卫星激光通信终端控制系统稳定性设计

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMar．252011V01．32No．3465．472ISSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(20II)03—0465—08卫星激光通信终端控制系统稳定性设计王岩*，郑燕红，刘杨，杨奇峰，陈兴林哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨150001摘要：卫星激光通信终端控制系统的稳定性是激光通信链路建立与保持过程中的重要性能指标。以终端天线与快速倾斜镜(FsM)两个内回路控

2、制器设计为基础，建立了当电荷耦合(CCD)探测器获得对方终端位置信息构成激光闭合回路时整个激光通信控制系统模型，并根据时滞依赖稳定性定理推导了系统渐近稳定的充分条件，在此基础上对不稳定情况，结合锥补法提出了修正状态反馈设计方案。仿真表明，通过该方案设计得到的控制器，可以保证系统的稳定性，而激光通信控制系统的粗、精回路具有合适的系统带宽，可以协调地T作。关键词：卫星激光通信；终端控制系统；系统稳定性；时滞依赖；锥补法中图分类号：V443+．1；TN929．12文献标识码：A卫星激光通信是构成未来外层空间通信和星地通信网络的重要方式[1]。作为接收或发送装置的终

3、端系统根据卫星平台的信息进行计算存在误差，而激光束散角较小，因此需要通过捕获过程扫瞄搜索目标终端；在实现捕获后，需通过瞄准过程使光柬处于对方视域中心；在通信的同时，平台扰动等可能导致终端光束指向发生偏移，因此需要引入跟踪过程克服影响。而捕获、瞄准和跟踪过程的实现都依赖于稳定的终端控制系统。目前的激光通信控制系统主要是分别对作用范围较大、响应速度较慢的终端天线回路和作用范围较小、响应速度快的快速倾斜镜(FSM)回路进行设计，如文献[2]将终端天线的控制按照典型的位置环、速率环控制方案展开，文献[3]对终端万向节、FSM分别采用了比例一积分(PI)控制，文献[4

4、]采用H。。和肛综合方法设计了激光通信精跟踪回路以求获得更高精度、更高带宽的控制器。然而，实际的终端控制系统是将两个回路复合在一起来工作的，同时当通信双方建立激光链路后，形成了新的闭环系统，对两个回路的分离设计可能不能保证整个系统的稳定性，需要对设计完成的复合控制系统的稳定性进行校验，同时对不能满足系统稳定性要求的情况需要对其进行修正。本文在终端天线回路、FSM回路设计的基础上分析了由电荷耦合(CCD)探测器引入激光闭合回路时系统的稳定性问题，并提出了保证整个系统稳定的终端天线回路、FSM回路设计方案。1终端控制系统构成典型的激光通信系统的捕获、瞄准和跟踪过

5、程是通过粗回路与精回路复合控制实现的[s。]。粗回路由如图1所示的具有两个转动自由度的终端天线和捕获探测器构成，而精回路由压电陶瓷(PZT)驱动的FSM与位置探测器构成。在本设计中将粗回路的捕获探测器与位置探测器合并，通过设置CCD探测器感兴趣的区域(Atea0fIn-收稿日期：2010．05-13；退修日期：2010—09-19；录用日期：2010．11-22：网络出版时问：2010·12-1317：50网络出版地址：www．cnkinet／kcms／detail／11．1929．V．20101213．1750．003．htmI∞I：CNKI：11-192

6、9／V．20101213．1750．003基金项目：黑龙江科技攻关计划(GZ06A104)*通讯作者．Tel。：0451-86413411E-mail：yanw@hit．edu．∞荸l甩格式l王者．郑燕红．触橱．等．卫星激光遁信终端控魏系统稳定性设计[J]，航空学报，2011．32(3)。465-472．WangYah．ZhengYanhong。LiuYang．eta1．Stabilitydesignofcontrolsystemforsatellitelasercommunication￡西．ActaAeronauticaetAs—tronauticaSi

7、nica，2011．32(3)；465-472．航空学报teresting，AOI)窗口来分别实现，如图2所示。图1终端天线示意图Fig．1Sketchofterminalantenna图2AOI示意图Fig．2SketchofAOI由图1可见，粗回路终端天线绕五和咒2个转动轴可分别采用无刷直流力矩电机作为执行器驱动，并为它们分别配备角位置传感器，因此可认为2个转动自由度控制是解耦的。图3所示为PZT驱动FSM示意图，由图3可见，采样4支PZT驱动FSM转动，处于同一直径方向上的2对PZT的伸缩量S。与S。和S：与S。分别决定了镜面在z。和弘方向的转动角度，

8、因此，镜面的2个转动自由度也是解耦的。乃墨霾＼肼Bo