機(jī)載無(wú)線激光通信對(duì)準(zhǔn)-捕獲-跟蹤系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)飛行試驗(yàn)研究

李小明，張立中，孟立新，宋延嵩，姜會(huì)林（.空間光電技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，吉林長(zhǎng)春30022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春30022）

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機(jī)載無(wú)線激光通信對(duì)準(zhǔn)-捕獲-跟蹤系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)飛行試驗(yàn)研究

李小明1，2，張立中1，孟立新1，宋延嵩1，姜會(huì)林1
（1.空間光電技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，吉林長(zhǎng)春130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130022）

摘要：機(jī)載無(wú)線激光通信具有通信速率高、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好、布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，在天地一體化高速信息網(wǎng)絡(luò)、軍用保密通信、電磁干擾環(huán)境下可靠通信等應(yīng)用中有著廣闊前景。為解決機(jī)載環(huán)境下激光通信光軸對(duì)準(zhǔn)難題，通過(guò)對(duì)無(wú)線激光通信系統(tǒng)特點(diǎn)和Y-12型飛機(jī)平臺(tái)特性的分析，采用粗、精兩級(jí)復(fù)合跟蹤方案，設(shè)計(jì)了由被動(dòng)減震結(jié)合主動(dòng)抑制的粗跟蹤單元和電磁振鏡精跟蹤單元組成的機(jī)載無(wú)線激光通信對(duì)準(zhǔn)、捕獲、跟蹤（PAT）系統(tǒng)。Y-12飛機(jī)搭載該系統(tǒng)開(kāi)展了雙固定翼飛機(jī)間遠(yuǎn)距離、高速機(jī)載激光通信試驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的機(jī)載無(wú)線激光通信PAT系統(tǒng)的跟蹤性能和機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：通信技術(shù)；激光通信；機(jī)載平臺(tái)；對(duì)準(zhǔn)、捕獲、跟蹤

0　引言

飛機(jī)既是機(jī)動(dòng)靈活的偵查平臺(tái)，又是天空地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的重要傳輸節(jié)點(diǎn)。作為偵查平臺(tái)，飛機(jī)可以搭載多種傳感器，對(duì)地、對(duì)海、對(duì)空獲取豐富偵查信息，并由高速鏈路對(duì)外傳輸；通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以作為中繼站，擴(kuò)大地面、海面網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍或?qū)崿F(xiàn)天地間信息轉(zhuǎn)發(fā)。隨著探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，探測(cè)器分辨率的不斷提高，數(shù)據(jù)量逐步加大，對(duì)通信帶寬的要求越來(lái)越高，尤其通信的中繼終端，數(shù)據(jù)量更是成倍的增加?？臻g無(wú)線激光通信技術(shù)具有傳輸速率高、保密性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是航空平臺(tái)對(duì)外信息傳輸?shù)囊环N高效手段，機(jī)載無(wú)線激光通信技術(shù)發(fā)展可以大幅提升信息網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力［1-2］。

國(guó)外主要的機(jī)載平臺(tái)激光通信試驗(yàn)有：1996年美國(guó)Thermo Trex（TT）公司進(jìn)行的飛機(jī)對(duì)地面站間光通信試驗(yàn)，飛行高度1.1 km，通信速率1 Gbit/s，通信距離20～30 km.2009年美國(guó)麻省理工學(xué)院完成的飛機(jī)與地面站之間激光通信試驗(yàn)，飛行高度3.657 km，通信速率2.5 Gbit/s，鏈路距離25 km. 2011年美國(guó) TT公司與美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）完成的飛機(jī)對(duì)飛機(jī)激光鏈路通信試驗(yàn)，通信速率2.5 Gbit/s，通信距離94～132 km［3-4］.在國(guó)內(nèi)，2011年長(zhǎng)春理工大學(xué)完成雙直升機(jī)間高速激光通信試驗(yàn)，飛行高度600～800 m，速率1.5 Gbit/s，距離17.5 km，誤碼率10-6.

飛機(jī)作為高速的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在擴(kuò)大通信范圍的同時(shí)，也給無(wú)線激光通信帶來(lái)了很大的難度。飛機(jī)位置及姿態(tài)實(shí)時(shí)快速變化以及強(qiáng)烈的振動(dòng)使得通信光軸的對(duì)準(zhǔn)十分困難，必須采用對(duì)準(zhǔn)、捕獲、跟蹤（PAT）系統(tǒng)保證通信光軸高精度對(duì)準(zhǔn)，為無(wú)線激光通信奠定基礎(chǔ)［5］。

1　機(jī)載振動(dòng)環(huán)境分析

飛機(jī)高速飛行時(shí)，平臺(tái)振動(dòng)強(qiáng)烈，低頻擾動(dòng)幅度大，姿態(tài)變化快，隨機(jī)性強(qiáng)，振動(dòng)和擾動(dòng)的幅度不僅遠(yuǎn)大于可靠通信所要求的光軸對(duì)準(zhǔn)誤差，而且也遠(yuǎn)大于開(kāi)環(huán)指向所需要的光軸對(duì)準(zhǔn)精度。所以機(jī)載激光通信系統(tǒng)必須采用PAT系統(tǒng)抑制飛機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)和擾動(dòng)，保證通信雙方光軸高精度對(duì)準(zhǔn)，否則根本無(wú)法建立通信鏈路［6］。為了給PAT系統(tǒng)提供必要的設(shè)計(jì)參數(shù)，采用便攜式振動(dòng)測(cè)試儀，配合高精度傳感器對(duì)搭載激光通信系統(tǒng)的Y-12飛機(jī)振動(dòng)情況進(jìn)行了測(cè)試，傳感器參數(shù)如表1所示，測(cè)得的振動(dòng)情況如圖1所示。

表1　便攜式振動(dòng)測(cè)試儀技術(shù)參數(shù)Tab.1 Parameters of vibration tester

圖1　Y-12飛機(jī)振動(dòng)測(cè)試曲線Fig.1 Vibration test curve of Y-12 plane

從圖1測(cè)試曲線中可以看出：飛機(jī)諧振點(diǎn)在100 Hz左右，最大振幅約為265 μrad，振動(dòng)頻率最大1 000 Hz左右，所以飛機(jī)的低頻振動(dòng)比較強(qiáng)烈。

采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）測(cè)量飛機(jī)低頻姿態(tài)變化，測(cè)試結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2　INS測(cè)得飛機(jī)低頻姿態(tài)角速度變化Fig.2 Pose variation of plane test by INS

從圖3中可以看出，飛機(jī)飛行時(shí)，姿態(tài)變化較為明顯，最大姿態(tài)角速度約為6°/s，最大角加速度約為20°/s2.

圖3　INS測(cè)得飛機(jī)低頻姿態(tài)角加速度變化Fig.3 Acceleration variation of plane test by INS

2　PAT系統(tǒng)功能及主要參數(shù)分析

本文的機(jī)載無(wú)線激光通信PAT系統(tǒng)采用有信標(biāo)結(jié)構(gòu)，主要工作過(guò)程分為初始指向、快速捕獲、精確跟蹤3個(gè)主要階段，其工作過(guò)程如圖4所示，在PAT系統(tǒng)完成精確跟蹤后，系統(tǒng)即可開(kāi)始進(jìn)行動(dòng)態(tài)激光通信。PAT系統(tǒng)跟蹤精度要求為粗跟蹤精度50 μrad（1σ，σ為總體標(biāo)準(zhǔn)差），精跟蹤精度8 μrad（1σ）.

圖4　機(jī)載無(wú)線激光通信PAT系統(tǒng)工作流程示意圖Fig.4 Working process of PAT system

初始對(duì)準(zhǔn)不確定區(qū)域（FOU）是影響激光通信終端光軸對(duì)準(zhǔn)的重要參數(shù)，如果不確定區(qū)域過(guò)大，將嚴(yán)重制約捕獲時(shí)間、捕獲概率。但是，不確定區(qū)域的減小受到終端所在平臺(tái)姿態(tài)控制精度、平臺(tái)空間定位精度、伺服轉(zhuǎn)臺(tái)指向精度和穩(wěn)定精度等限制。對(duì)于機(jī)載激光通信系統(tǒng)，根據(jù)各誤差環(huán)節(jié)對(duì)其捕獲不確定區(qū)域分析如表2所示。

表2　不確定區(qū)域分析表Tab.2 Analysis of uncertain region

目標(biāo)出現(xiàn)在捕獲不確定區(qū)域的概率為

式中：θv為俯仰方向的角偏差；θh為方位方向的角偏差；″OU為初始對(duì)準(zhǔn)不確定區(qū)。（1）式可簡(jiǎn)化成幅度上為瑞利分布、極角為1/（2π）的均勻分布，在極坐標(biāo)內(nèi)積分為

粗跟蹤精度主要受系統(tǒng)跟蹤電荷耦合元件（CCD）相機(jī)測(cè)量誤差、動(dòng)態(tài)滯后誤差、平臺(tái)振動(dòng)抑制殘差影響。動(dòng)態(tài)滯后誤差可表示為

測(cè)試表明飛機(jī)姿態(tài)變化最大速度約為6°/s，角加速度20°/s2，控制系統(tǒng) Kv設(shè)計(jì)為6 000，Ka為23 000.系統(tǒng)的滯后誤差為23.5 μrad.分析表明，系統(tǒng)可滿足粗跟蹤精度50 μrad（見(jiàn)表3）的要求，精跟蹤分析見(jiàn)表4.

表3　粗跟蹤精度分析Tab.3 Accuracy analysis of coarse tracking system

表4　精跟蹤精度分析Tab.4 Accuracy analysis of fine tracking system

3　PAT系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)組成

由于飛機(jī)姿態(tài)變化范圍大、振動(dòng)頻率高，要在機(jī)載環(huán)境下實(shí)現(xiàn)通信雙方光軸的高精度對(duì)準(zhǔn)，不僅需要PAT系統(tǒng)具有高跟蹤帶寬和高跟蹤精度，還要具備較大的跟蹤范圍。因此本文中采用粗、精兩級(jí)復(fù)合跟蹤方案：1）由跟蹤精度和帶寬都相對(duì)低，但跟蹤范圍大的粗跟蹤系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行粗跟蹤，將目標(biāo)穩(wěn)定在精跟蹤系統(tǒng)視場(chǎng)范圍內(nèi)；2）由跟蹤范圍小，但精度和帶寬較高的精跟蹤單元進(jìn)行跟蹤，滿足系統(tǒng)高精度跟蹤的要求。研制的機(jī)載激光通信PAT系統(tǒng)組成如圖5所示，系統(tǒng)主要由粗跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)、光學(xué)基臺(tái)（內(nèi)部有精跟蹤單元等）及其PAT控制單元組成。光學(xué)基臺(tái)光學(xué)原理如圖6所示，主要由信標(biāo)發(fā)射光學(xué)天線、粗跟蹤接收光學(xué)天線和通信、精跟蹤共用光學(xué)天線及相應(yīng)的光斑檢測(cè)單元和控制單元等組成。

圖5　機(jī)載激光通信PAT系統(tǒng)組成示意圖Fig.5 Composition of PAT system for airborne laser communication

3.2分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1粗跟蹤單元

根據(jù)機(jī)載平臺(tái)振動(dòng)環(huán)境特點(diǎn)，粗跟蹤單元設(shè)計(jì)為兩軸4框架跟蹤機(jī)構(gòu)［7］，跟蹤機(jī)構(gòu)由內(nèi)、外環(huán)架組成，如圖7所示。

4框架即內(nèi)方位框架、內(nèi)俯仰框架、外俯仰框架和外方位框架，內(nèi)、外環(huán)路均包含獨(dú)立的方位軸和俯仰軸，為兩軸結(jié)構(gòu)。內(nèi)、外環(huán)之間通過(guò)減振器聯(lián)接，外環(huán)的方位和俯仰運(yùn)動(dòng)隨動(dòng)于內(nèi)環(huán)。粗跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的穩(wěn)定精度和跟蹤精度由內(nèi)環(huán)保證，內(nèi)環(huán)采用直驅(qū)方式，實(shí)現(xiàn)高帶寬的要求。其負(fù)載為光學(xué)基臺(tái)，光學(xué)基臺(tái)采用整體穩(wěn)定模式，激光通信組件、精跟蹤組件和粗跟蹤相機(jī)安裝在光學(xué)基臺(tái)上，內(nèi)環(huán)的負(fù)載為16 kg.內(nèi)框架的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍設(shè)計(jì)為±5°，因其質(zhì)量相對(duì)較小，運(yùn)動(dòng)范圍小，所以可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于50 μrad的跟蹤精度。外環(huán)框架的設(shè)計(jì)為方位角±180°、俯仰角±90°的大范圍運(yùn)動(dòng)，隨動(dòng)于內(nèi)框架，同時(shí)抑制風(fēng)阻、平臺(tái)移動(dòng)或振動(dòng)等干擾。

圖6　光學(xué)基臺(tái)光學(xué)原理圖Fig.6 Composition of optical system

圖7　兩軸4框架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure diagram of coarse tracking mechanism

粗跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)采用球形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以減少外掛在飛機(jī)上時(shí)，飛行過(guò)程中產(chǎn)生的風(fēng)阻和風(fēng)擾力矩。光電轉(zhuǎn)臺(tái)采用動(dòng)態(tài)密封技術(shù)，以滿足防雨、防潮和氣密性等環(huán)境要求。為了使轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)安裝的傳感器在高空有良好的壓力工作環(huán)境，轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝有泄壓閥，保持高空轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)外的壓力平衡。粗跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)和外形如圖8所示。

由于主動(dòng)伺服系統(tǒng)的伺服帶寬有限，對(duì)超出伺服帶寬的高頻振動(dòng)采用減振器進(jìn)行被動(dòng)減振。減振器要具有足夠的衰減能力，并且放大段必須在伺服控制帶寬以內(nèi)，保證被減振器放大的振動(dòng)能被主動(dòng)伺服系統(tǒng)衰減［8］。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，兩軸4框架轉(zhuǎn)臺(tái)的伺服帶寬能達(dá)到20 Hz左右［9］，飛機(jī)的振動(dòng)在20 Hz處振動(dòng)幅度為70 μrad，因此要求減振器在該頻率處的衰減要大于0.35，放大段最高頻率小于20 Hz.最終選擇減振器的衰減率曲線如圖9所示，減振器放大段最高頻率約為10 Hz，20 Hz處衰減為0.3，大于50 Hz后衰減率大于0.1.

圖8　粗跟蹤機(jī)構(gòu)圖Fig.8 Coarse tracking turret

圖9　減振器衰減率曲線Fig.9 Attenuation curve of damper

3.2.2精跟蹤單元

精跟蹤單元的主要作用是在粗跟蹤的基礎(chǔ)上對(duì)跟蹤殘差進(jìn)行進(jìn)一步主動(dòng)抑制，提高光軸對(duì)準(zhǔn)精度［9］。該單元由CCD相機(jī)光斑檢測(cè)單元、精跟蹤控制單元和振鏡組成，如圖10所示。影響精跟蹤精度的主要誤差源為執(zhí)行器誤差、光斑檢測(cè)誤差、動(dòng)態(tài)滯后誤差、平臺(tái)振動(dòng)殘差。為了提高精跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度，采用CCD相機(jī)亞像素細(xì)分技術(shù)、自動(dòng)調(diào)整積分時(shí)間技術(shù)實(shí)現(xiàn)光斑高精度檢測(cè)［10-11］；選用對(duì)感興趣窗口隨機(jī)讀出（ROI）模式的相機(jī)，采用像元合素等技術(shù)實(shí)現(xiàn)2 000幀頻輸出。

圖10　精跟蹤伺服單元組成圖Fig.10 Structure of fine tracking system

根據(jù)系統(tǒng)需求，精跟蹤單元設(shè)計(jì)的閉環(huán)幅頻和相頻特性曲線如圖11所示。從圖11曲線可以看到，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)截止頻率333 Hz，相位裕量65.4°，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)系統(tǒng)的帶寬和伺服剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

4　系統(tǒng)性能測(cè)試及飛行試驗(yàn)

4.1室內(nèi)測(cè)試

機(jī)載轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)裝配完成后，通過(guò)掃頻實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)剛度和被動(dòng)減振效果。使用振動(dòng)臺(tái)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)施加隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)，分別測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)外框架、內(nèi)框架的頻率響應(yīng)特性，傳感器安裝和測(cè)試曲線如圖12和圖13所示，其中4號(hào)、5號(hào)為外環(huán)傳感器，6號(hào)、7號(hào)為內(nèi)環(huán)傳感器。

圖12　傳感器安裝示意圖Fig.12 Installation instruction of sensors

圖13　隨機(jī)共振測(cè)試曲線（5～500 Hz）Fig.13 Curves of stochastic resonance（5～500 Hz）

由圖13可見(jiàn)，系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)的諧振頻率約為12 Hz，小于伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶寬，外環(huán)的振動(dòng)得到有效衰減。

通過(guò)室內(nèi)動(dòng)態(tài)跟蹤實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證PAT系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤性能，為后續(xù)開(kāi)展野外飛行試驗(yàn)提供保證。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖14所示，跟蹤精度測(cè)試結(jié)果如圖15所示。

室內(nèi)動(dòng)態(tài)測(cè)試表明在模擬機(jī)載振動(dòng)條件下PAT系統(tǒng)粗跟蹤精度50 μrad（最大值），22 μrad（1σ），精跟蹤精度4 μrad（最大值），2 μrad（1σ）.

圖14　機(jī)載PAT系統(tǒng)室內(nèi)測(cè)試Fig.14 Indoor testing of PAT system

圖15　PAT系統(tǒng)室內(nèi)測(cè)試精度Fig.15 Indoor test accuracy of PAT system

4.2野外飛行測(cè)試

采用兩架Y-12飛機(jī)對(duì)機(jī)載PAT系統(tǒng)性能進(jìn)行了一系列的飛行試驗(yàn)和測(cè)試。機(jī)載PAT試驗(yàn)系統(tǒng)如圖16所示，系統(tǒng)安裝在安裝支架上，固定在飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)部，如圖17所示。

為了減小飛機(jī)高速飛行時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響，對(duì)PAT系統(tǒng)安裝處的飛機(jī)窗口進(jìn)行了適應(yīng)性改造，如圖18所示。機(jī)載 PAT系統(tǒng)在10～144 km距離上進(jìn)行了機(jī)載條件下的性能動(dòng)態(tài)測(cè)試。

圖19和圖20分別為機(jī)載條件下PAT系統(tǒng)的粗跟蹤和精跟蹤誤差，可見(jiàn)粗跟蹤誤差（1σ）：方位軸16.19 μrad，俯仰軸 17.68 μrad；精跟蹤誤差（1σ）：方位軸5.5 μrad，俯仰軸4.4 μrad.

圖16　機(jī)載PAT試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.16 PAT experimental system

圖17　機(jī)載PAT系統(tǒng)機(jī)艙內(nèi)安裝圖Fig.17 Inside place of PAT system

圖18　雙固定翼飛機(jī)激光通信試驗(yàn)光學(xué)窗口Fig.18 Optical windows for experiment

圖19　粗跟蹤精度Fig.19 Tracking accuracy of coarse tracking system

圖20　精跟蹤精度Fig.20 Tracking accuracy of fine tracking system

5　結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)飛機(jī)平臺(tái)特性的測(cè)試，針對(duì)性地對(duì)機(jī)載無(wú)線激光通信PAT系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行研究與分析，設(shè)計(jì)了由兩軸4框架粗跟蹤單元、基于壓電陶瓷振鏡的精跟蹤單元組成的機(jī)載PAT試驗(yàn)系統(tǒng)。并采用Y-12飛機(jī)在國(guó)內(nèi)首次進(jìn)行兩架固定翼飛機(jī)間距離10～144 km的的遠(yuǎn)距離捕獲、跟蹤試驗(yàn)。試驗(yàn)表明機(jī)載PAT系統(tǒng)在實(shí)際機(jī)載環(huán)境下，粗跟蹤精度優(yōu)于25 μrad（1σ），精跟蹤精度優(yōu)于8 μrad（1σ），為機(jī)載高速、遠(yuǎn)距離無(wú)線激光通信提供了保障。

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中圖分類號(hào)：TN929.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-1093（2016）06-1044-08

DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2016.06.011

收稿日期：2015-05-11

基金項(xiàng)目：教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目（20132216110006）

作者簡(jiǎn)介：李小明（1984—），男，博士研究生。E-mail：lxmkidd@126.com；姜會(huì)林（1945—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：hljiang@cust.edu.cn

Research and Experiment of Pointing/acquisition/tracking System for Airborne Space Laser Communication

LI Xiao-ming1，2，ZHANG Li-zhong1，MENG Li-xin1，SONG Yan-song1，JIANG Hui-lin1
（1.National and Local Joint Engineering Research Center of Space Optoelectronics Technology，Changchun 130022，Jilin，China；2.School of Photoelectric Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，Jilin，China）

Abstract：Airborne space laser communication is characterized by high speed，anti-electromagnetic interference，security and easy assignment.It has been applied in the areas of integrated space-ground communication，networking communication，military communication，reliable communication in anti-electromagnetic environment.The characteristics of airborne laser communication and Y-12 plane are analyzed for aligning the communication optical-axis on airborne platform.Two-stage tracking technology is used to design an airborne pointing，acquisition and tracking（PAT）system for laser communication，which consists of coarse and fine tracking units.The long distance communication experiment of the system carried by Y-12 planes is accomplished.The experiment proves the tracking performance and adaptability of the PAT system.

Key words：communication technology；laser communication；airborne platform；pointing，acquisition and tracking