论文摘要
空间激光通信是一种极具发展前景的通信方式,它可以广泛地应用于民用通信和军用通信的各种场合。捕获、瞄准和跟踪(APT)系统是实现无线激光通信终端之间精准定位的关键系统,在无线激光链路的建立过程中起着至关重要的作用。本文主要研究对象是用于卫星间激光通信的APT技术和系统。在通信链路建立之前,APT系统首先执行捕获步骤。本文从卫星轨道出发,建立了用于确定通信双方卫星相对位置的模型,并推导出卫星方位角和俯仰角的计算式。这样就极大地缩小了捕获过程的不确定区域,有利于实现快速捕获过程。本文提出了一种收发合一的光路设计,采用这种设计的系统共用一套光学天线进行光束接收和发送,减小了系统的体积和重量。同时该光路设计为跟瞄过程合一提供了实现途径,APT系统完成跟踪过程的同时也实现了光束瞄准。在跟踪系统的设计方面,本文采用了粗精双跟踪环结构设计。使用大视场电荷耦合器件(CCD)作为粗跟踪探测器,四象限探测器(QD)则作为精跟踪探测器,能够发挥它们各自在视场和速度方面的优势。在精跟踪控制环路中使用非机械式的声光偏转器对光束实现快速、精确的角度控制,可以获得很高的控制带宽。稳态性能和动态性能通常是控制系统的一对矛盾性能指标,寻找协调稳态与动态性能的折中方案是本文最终目标。本文从理论上对粗精跟踪系统进行性能分析,得出增大精、粗跟踪环带宽比能够提高控制系统误差抑制能力,改善系统稳定性的结论。最后,以微控制器(MCU)为核心器件设计并着手搭建实验室条件下的APT演示系统,对APT演示系统测试结果进行分析并提出若干系统改进方法。