基于FSO自由空問(wèn)光通信中自動(dòng)伺服系統(tǒng)的研究

隨著通信業(yè)務(wù)量的急劇增長(zhǎng)，光通信技術(shù)作為一種新型的通信技術(shù)正在日新月異地發(fā)展著，其較高的傳輸速率和較寬的利用頻帶，以及較高的保密性能正倍受各國(guó)通信界的青睞。而光通信在星際間的衛(wèi)星通信充當(dāng)了最主要的媒介，要提高通信質(zhì)量，F(xiàn)SO通信中的ATP子系統(tǒng)是關(guān)鍵，它關(guān)系著整個(gè)通信質(zhì)量和誤碼率。因此，ATP子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是關(guān)系著通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的主要權(quán)衡因素和制約條件。自動(dòng)伺服系統(tǒng)中的性能指標(biāo)，主要是以ATP系統(tǒng)中的性能指標(biāo)為基準(zhǔn)的。而ATP的性能指標(biāo)總結(jié)起來(lái)可為：較大的捕獲概率，高的跟蹤精度，較寬的伺服帶寬，以及較低的鏈路失鎖等。其技術(shù)指標(biāo)為多樣化的承載平臺(tái)所帶來(lái)的各種運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)的約束條件，并在運(yùn)動(dòng)與復(fù)雜的背景下的目標(biāo)捕獲與辨識(shí)，跟蹤信道在光噪聲，電噪聲與機(jī)械噪聲下的對(duì)準(zhǔn)與跟蹤。因此，ATP的伺服子系統(tǒng)是一個(gè)光機(jī)電一體化的復(fù)合軸控制系統(tǒng)。

1 ATP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)空間光通信系統(tǒng)的工作流程和特點(diǎn)，其典型的伺服系統(tǒng)(ATP)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由兩部分組成，即粗跟蹤部分和精跟蹤部分。粗跟蹤部分包括粗跟蹤C(jī)CD，圖像數(shù)據(jù)采集，粗跟蹤控制器，光電碼盤，模數(shù)轉(zhuǎn)換部分與伺服電機(jī)，光學(xué)天線等；精跟蹤部分主要包括精跟蹤C(jī)CD，圖像數(shù)據(jù)采集，精跟蹤控制器，D／A轉(zhuǎn)換，PZT驅(qū)動(dòng)器以及快速傾斜鏡。其整個(gè)工作原理圖如圖1所示。

入射的信標(biāo)光經(jīng)過(guò)反射鏡進(jìn)入后，經(jīng)光學(xué)主天線反射回來(lái)進(jìn)入粗跟蹤環(huán)，由粗跟蹤探測(cè)器CCD把控測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)圖像采集和處理后直接送人粗跟蹤控制器進(jìn)行運(yùn)算操作，同時(shí)粗跟蹤控測(cè)器還接收由光電碼盤所探測(cè)到的實(shí)際光學(xué)視軸的位置，通過(guò)比較和運(yùn)算得到了實(shí)際的誤差控制信號(hào)，此時(shí)的粗跟蹤控制器將根據(jù)誤差控制信號(hào)轉(zhuǎn)化成誤差控制指令輸出到D／A轉(zhuǎn)換器中，再由D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為實(shí)際的模擬信號(hào)送給伺服力矩電機(jī)，帶動(dòng)光學(xué)主天線在水平和俯仰方向上的旋轉(zhuǎn)，此過(guò)程即為粗跟蹤過(guò)程，主要完成空間光信號(hào)的捕獲與跟蹤。捕獲過(guò)程是空間光通信鏈路所建立的必要前提。而當(dāng)粗跟蹤建立完成之后，將會(huì)把入射的信標(biāo)光引入到了精跟蹤探測(cè)器的視場(chǎng)范圍之內(nèi)，同理在精跟蹤環(huán)內(nèi)也是由精跟蹤控制器產(chǎn)生跟蹤控制指令，再經(jīng)過(guò)D／A轉(zhuǎn)換后，用來(lái)控制PZT驅(qū)動(dòng)器，從而帶動(dòng)快速傾斜鏡的運(yùn)轉(zhuǎn)，最終在精跟蹤環(huán)內(nèi)把誤差控制到盡可能的小，以使以目標(biāo)視軸為中心的發(fā)射激光束最大的能量及密度對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，進(jìn)而完成整個(gè)通信鏈路的建立過(guò)程。粗跟蹤階段的特點(diǎn)是捕獲范圍大，伺服控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精度和頻率較低，由于其帶寬比較低，一般只有幾赫茲，它只能抑制外部干擾的低頻成分。而且粗跟蹤機(jī)構(gòu)將會(huì)給系統(tǒng)引入摩擦力矩，這是影響跟瞄精度的主要因素之一，如何對(duì)其進(jìn)行抑制是設(shè)計(jì)粗跟蹤機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)著重考慮的問(wèn)題。精跟蹤的跟蹤精度減小了視軸誤差引起的光能量的損失，它要求的跟蹤帶寬相對(duì)較高，因?yàn)樾l(wèi)星平臺(tái)的振動(dòng)和跟蹤系統(tǒng)對(duì)其抖動(dòng)的抑制能力在很大程度上決定了空間光通信ATP系統(tǒng)的跟蹤精度，所以一般要達(dá)到幾百赫茲甚至上千赫茲，以有效地抑制衛(wèi)星平臺(tái)及其他干擾所引起的抖動(dòng)。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)高精度的精跟蹤環(huán)是整個(gè)APT系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2 ATP伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及參數(shù)考慮

伺服系統(tǒng)中的精跟蹤回路是一個(gè)高寬帶、高精度的伺服系統(tǒng)，因此，對(duì)回路中的關(guān)鍵器件如FSM，誤差信號(hào)探測(cè)器(APD或面陣CCD)和補(bǔ)償器，有一定的技術(shù)要求。其中的FSM為關(guān)鍵，它是一個(gè)寬帶的平臺(tái)擾動(dòng)校正器，它有足夠高的結(jié)構(gòu)諧振頻率和良好的阻尼振動(dòng)，空間光鏈路的傳輸模型可簡(jiǎn)化為：

其中Pr為接收機(jī)探測(cè)器的接收信號(hào)功率，Pt為激光發(fā)射功率，ηt為發(fā)射天線的效率，ηr為接收天線效率，Dr／2為接收天線的半徑，θdiv／2為激光半發(fā)散角，R為激光傳輸?shù)木嚯x。由上式可知，若要提高接收功率，除了提高激光源的發(fā)射功率外，增大接收天線的直徑和壓縮激光的發(fā)散角是一個(gè)很好的方法，而目前要獲得高碼率和高功率的激光源相對(duì)較難，所以提高跟蹤精度，選擇適當(dāng)?shù)奶炀�口徑和出射發(fā)散角，對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，抗干擾能力，降低其他系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度有著非常現(xiàn)實(shí)和重要的意義。

在ATP系統(tǒng)中的瞄準(zhǔn)誤差主要有精對(duì)準(zhǔn)傳感器所引起的瞄準(zhǔn)誤差，摩擦力矩所引起的瞄準(zhǔn)誤差，常平架機(jī)械軸系晃動(dòng)所引起的瞄準(zhǔn)誤差以及常平架基座擾動(dòng)所引起的瞄準(zhǔn)誤差等。在總的瞄準(zhǔn)誤差的各項(xiàng)誤差源中，跟蹤誤差主要是由于內(nèi)部和外部擾動(dòng)所引起的，由跟蹤探測(cè)器的等效噪聲角(NEA)和跟蹤系統(tǒng)有限的抑制能力造成的殘余常平架抖動(dòng)所組成。對(duì)于四象限跟蹤傳感器，用QNE表示等效噪聲角NEA，則有：

而這里的，其中式中的SF為斜坡因子(1／rad)；Pr為接收功率(W)；Rd為探測(cè)器的響應(yīng)度(A／W)；N0為接收機(jī)噪聲密度(A2／Hz)；B為跟蹤環(huán)的帶寬(Hz)。等效噪聲NEA與跟蹤控制帶寬的方根成比例，降低NEA的方法是選擇更靈敏或低噪聲的探測(cè)器。常平架殘余抖動(dòng)跟蹤誤差分量由作用在ATP常平架跟蹤系統(tǒng)上的外部擾動(dòng)功率譜和常平架跟蹤系統(tǒng)本身對(duì)擾動(dòng)的抑制能力所決定，首先應(yīng)該掌握有關(guān)外界擾動(dòng)源的功率譜數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些功率譜的性質(zhì)來(lái)選擇和確定跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。不過(guò)，在空間站或衛(wèi)星設(shè)計(jì)研制的初期，很難給出擾動(dòng)功率譜數(shù)據(jù)，因此，通常要用經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證或參考數(shù)據(jù)。如圖2是典型的三軸穩(wěn)定傳感器的衛(wèi)星擾動(dòng)功率譜密度PSD，它是在軌道上實(shí)際測(cè)量的LANDSAT-4衛(wèi)星的擾動(dòng)PSD譜。

由圖2可見，衛(wèi)星擾動(dòng)功率譜密度從低頻(0.01 Hz)一直擴(kuò)展到高頻(約100 Hz)，在200 Hz頻率上存在角振幅A=1.9 μrad的擾動(dòng)，數(shù)據(jù)分析表明，在1 Hz處由太陽(yáng)能電池板驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生A=100 μrad的角振動(dòng)，在100 Hz存在A=12μrad和200 Hz存在A=1.9μrad的角振動(dòng)，它們是由衛(wèi)星上反作用輪與二次諧波產(chǎn)生。因此，整個(gè)擾動(dòng)隨機(jī)模型是由連續(xù)擾動(dòng)PSD和3個(gè)諧波分量組成。

為了抑制平臺(tái)的擾動(dòng)，提高ATP系統(tǒng)的跟瞄精度，ATP系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬應(yīng)數(shù)倍于衛(wèi)星擾動(dòng)頻率(如圖2達(dá)到了800～1 000 Hz左右)，采樣頻率應(yīng)為閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬的10倍以上才能確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而制作如此高的采樣頻率的跟蹤傳感器目前還比較困難，因此要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制帶寬，提高傳感器的靈敏度和采樣頻率以及跟瞄精度，是ATP系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也是ATP系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。

3 系統(tǒng)的跟蹤控制結(jié)構(gòu)

粗跟蹤系統(tǒng)通過(guò)碼盤和粗跟蹤探測(cè)器得到視軸誤差，調(diào)節(jié)天線指向，最終實(shí)現(xiàn)了粗跟蹤，并將目標(biāo)引入了精跟蹤視場(chǎng)；精跟蹤探測(cè)器探測(cè)視軸殘差，并由精跟蹤環(huán)的控制器控制精跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)視軸進(jìn)行校正，達(dá)到跟蹤精度。系統(tǒng)的整體控制框圖如圖3所示。主要是采用了復(fù)合軸的控制結(jié)構(gòu)，主要思想是在粗跟蹤環(huán)的基礎(chǔ)上再引入精跟蹤環(huán)節(jié)。

其中PID控制器中的傳遞函數(shù)可表示為以下形式：

所以，可設(shè)Gc_PID(s)為粗跟蹤C(jī)CD的PID控制傳遞函數(shù)，而Gf_PID(s)為精跟蹤C(jī)CD的PID控制傳遞函數(shù)，分別表示為下式：

其中Kcp，Kci，Kcd為粗跟蹤PID控制中的比例、積分、微分環(huán)節(jié)的系數(shù)，Kfp，Kfi，Kfd為精跟蹤控制中的比例、積分、微分系數(shù)，而速度跟蹤環(huán)的構(gòu)成框圖如圖4所示。

同時(shí)由于電機(jī)和FSM的時(shí)間常數(shù)很小，所以可將其簡(jiǎn)化為：

精跟蹤傳遞函數(shù)可分別化簡(jiǎn)為比例環(huán)節(jié)kc_CCD，kf_CCD。

并根據(jù)各個(gè)控制子環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)和結(jié)合復(fù)合軸的控制框圖推出總的傳遞函數(shù)流程圖如圖6所示。

將各單元的傳遞函數(shù)代人并化簡(jiǎn)，得到總的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

kc為天線增益，kc_CCD為粗跟蹤C(jī)CD的比例系數(shù)，kDA為DA轉(zhuǎn)換模塊的增益，kM為電機(jī)的速度放大系數(shù)，kFSM為FSM的增益，kcp，kci，kcd分別為粗跟蹤C(jī)CD的PID控制中的比例、積分和微分系數(shù)，kfp，kfi，kfd分別為精跟蹤C(jī)CD的PID控制中的比例、積分和微分系數(shù)。

運(yùn)用System View軟件仿真可得系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖7所示。

由圖7可知控制系統(tǒng)的輸出很快就達(dá)到了穩(wěn)定，并且沒有超調(diào)量，完全滿足了系統(tǒng)控制的跟蹤精度要求。所以本文推導(dǎo)的ATP伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是完全可行的，具有現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)伺服系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的分析，指出了伺服系統(tǒng)主要由兩個(gè)控制節(jié)所構(gòu)成，即粗跟蹤和精跟蹤，隨后對(duì)ATP伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析，指出了提高靈敏度和跟瞄精度是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也為ATP系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。最后對(duì)ATP系統(tǒng)中的傳遞函數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)，得出總的傳遞函數(shù)，經(jīng)過(guò)仿真后證實(shí)總傳遞數(shù)滿足了控制跟蹤精度的要求，這對(duì)今后光通信發(fā)展起到了一個(gè)推導(dǎo)的作用。