基于空間光反饋的復(fù)合軸跟蹤穩(wěn)定特性研究*

陳 陽，張書哲，楊興昊，于思源

基于空間光反饋的復(fù)合軸跟蹤穩(wěn)定特性研究*

陳 陽，張書哲，楊興昊，于思源

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 哈爾濱 150001）

復(fù)合軸系統(tǒng)通過粗瞄結(jié)構(gòu)和精瞄機(jī)構(gòu)配合，解決了空間光通信大角度和高精度跟蹤之間的矛盾，是實(shí)現(xiàn)高速率空間光通信的重要手段。但是粗瞄和精瞄配合工作也給復(fù)合軸系統(tǒng)帶來了復(fù)雜的解耦問題，使整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性降低，在跟蹤速率變化較快的目標(biāo)時(shí)，容易出現(xiàn)振蕩，甚至使系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。以復(fù)合軸系統(tǒng)為研究基礎(chǔ)，通過伯德圖對系統(tǒng)的跟蹤帶寬、精度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到解耦過程是影響復(fù)合軸系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要原因。提出了基于跟蹤微分器的線性自抗擾復(fù)合軸控制解耦方案，在保證系統(tǒng)精度的情況下，抑制系統(tǒng)在解耦過程中可能出現(xiàn)的振蕩發(fā)散現(xiàn)象。在衛(wèi)星軌道模擬平臺上進(jìn)行復(fù)合軸跟蹤實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在最大角加速度0.32°/s2的軌道運(yùn)動(dòng)和最大角加速度2.26°/s2的微振動(dòng)情況下，改進(jìn)復(fù)合軸控制有效地提高了系統(tǒng)跟蹤的穩(wěn)定性，最終跟蹤精度優(yōu)于1 μrad(3σ)。

空間光通信；PAT系統(tǒng)；復(fù)合軸控制；系統(tǒng)穩(wěn)定性

引 言

與傳統(tǒng)的微波通信相比，空間光通信具有體積小、重量輕、速率高等優(yōu)點(diǎn)，因此，空間光通信對于構(gòu)建空天地通信骨干網(wǎng)絡(luò)、促進(jìn)衛(wèi)星組網(wǎng)等具有重要意義[1–3]。使用能量集中、束寬極窄的激光作為通信載體使空間光通信具有明顯優(yōu)勢，但是這同時(shí)也對空間光通信的鏈路保持提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)空間光通信鏈路的穩(wěn)定，高精度的瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤PAT（Process Analytical Technology）技術(shù)得以發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)高精度的光束指向，PAT系統(tǒng)通過粗瞄機(jī)構(gòu)和精瞄機(jī)構(gòu)復(fù)合的復(fù)合軸指向系統(tǒng)進(jìn)行光束跟蹤，其中，粗瞄機(jī)構(gòu)用來保證大范圍的光束粗略指向，精瞄機(jī)構(gòu)保證小范圍內(nèi)光束的精確指向[4]。研究粗瞄機(jī)構(gòu)和精瞄機(jī)構(gòu)在PAT系統(tǒng)工作時(shí)的配合方法，即復(fù)合軸控制策略，是實(shí)現(xiàn)高精度指向跟蹤的重要內(nèi)容。

目前，激光通信終端朝著小型化、低成本發(fā)展，在PAT系統(tǒng)中往往也采用單探測器類型的復(fù)合軸控制方案。單探測器型復(fù)合軸控制技術(shù)作為空間光通信鏈路跟蹤的重要手段，國內(nèi)外對其控制策略進(jìn)行了深入研究[5,6]。美國在光通信演示OCD（Optical Communication Demonstration）系統(tǒng)中通過精瞄機(jī)構(gòu)補(bǔ)償粗瞄機(jī)構(gòu)跟蹤殘差的方式構(gòu)建了復(fù)合軸控制系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中探測器不接收經(jīng)過精瞄機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)后的光信號，所以精瞄機(jī)構(gòu)開環(huán)工作，具有穩(wěn)定性隱患。但是在此計(jì)劃中，采用了電荷耦合元件CCD（Charge Coupled Device）二開窗結(jié)構(gòu)，提高了CCD探測器的采樣頻率[7]。歐空局在SILEX計(jì)劃中采用QD作為光探測器與精瞄機(jī)構(gòu)構(gòu)成閉環(huán)，粗瞄機(jī)構(gòu)并不直接接收光探測器的信號，而是通過對精瞄機(jī)構(gòu)進(jìn)行偏角檢測，當(dāng)精瞄機(jī)構(gòu)的角度到達(dá)一定范圍時(shí)對粗瞄機(jī)構(gòu)發(fā)出卸載指令，保證精瞄機(jī)構(gòu)在零位附近工作，同時(shí)可以進(jìn)行較大角度的跟蹤[8,9]。

與雙探測器類型的復(fù)合軸系統(tǒng)相比，單探測器類型的復(fù)合軸系統(tǒng)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、安裝復(fù)雜性低、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，但也由于粗瞄機(jī)構(gòu)和精瞄結(jié)構(gòu)共用一個(gè)探測器，會給控制系統(tǒng)帶來復(fù)雜的解耦問題[10]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入耦合使系統(tǒng)的魯棒性降低，容易出現(xiàn)發(fā)散振蕩現(xiàn)象，不利于空間光通信鏈路長時(shí)間穩(wěn)定工作，前期的衛(wèi)星激光通信在軌試驗(yàn)中在角加速度較快時(shí)均出現(xiàn)了相關(guān)現(xiàn)象。

前期對于單探測器型復(fù)合軸控制的研究中，一般在動(dòng)態(tài)范圍下可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1 μrad～3 μrad(3σ)的跟蹤效果[11–18]。但是由于復(fù)合軸控制系統(tǒng)十分復(fù)雜，研究內(nèi)容多集中在其功能實(shí)現(xiàn)上，對于其解耦過程與穩(wěn)定性內(nèi)在關(guān)聯(lián)的研究較少。本文結(jié)合組成復(fù)合軸的粗精瞄特性，基于跟蹤微分器及線性自抗擾控制改進(jìn)了復(fù)合軸跟蹤解耦過程，其中跟蹤微分器用于精瞄至粗瞄的解耦，線性自抗擾及線性擴(kuò)張觀測器LESO（Liner Extended State Observer）用于設(shè)計(jì)粗瞄帶寬及擾動(dòng)觀測，通過此算法設(shè)計(jì)可以有效解決粗瞄、精瞄的解耦問題，并在一定程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模擬軌道及星上微振動(dòng)情況進(jìn)行了復(fù)合軸跟蹤實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其跟蹤精度優(yōu)于1 μrad(3σ)，并有效抑制了復(fù)合軸系統(tǒng)在高變化速率時(shí)的振蕩現(xiàn)象。

1 單探測器型復(fù)合軸控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)模型

單探測器型復(fù)合軸控制系統(tǒng)的粗瞄系統(tǒng)和精瞄系統(tǒng)之間具有很強(qiáng)的耦合性，一般由粗瞄機(jī)構(gòu)控制主天線角度偏轉(zhuǎn)，精瞄機(jī)構(gòu)控制光束精確偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)入射光束的接收。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制如圖1所示。

圖1 單探測器型復(fù)合軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制框圖

通過圖1（b）可以得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下：

通過閉環(huán)傳遞函數(shù)分析，單探測器型復(fù)合軸系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)由精瞄系統(tǒng)主導(dǎo)，但是附帶了粗瞄系統(tǒng)和精瞄系統(tǒng)乘積的耦合項(xiàng)，所以與單純的精瞄系統(tǒng)或者粗瞄系統(tǒng)相比，復(fù)合軸系統(tǒng)復(fù)雜性顯著提高。

1.2 系統(tǒng)帶寬和穩(wěn)定性分析

選取典型的粗瞄機(jī)構(gòu)和精瞄機(jī)構(gòu)構(gòu)建單探測器型復(fù)合軸控制系統(tǒng)，伯德圖如圖2所示。

圖2 單探測器型復(fù)合軸系統(tǒng)控制系統(tǒng)伯德圖

通過伯德圖可以看出，單探測器型復(fù)合軸控制系統(tǒng)的伯德圖和精瞄系統(tǒng)的伯德圖基本一致，但是在中低頻段受到粗瞄機(jī)構(gòu)的影響，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度有所降低。所以粗瞄機(jī)構(gòu)在低頻段可以帶來大角度的跟蹤效果，但是其在中低頻段產(chǎn)生的噪聲干擾也會對整個(gè)復(fù)合軸控制系統(tǒng)帶來負(fù)面影響，是復(fù)合軸系統(tǒng)在加速度較快時(shí)產(chǎn)生振蕩乃至發(fā)散的主要原因。

通過單復(fù)合軸復(fù)合控制系統(tǒng)的控制框圖可以得到其誤差傳遞函數(shù)為：

同時(shí)也可以單獨(dú)計(jì)算出精瞄系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為：

根據(jù)誤差函數(shù)繪制粗瞄系統(tǒng)、精瞄系統(tǒng)以及復(fù)合軸控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)繪制伯德圖如圖3所示。通過伯德圖分析可得，與單純的精瞄系統(tǒng)相比，粗瞄系統(tǒng)的加入，使系統(tǒng)在低頻段對干擾的抑制能力增加，但是在中低頻段抑制能力有所降低。這主要是由于粗瞄機(jī)構(gòu)在中低頻段時(shí)引入了噪聲，所以傳統(tǒng)的解耦辦法會在解耦過程中加入低通濾波器使粗瞄機(jī)構(gòu)運(yùn)行在低頻狀態(tài)，去除或降低引起粗瞄機(jī)構(gòu)產(chǎn)生噪聲的中高頻輸入量。但是僅僅減少輸入噪聲不僅會使精瞄工作壓力上升，而且無法解決粗瞄機(jī)構(gòu)引出中低頻噪聲的問題。所以除了對精瞄機(jī)構(gòu)和粗瞄機(jī)構(gòu)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)之外，選取合適的解耦過程對于復(fù)合軸控制系統(tǒng)的跟蹤精度有十分重要的影響。合適的解耦過程可以有效降低粗瞄機(jī)構(gòu)在中低頻段對于跟蹤效果的負(fù)面影響，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的跟蹤精度。

圖3 單探測器型復(fù)合軸系統(tǒng)誤差伯德圖

2 基于跟蹤微分器的線性自抗擾復(fù)合軸控制方法

通過復(fù)合軸系統(tǒng)帶寬及穩(wěn)定性分析可以看出，影響系統(tǒng)跟蹤精度及穩(wěn)定性的主要因素是精瞄偏角發(fā)送給粗瞄過程中引入的控制信號噪聲和粗瞄跟蹤過程中產(chǎn)生的中低頻噪聲。跟蹤微分器是韓京清研究員提出的一種非線性微分跟蹤器[19]，可以對輸入信號進(jìn)行濾波并求其微分信號，可以有效濾除輸入信號的噪聲。線性自抗擾控制是高志強(qiáng)教授在韓京清研究員提出的自抗擾控制基礎(chǔ)上的改進(jìn)形式[20,21]，其擾動(dòng)觀測器可以對外部輸入干擾噪聲進(jìn)行觀測，同時(shí)可以采用帶寬整定法對粗瞄機(jī)構(gòu)帶寬進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使解耦過程對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響最小，提高整個(gè)復(fù)合軸系統(tǒng)的魯棒性。

跟蹤微分器基本形式如式（6）～式（8）所示。

本文采用跟蹤微分器對精瞄機(jī)構(gòu)的偏角反饋信號進(jìn)行低通濾波，同時(shí)采用其微分輸出作為前饋控制量控制粗瞄機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，則基于跟蹤微分器的復(fù)合軸控制圖如圖4所示。

圖4 基于TD過程的線性自抗擾復(fù)合軸控制框圖

通過TD構(gòu)成復(fù)合軸控制的解耦過程可以有效濾除精瞄機(jī)構(gòu)位置偏角中的高頻噪聲，使粗瞄機(jī)構(gòu)在運(yùn)行的過程中不必產(chǎn)生額外的噪聲干擾，同時(shí)減少因?yàn)V波帶來的相位延遲。其微分輸出作為前饋信號提高了粗瞄機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)能力。

在粗跟蹤的位置環(huán)采用線性自抗擾控制方案，由于在解耦過程中已經(jīng)采用了TD，所以不必再安排過渡過程。采用帶寬整定的方式完成對于粗瞄機(jī)構(gòu)位置環(huán)控制，可以將粗瞄機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的中頻噪聲進(jìn)行合理安排，使其產(chǎn)生的影響最小。

其觀測器帶寬可以通過特征方程設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，特征方程如下：

而系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)為理想二階系統(tǒng)的形式，則可以通過帶寬法對系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室搭建衛(wèi)星平臺模擬系統(tǒng)對基于空間光探測器的復(fù)合軸控制系統(tǒng)性能進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)如圖5所示。通過平行光管構(gòu)建遠(yuǎn)場光束模擬，通過模型模擬控制器控制二維轉(zhuǎn)臺和振動(dòng)臺實(shí)現(xiàn)對于衛(wèi)星軌道、姿態(tài)以及微振動(dòng)的模擬。PAT控制器則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)粗瞄機(jī)構(gòu)和精瞄機(jī)構(gòu)的指向以及復(fù)合軸控制算法等。

圖5 單探測器復(fù)合軸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

在實(shí)驗(yàn)中通過衛(wèi)星模擬控制器控制二維轉(zhuǎn)臺執(zhí)行0.2°@0.2 Hz的正弦運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對于衛(wèi)星軌道的仿真，同時(shí)控制振動(dòng)臺做10 μrad@10 Hz的正弦運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對于衛(wèi)星平臺微振動(dòng)的仿真，其控制輸出如圖6所示。在衛(wèi)星模擬平臺上，分別采用傳統(tǒng)復(fù)合軸控制方案和改進(jìn)的復(fù)合軸控制方案進(jìn)行跟蹤實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖6 衛(wèi)星軌道及微振動(dòng)模擬曲線

圖7 復(fù)合軸控制系統(tǒng)跟蹤殘差曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，僅使用低通濾波器的傳統(tǒng)復(fù)合軸系統(tǒng)的跟蹤能力誤差在2 μrad(3σ)左右，改進(jìn)復(fù)合軸系統(tǒng)的跟蹤誤差優(yōu)于1μrad(3σ)。改進(jìn)的復(fù)合軸控制系統(tǒng)首先通過TD過程實(shí)現(xiàn)了對于解耦信號的濾波，同時(shí)其微分輸出作為前饋也提高了粗瞄機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)能力。其次通過帶寬整定法整定的線性自抗擾控制方法使粗瞄結(jié)構(gòu)的帶寬安排在相對較低的頻段，降低其輸出噪聲對精瞄機(jī)構(gòu)跟蹤的影響。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，紅框選中部分為軌道運(yùn)動(dòng)加速度最高的階段，在此階段傳統(tǒng)的復(fù)合軸控制方案對軌道擾動(dòng)的抑制效果較差，而改進(jìn)的復(fù)合軸控制方案可以使跟蹤精度保持和軌道勻緩過程的跟蹤精度基本一致，有效地提高了系統(tǒng)的跟蹤精度和穩(wěn)定度。

4 結(jié)束語

本文對空間光反饋的復(fù)合軸系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行研究，以復(fù)合軸控制系統(tǒng)的特點(diǎn)為基礎(chǔ)，通過系統(tǒng)伯德圖，對復(fù)合軸控制系統(tǒng)的帶寬、精度以及其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。通過理論分析得出影響復(fù)合軸系統(tǒng)穩(wěn)定的主要原因是解耦過程中粗瞄產(chǎn)生的中低頻噪聲，這部分噪聲部分來源于信號輸入，另外一部分則是系統(tǒng)固有輸出?；谏鲜龇治?，提出了基于TD過程的線性自抗擾解耦方案，在信號輸入端通過TD過程實(shí)現(xiàn)對于輸入信號的濾波處理，同時(shí)微分信號作為前饋，有效解決傳統(tǒng)低通濾波帶來的相位延遲問題，使復(fù)合軸系統(tǒng)對于輸入端干擾具有更高的魯棒性；選用線性自抗擾控制作為解耦控制輸入，對粗瞄機(jī)構(gòu)的帶寬進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使其輸出噪聲對系統(tǒng)影響最小，提高了整個(gè)復(fù)合軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過衛(wèi)星模擬平臺進(jìn)行了半實(shí)物模擬跟蹤實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的單探測器型復(fù)合軸控制方案的最終跟蹤精度為1 μrad(3σ)，在角速度較快時(shí)，有效地保證了復(fù)合軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[1] 高鐸瑞, 謝壯, 馬榕, 等. 衛(wèi)星激光通信發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析（特邀）[J]. 光子學(xué)報(bào), 2021, 50(4): 9–29.

GAO Duorui, XIE Zhuang, MA Rong, et al. Development current status and trend analysis of satellite laser communication(Invited) [J].Acta Photonica Sinica, 2021, 50(4): 9–29.

[2] 劉向南, 李春才, 李曉亮, 等. 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)空間激光通信新技術(shù)[J]. 遙測遙控, 2019, 40(1): 1–7.

LIU Xiangnan, LI Chuncai, LI Xiaoliang, et al. New technologies of space laser communication for the space-ground integrated information network[J]. Journal of Telemetry,Tracking and Command, 2019, 40(1): 1–7.

[3] 蔡鳳福. 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)空間激光通信新技術(shù)研究[J]. 通訊世界, 2020, 27(7): 57–58.

[4] XU S, HAN J. Design and analysis of ATP compound axis control system for intersatellite optical communication[C]//2018 IEEE 4th International Conference on Control Science and Systems Engineering (ICCSSE): 312–316.

[5] 閆愛民, 周煜, 孫建鋒, 等. 衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄技術(shù)及發(fā)展[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2010, 47(4): 1–6.

YAN Aimin, ZHOU Yu, SUN Jianfeng, et al. Technology and progress of compound-axis pointing in satellite laser communication[J].Laser & Optoelectronics Progress, 2010, 47(4): 1–6.

[6] 馬佳光, 唐濤. 復(fù)合軸精密跟蹤技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 紅外與激光工程, 2013, 42(1): 218–227.

MA Jiaguang, TANG Tao. Review of compound axis servomechanism tracking control technology[J].Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(1): 218–227.

[7] RUSSELL D, ANSARI H, CHEN C C. Lasercom pointing, acquisition, and tracking control using a CCD-based tracker[C]//Free-Space Laser Communication Technologies VI. SPIE, 2123: 294–303.

[8] NIELSEN T T. Pointing, acquisition, and tracking system for the free-space laser communication system SILEX[C]//Free-Space Laser Communication Technologies VII. SPIE, 2381: 194–205.

[9] CALZOLAIO D, CURRELI F, DUNCAN J, et al. EDRS-C : The second node of the European data relay system is in orbit[J]. Acta Astronautica, 2020, 177: 537–544.

[10] 楊松濤, 和麗清. 單探測器型復(fù)合軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的若干問題[J]. 激光與紅外, 2020, 50(4): 457–462.

YANG Songtao, HE Liqing. Some problems of the design of compound-axis servomechanism using single detector[J]. Laser & Infrared, 2020, 50(4): 457–462.

[11] WU W, CHEN M, ZHANG Z, et al. Overview of deep space laser communication[J]. Science China Information Sciences, 2018, 61(4): 040301.

[12] ARAI K. Development and on-orbit experiment results of optical inter-orbit communications engineering test satellite (OICETS)“KIRARI”[J]. IEICE Communications Society Magazine, 2007, 2007(3): 54-63.

[13] 于思源, 高惠德, 王立松, 等. 衛(wèi)星光通信復(fù)合軸跟瞄控制方法研究[J]. 激光技術(shù), 2002(2): 114–116.

YU Siyuan, GAO Huide, WANG Lisun, et al. Multiple-axis pointing control in intersatellite optical communication[J].Laser Technology, 2002(2): 114–116.

[14] 王強(qiáng), 傅承毓, 陳科, 等. 預(yù)測軌跡修正單檢測型復(fù)合軸控制方法[J]. 光電工程, 2007(4): 17–21,38.

WANG Qiang, FU Chengyu, CHEN Ke, et al. Single detector compound axis control based on realtime predicted trajectory correcting method[J].Opto-Electronic Engineering, 2007(4): 17–21,38.

[15] 王偉, 劉云清, 董巖, 等. 空間激光通信中復(fù)合跟蹤技術(shù)研究[J]. 激光與紅外, 2020, 50(4): 403–406.

WANG Wei, LIU Yunqing, DONG Yan, et al. Research on composite tracking technology in space laser communication[J]. Laser & Infrared, 2020, 50(4): 403–406.

[16] 姜曉明, 王旭烽, 張偉芳, 等. 激光跟瞄系統(tǒng)粗精復(fù)合軸協(xié)同控制策略優(yōu)化研究[J]. 空天防御, 2019, 2(3): 31–37.

JIANG Xiaoming, WANG Xufeng, ZHANG Weifang, et al. Coarse-fine compound axis cooperative control strategy optimization for laser tracking & aiming system[J].Air&Space Defense,2019, 2(3): 31–37.

[17] 宋延嵩, 佟首峰, 董巖, 等. 基于現(xiàn)場可編程門陣列單探測器復(fù)合軸控制技術(shù)[J]. 光子學(xué)報(bào), 2014, 43(4): 28–34.

SONG Yansong, TONG Shoufeng, DONG Yan, et al. Technique of compound axis control using single detector based on field programmable gata array[J].Acta Photonica Sinica, 2014, 43(4): 28–34.

[18] 蔡美華, 孔德聰, 佟鑫剛. 單探測型復(fù)合軸系統(tǒng)粗精指向?qū)?zhǔn)的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 光電技術(shù)應(yīng)用, 2019, 34(1): 63–66.

CAI Meihua, KONG Decong, TONG Xingang.Research and implementation of coarse fine pointing alignment for single composite shaft detection system[J].Electro-Optic Technology Application, 2019, 34(1): 63–66.

[19] HAN J. From PID to active disturbance rejection control[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(3): 900–906.

[20] GAO Zhiqiang. Scaling and bandwidth-parameterization based controller tuning[C]// IEEE Proceedings of the 2003 American Control Conference, 2003: 4989–4996.

[21] GAO Z. Active disturbance rejection control: a paradigm shift in feedback control system design[C]//2006 American Control Conference,2006.

Research on tracking stability characteristics of compound-axis based on space light feedback

CHEN Yang, ZHANG Shuzhe, YANG Xinghao, YU Siyuan

（Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China）

Through the cooperation of coarse pointing assemble and fine pointing assemble, the compound-axis system solves the contradiction between large angle and high precision tracking in space optical communication and is an important means to realize high-speed space optical communication. However, the coordination of coarse pointing assemble and fine pointing assemble also brings complex decoupling problems to the compound-axis system, which reduces the robustness of the whole system. When tracking targets with fast-changing speed, it is easy to oscillate, and even make the system in an unstable state. In this paper, the tracking bandwidth, accuracy, and stability of the system are analyzed based on the compound axis system by Byrd diagram, and it is concluded that the decoupling process is the main reason that affects the stability of the compound axis system. A linear auto-disturbance rejection compound axis control decoupling scheme based on tracking differentiator is proposed to restrain the oscillation divergence that may occur in the process of decoupling while ensuring the accuracy of the system. The compound axis tracking experiment is carried out on the satellite orbit simulation platform. The experimental results show that in the case of orbit motion with a maximum angular acceleration of 0.32°/s2and micro-vibration of the maximum angular acceleration of 2.26°/s2, the improved compound axis control can effectively improve the tracking stability of the system, and the final tracking accuracy is better than 1 μrad(3σ).

Space optical communication; PAT system; Compound-axis control; System stability

TN929.1;V443+.1

A

CN11-1780(2022)04-0025-06

10.12347/j.ycyk.20210120002

陳陽, 張書哲, 楊興昊, 等.基于空間光反饋的復(fù)合軸跟蹤穩(wěn)定特性研究[J]. 遙測遙控, 2022, 43(4): 25–30.

10.12347/j.ycyk.20210120002

: CHEN Yang, ZHANG Shuzhe, YANG Xinghao, et al. Research on tracking stability characteristics of compound-axis based on space light feedback[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(4): 25–30.

國家自然科學(xué)基金“面向空間平臺的激光傳輸系統(tǒng)”（91838302）

于思源（yusiyuan@hit.edu.cn）

2022-01-20

2022-02-21

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

陳 陽 1996年生，博士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星光通信捕獲跟蹤控制技術(shù)。

張書哲 1998年生，博士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星光通信編碼譯碼技術(shù)。

楊興昊 1999年生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星光通信光學(xué)設(shè)計(jì)。

于思源 1974年生，博士，教授，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星光通信技術(shù)。

(本文編輯：楊秀麗)