2018(08)
[4]激光通信APT系统中快速反射镜研究[J]. 倪迎雪,伞晓刚,高世杰,吴佳彬,王晶,王涛,丁少行. 激光与红外. 2018(02)
[5]不同摄动力对低中高轨航天器轨道的影响分析[J]. 何丽娜. 大地测量与地球动力学. 2017(11)
[6]航天器轨道动力学模型及瞄准提前量误差分析[J]. 叶小威,沈锋. 中国激光. 2017(06)
[7]空间激光通信研究现状及发展趋势[J]. 石胤漩. 中国新通信. 2016(15)
[8]从EDRS看国外空间激光通信发展[J]. 贾平,李辉. 中国航天. 2016(03)
[9]快速控制反射镜两轴柔性支撑平台刚度优化设计[J]. 付锦江,颜昌翔,刘伟,袁婷. 光学精密工程. 2015(12)
[10]星间光通信链路稳定保持时间估算[J]. 于思源,闫珅,谭立英,马晶. 中国激光. 2015(11)
博士论文
[1]空间光通信中高精度光轴偏差检测技术研究[D]. 余佳威.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2019
[2]航天遥感相机机构可靠性研究[D]. 齐洪宇.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2017
[3]光束指向控制设备中快速反射镜系统设计研究[D]. 方楚.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[4]星间激光通信若干关键技术研究[D]. 焦仲科.中国科学院光电技术研究所 2017
[5]空间激光通信光学天线及粗跟踪技术研究[D]. 鄢永耀.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2016
[6]星间激光通信终端及其实验室检测平台光学系统研究[D]. 吴从均.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[7]潜望式卫星光通信终端45度镜空间温变特性及影响研究[D]. 宋义伟.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]卫星振动对光通信系统捕获概率的影响研究[D]. 史晓晶.哈尔滨工业大学 2017
[2]同步卫星用单摆镜式粗跟踪系统研究[D]. 李小明.长春理工大学 2011
[3]卫星光通信终端二维转台轴系误差分析及补偿方法研究[D]. 吴世臣.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3651548
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
星间激光通信系统示意图
星间激光通信指向与捕获机构研究4LCDS由JPL牵头主要用于验证移动平台之间通过激光建立高速数据传输的可行性，其传输速率大于750Mbits/s，其APT系统的粗跟踪采用单反镜提供方位±15°与俯仰±15°的视轴转动，粗跟踪视场0.5度瞬时视场角17.1μrad，采用150μrad视场角的四象限探测器实现精跟踪，终端长34.6in(1in=2.54cm)，宽21.5in，高18in，整机质量50kg，所搭载的卫星体积3m×2m×1m重量272kg。如图1.3所示为LCDS激光通信终端[19]。图1.3LCDS卫星光通信终端示意图Fig1.3SatelliteopticalcommunicationterminalofLCDS（2）OCD通信验证终端(OpticalCommunicationDemonstrator)OCD终端是由JPL在1994开始立项研制的，这项研究的目的是通过地面高度集成化的终端来验证高精度瞄准、捕获、跟踪的APT系统，OCD天线口径100mm采用万向架作为粗跟踪瞄准装置，在OCD中采用了一些当时比较先进的技术与器件来实现APT系统内部光路的高度精简，如CCD动态开窗技术，仅通过一块探测器与一块振镜来实现粗、精跟踪与提前量功能，粗跟踪探测器的视场角为6mrad(@512pixels×512pixels)带宽10Hz，精跟踪探测器的视场角为12μrad@10pixels×10pixels其带宽为2kHz，另一方面OCD的收发光路采用共光路式结构，整个通信终端与万向架随动。在2000年OCD成功进行了45km地面距离下激光通信的验证，整个系统地面实验指向精度达到2μrad[20]，而且JPL研制了可以补偿100Hz的新型快速反射镜FSM(Faststeeringmirror)带宽500Hz，同时对中继光路中光学元件数量也进行了控制以降低APT系统的复杂程度[21]。如图1.4为OCD通信终端APT设计原理图。
第1章绪论5图1.4OCD终端APT系统设计原理图Fig1.4APTsystemdesignschematicdiagramofOCD此后JPL对OCD-Ⅰ进行了改良设计并研制了OCD-Ⅱ，两者APT系统的关键性能参数见表1.1所示。表1.1OCD-Ⅰ与OCD-Ⅱ通信终端对比Table1.1ComparisonbetweenOCD-IandOCD-II参数OCD-ⅠOCD-Ⅱ天线直径10cm10cm通信光束散角22μrad200μrad粗跟踪转台无万向架粗跟踪视场1mrad×1mrad3.25mrad×2.45mrad粗指向精度2μradNA质量16kgNA同轴度＜100μrad＜100μrad（3）STRV-2激光通信系统STRV-2是由BMDO组织研制的，所搭载的卫星TSX-5轨道高度450km，粗跟踪采用万向架调节的方式，内部光路采用收发光学天线分离式的设计，由8台80μrad的激光器同时发射，每台天线口径16mm，且每4台组成一个信道通信速率达到2×622Mbps，质量7.3kg[22]，表1.2给出了STRV-2星上终端APT系统相关参数。
【参考文献】：
期刊论文
[1]柔性轴在卫星光通信中的使用与优化设计[J]. 张福瑞,阮萍,韩俊锋. 红外与激光工程. 2019(08)
[2]基于贝克曼分布的星间激光通信链路性能优化[J]. 宛雄丰,郝士琦,张岱,赵青松,徐晨露,唐进迎. 光学学报. 2019(02)
[3]国外卫星激光通信进展概况[J]. 韩慧鹏. 卫星与网络. 2018(08)
[4]激光通信APT系统中快速反射镜研究[J]. 倪迎雪,伞晓刚,高世杰,吴佳彬,王晶,王涛,丁少行. 激光与红外. 2018(02)
[5]不同摄动力对低中高轨航天器轨道的影响分析[J]. 何丽娜. 大地测量与地球动力学. 2017(11)
[6]航天器轨道动力学模型及瞄准提前量误差分析[J]. 叶小威,沈锋. 中国激光. 2017(06)
[7]空间激光通信研究现状及发展趋势[J]. 石胤漩. 中国新通信. 2016(15)
[8]从EDRS看国外空间激光通信发展[J]. 贾平,李辉. 中国航天. 2016(03)
[9]快速控制反射镜两轴柔性支撑平台刚度优化设计[J]. 付锦江,颜昌翔,刘伟,袁婷. 光学精密工程. 2015(12)
[10]星间光通信链路稳定保持时间估算[J]. 于思源,闫珅,谭立英,马晶. 中国激光. 2015(11)
博士论文
[1]空间光通信中高精度光轴偏差检测技术研究[D]. 余佳威.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2019
[2]航天遥感相机机构可靠性研究[D]. 齐洪宇.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2017
[3]光束指向控制设备中快速反射镜系统设计研究[D]. 方楚.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[4]星间激光通信若干关键技术研究[D]. 焦仲科.中国科学院光电技术研究所 2017
[5]空间激光通信光学天线及粗跟踪技术研究[D]. 鄢永耀.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2016
[6]星间激光通信终端及其实验室检测平台光学系统研究[D]. 吴从均.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[7]潜望式卫星光通信终端45度镜空间温变特性及影响研究[D]. 宋义伟.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]卫星振动对光通信系统捕获概率的影响研究[D]. 史晓晶.哈尔滨工业大学 2017
[2]同步卫星用单摆镜式粗跟踪系统研究[D]. 李小明.长春理工大学 2011
[3]卫星光通信终端二维转台轴系误差分析及补偿方法研究[D]. 吴世臣.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3651548
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