空间激光通信组网反射镜联动跟踪控制技术

王俊尧; 宋延嵩; 佟首峰; 姜会林; 董岩; 董科研; 常帅

doi:10.3788/CO.2019-0176

空间激光通信组网反射镜联动跟踪控制技术

doi: 10.3788/CO.2019-0176

cstr: 32171.14.CO.2019-0176

王俊尧^{1, 2,},
宋延嵩^1, ,,
佟首峰^1,,
姜会林^1,,
董岩^1,,
董科研^1,,
常帅^1,

1.
长春理工大学空地激光通信国防重点学科实验室，吉林长春 130022
2.
长春理工大学光电工程学院，吉林长春 130022

基金项目: 国家自然科学基金重大研究计划（No.91838301）

详细信息

作者简介:
王俊尧(1994—)，男，吉林长春人，硕士研究生，主要从事空间激光通信系统伺服控制方面的研究。E-mail：wangjy2001@126.com

宋延嵩(1983—)，男，吉林长春人，硕士生导师，主要从事空间激光通信系统光束伺服、光电跟踪和光电测试方面的研究。E-mail：songyansong2006@126.com

佟首峰(1972—)，男，吉林长春人，教授，博士生导师，“长江学者”特聘教授，主要从事空间遥感与激光通信等方面的研究。Email：tsf1998@sina.com

姜会林(1945—)，男，吉林长春人，院士，博士生导师，主要从事空间光电技术方面的研究。E-mail：HLJiang@cust.edu.cn

董岩(1978—），男，吉林长春人，博士，讲师，主要从事伺服控制，自动控制等方面的研究。E-mail：dongyan_personal@163.com

董科研(1980—)，男，吉林长春人，博士，副教授，硕士生导师，主要从事光学系统设计、激光通信和光谱仪器设计等方面的研究。E-mail：dongkeyan@163.com

常帅(1989—)，男，吉林长春人，博士研究生，主要从事空间激光通信系统中光学锁相技术方面的研究。E-mail：cs0617@126.com

通讯作者:
宋延嵩电话：135-0432-3907 地址：长春理工大学南校区实训中心

中图分类号: TN929.1
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出版历程
- 收稿日期: 2019-09-09
- 修回日期: 2019-11-08
- 刊出日期: 2020-06-01

Linkage tracking control technology of space laser communication network mirror

WANG Jun-yao^{1, 2
,},
SONG Yan-song^{1
, ,},
TONG Shou-feng^1
,,
JIANG Hui-lin^1
,,
DONG Yan^1
,,
DONG Ke-yan^1
,,
CHANG Shuai^1
,

1.
Fundamental Science on Space-Ground Laser Communication Technology Laboratory, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China
2.
School of Optoelectronic Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China Major Research Project (No.91838301)

More Information

Corresponding author: songyansong2006@126.com

摘要

摘要: 为提高光学天线能量利用效率，实现空间激光通信组网，本文对反射镜联动跟踪控制技术展开研究。首先，阐述了系统组成原理，详细论述了基于单探测器多执行器的反射镜联动跟踪控制策略。接着，通过分析激光链路能量，得到了联动跟踪约束条件及误差要求。然后，建立了双反射镜联动跟踪数学模型，对伺服控制器进行仿真。最后，搭建原理样机对跟踪性能进行测试。实验结果表明，系统能够对目标进行稳定跟踪，跟踪脱靶量精度优于83 μrad，双镜联动精度优于26 μrad，系统接收光功率显著提高。本文研究为实现空间一对多激光通信链路组网奠定了基础。
- 激光通信 /
- 组网 /
- 联动跟踪 /
- 跟踪精度 /
- 光功率
Abstract: In order to improve the energy utilization efficiency of the optical antenna and realize the space laser communication networking, we study the mirror linkage tracking control technology. The principle of system composition is described, and a mirror linkage tracking control strategy based on a single-detector multi-actuator is discussed in detail. By analyzing the energy of a laser link, its linkage tracking constraints and error requirements are obtained. A mathematical model of double mirror linkage tracking is established. The servo controller is designed and simulated, and the prototype is built to test its tracking performance. The experimental results show that the system can track the target stably, the tracking target accuracy is better than 83 μrad, the double mirror linkage accuracy is better than 26 μrad and the received optical power of the system is significantly improved. The research in this paper lays a foundation for space one-to-many laser communication link networking.
- laser communication /
- networking /
- linkage tracking /
- tracking accuracy /
- optical power

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图 1 粗跟踪系统组成

Figure 1. Composition of coarse tracking system

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图 2 多反射镜拼接光学天线

Figure 2. Multi-mirror splicing optical antenna

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图 3 双镜光斑联合成像示意图

Figure 3. Schematic diagram of double mirror spot combined imaging

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图 4 双镜联动跟踪架构

Figure 4. Double mirror linkage tracking architecture

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图 5 反射镜位置关系

Figure 5. Position relationship between mirrors

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图 6 双光斑中心位置检测

Figure 6. Double spot center position detection

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图 7 空间光路示意图

Figure 7. Schematic diagram of space light path

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图 8 发射通信光束远场功率分布

Figure 8. Far-field power distributions of transmitted communication lights

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图 9 联动跟踪系统模型

Figure 9. Linkage tracking system model

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图 10 位置环频率特性

Figure 10. Frequency characteristics of position loop

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图 11 实验装置组成

Figure 11. Configuration of the experimental system

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图 12 实验现场照片

Figure 12. Photographs of experimental site

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图 13 跟踪误差曲线

Figure 13. Tracking error curves

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表 1 接收端光功率测试结果

Table 1. Test results of optical power at the receiving end

跟踪方式监测点平均光功率

单镜独立跟踪/dB −24.6
双镜联动跟踪/dB −21.9

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