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卫星光通信中光束粗瞄控制算法设计与仿真

凌志华  
【摘要】: 空间光通信以其高带宽、高保密性、体积小、重量轻、低功耗等优点成为光通信发展的重要方向。在卫星光通信系统中,由于激光束非常窄,且传输距离远,所以瞄准、捕获和跟踪(Pointing Acquisition and Tracking, PAT)技术是光通信链路成功建立和保持的关键技术。在卫星光通信PAT系统中,二维转台电机的闭环控制是必须解决的关键技术之一。 由于空间环境的多变性和不可预知性,二维转台电机模型势必会受到影响,造成转台模型的时变和非线性。为了解决空间不可知因素对粗瞄机构造成的影响,本文提出了神经网络PID控制算法(自适应算法),通过仿真实验证明神经网络PID控制算法是解决二维转台电机系统的时变和非线性模型的有效控制算法。 本文以空间光通信终端系统的研究为背景,进行了光束粗瞄控制算法的设计和仿真。本文分析卫星光通信光束粗瞄机构特性,介绍光束粗瞄系统的结构和光电编码器工作原理,给出卫星光通信光束粗瞄机构伺服系统的控制策略;阐述卫星光通信光束粗瞄系统辨识算法的设计过程,通过多层前馈型BP神经网络模型,设计出光束粗瞄系统辨识器;设计卫星光通信光束粗瞄系统控制器,包括普通数字PID控制器和神经网络PID控制器;通过神经PID控制器分别对光束粗瞄机构的线性时不变模型、线性时变模型和非线性时变模型进行了控制仿真实验,频率响应和控制精度均满足工程要求。 本文的创新点:在卫星光通信光束粗瞄控制算法中提出应用神经网络PID控制器,解决由于空间不可知因素对粗瞄机构造成模型的时变和非线性的控制难题;建立了卫星光通信光束粗瞄机构的线性时不变模型、线性时变模型和非线性时变模型,并进行了控制仿真实验,验证了神经PID控制器的有效性和可行性。神经PID控制算法对空间光通信终端系统的工程实现具有重要的参考意义。 最后,在仿真实验的基础上,对光束粗瞄控制算法提出了改进算法和建设性的意见。


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