基于FSO自由空问光通信中自动伺服系统的研究

　　随着通信业务量的急剧增长，光通信技术作为一种新型的通信技术正在日新月异地发展着，其较高的传输速率和较宽的利用频带，以及较高的保密性能正倍受各国通信界的青睐。而光通信在星际间的卫星通信充当了最主要的媒介，要提高通信质量，FSO通信中的ATP子系统是关键，它关系着整个通信质量和误码率。因此，ATP子系统的设计是关系着通信系统总体设计的主要权衡因素和制约条件。自动伺服系统中的性能指标，主要是以ATP系统中的性能指标为基准的。而ATP的性能指标总结起来可为：较大的捕获概率，高的跟踪精度，较宽的伺服带宽，以及较低的链路失锁等。其技术指标为多样化的承载平台所带来的各种运动和振动的约束条件，并在运动与复杂的背景下的目标捕获与辨识，跟踪信道在光噪声，电噪声与机械噪声下的对准与跟踪。因此，ATP的伺服子系统是一个光机电一体化的复合轴控制系统。

　　1 ATP的系统结构

　　根据空间光通信系统的工作流程和特点，其典型的伺服系统(ATP)结构设计由两部分组成，即粗跟踪部分和精跟踪部分。粗跟踪部分包括粗跟踪CCD，图像数据采集，粗跟踪控制器，光电码盘，模数转换部分与伺服电机，光学天线等;精跟踪部分主要包括精跟踪CCD，图像数据采集，精跟踪控制器，D/A转换，PZT驱动器以及快速倾斜镜。其整个工作原理图如图1所示。

　　入射的信标光经过反射镜进入后，经光学主天线反射回来进入粗跟踪环，由粗跟踪探测器CCD把控测到的光信号转化为电信号，再经过图像采集和处理后直接送人粗跟踪控制器进行运算操作，同时粗跟踪控测器还接收由光电码盘所探测到的实际光学视轴的位置，通过比较和运算得到了实际的误差控制信号，此时的粗跟踪控制器将根据误差控制信号转化成误差控制指令输出到D/A转换器中，再由D/A转换器转换为实际的模拟信号送给伺服力矩电机，带动光学主天线在水平和俯仰方向上的旋转，此过程即为粗跟踪过程，主要完成空间光信号的捕获与跟踪。捕获过程是空间光通信链路所建立的必要前提。而当粗跟踪建立完成之后，将会把入射的信标光引入到了精跟踪探测器的视场范围之内，同理在精跟踪环内也是由精跟踪控制器产生跟踪控制指令，再经过D/A转换后，用来控制PZT驱动器，从而带动快速倾斜镜的运转，最终在精跟踪环内把误差控制到尽可能的小，以使以目标视轴为中心的发射激光束最大的能量及密度对准目标，进而完成整个通信链路的建立过程。粗跟踪阶段的特点是捕获范围大，伺服控制执行机构的精度和频率较低，由于其带宽比较低，一般只有几赫兹，它只能抑制外部干扰的低频成分。而且粗跟踪机构将会给系统引入摩擦力矩，这是影响跟瞄精度的主要因素之一，如何对其进行抑制是设计粗跟踪机构时应着重考虑的问题。精跟踪的跟踪精度减小了视轴误差引起的光能量的损失，它要求的跟踪带宽相对较高，因为卫星平台的振动和跟踪系统对其抖动的抑制能力在很大程度上决定了空间光通信ATP系统的跟踪精度，所以一般要达到几百赫兹甚至上千赫兹，以有效地抑制卫星平台及其他干扰所引起的抖动。因此，设计一个高精度的精跟踪环是整个APT系统的关键。

　　2 ATP伺服系统的关键技术及参数考虑

　　伺服系统中的精跟踪回路是一个高宽带、高精度的伺服系统，因此，对回路中的关键器件如FSM，误差信号探测器(APD或面阵CCD)和补偿器，有一定的技术要求。其中的FSM为关键，它是一个宽带的平台扰动校正器，它有足够高的结构谐振频率和良好的阻尼振动，空间光链路的传输模型可简化为：

　　其中Pr为接收机探测器的接收信号功率，Pt为激光发射功率，ηt为发射天线的效率，ηr为接收天线效率，Dr/2为接收天线的半径，θdiv/2为激光半发散角，R为激光传输的距离。由上式可知，若要提高接收功率，除了提高激光源的发射功率外，增大接收天线的直径和压缩激光的发散角是一个很好的方法，而目前要获得高码率和高功率的激光源相对较难，所以提高跟踪精度，选择适当的天线口径和出射发散角，对提高整个系统的可靠性，抗干扰能力，降低其他系统的设计难度有着非常现实和重要的意义。

　　在ATP系统中的瞄准误差主要有精对准传感器所引起的瞄准误差，摩擦力矩所引起的瞄准误差，常平架机械轴系晃动所引起的瞄准误差以及常平架基座扰动所引起的瞄准误差等。在总的瞄准误差的各项误差源中，跟踪误差主要是由于内部和外部扰动所引起的，由跟踪探测器的等效噪声角(NEA)和跟踪系统有限的抑制能力造成的残余常平架抖动所组成。对于四象限跟踪传感器，用QNE表示等效噪声角NEA，则有：而这里的，其中式中的SF为斜坡因子(1/rad);Pr为接收功率(W);Rd为探测器的响应度(A/W);N0为接收机噪声密度(A2/Hz);B为跟踪环的带宽(Hz)。等效噪声NEA与跟踪控制带宽的方根成比例，降低NEA的方法是选择更灵敏或低噪声的探测器。常平架残余抖动跟踪误差分量由作用在ATP常平架跟踪系统上的外部扰动功率谱和常平架跟踪系统本身对扰动的抑制能力所决定，首先应该掌握有关外界扰动源的功率谱数据，然后根据这些功率谱的性质来选择和确定跟踪系统的设计。不过，在空间站或卫星设计研制的初期，很难给出扰动功率谱数据，因此，通常要用经验验证或参考数据。如图2是典型的三轴稳定传感器的卫星扰动功率谱密度PSD，它是在轨道上实际测量的LANDSAT-4卫星的扰动PSD谱。

　　由图2可见，卫星扰动功率谱密度从低频(0.01 Hz)一直扩展到高频(约100 Hz)，在200 Hz频率上存在角振幅A=1.9 μrad的扰动，数据分析表明，在1 Hz处由太阳能电池板驱动产生A=100 μrad的角振动，在100 Hz存在A=12μrad和200 Hz存在A=1.9μrad的角振动，它们是由卫星上反作用轮与二次谐波产生。因此，整个扰动随机模型是由连续扰动PSD和3个谐波分量组成。

　　为了抑制平台的扰动，提高ATP系统的跟瞄精度，ATP系统的闭环带宽应数倍于卫星扰动频率(如图2达到了800～1 000 Hz左右)，采样频率应为闭环系统的带宽的10倍以上才能确保系统的稳定性，而制作如此高的采样频率的跟踪传感器目前还比较困难，因此要实现系统的闭环控制带宽，提高传感器的灵敏度和采样频率以及跟瞄精度，是ATP系统设计的目标和关键技术，同时也是ATP系统设计的难点之一。

　　3 系统的跟踪控制结构

　　粗跟踪系统通过码盘和粗跟踪探测器得到视轴误差，调节天线指向，最终实现了粗跟踪，并将目标引入了精跟踪视场;精跟踪探测器探测视轴残差，并由精跟踪环的控制器控制精跟踪执行机构对视轴进行校正，达到跟踪精度。系统的整体控制框图如图3所示。主要是采用了复合轴的控制结构，主要思想是在粗跟踪环的基础上再引入精跟踪环节。

其中PID控制器中的传递函数可表示为以下形式：

　　所以，可设Gc_PID(s)为粗跟踪CCD的PID控制传递函数，而Gf_PID(s)为精跟踪CCD的PID控制传递函数，分别表示为下式：

　　其中Kcp，Kci，Kcd为粗跟踪PID控制中的比例、积分、微分环节的系数，Kfp，Kfi，Kfd为精跟踪控制中的比例、积分、微分系数，而速度跟踪环的构成框图如图4所示。

　　同时由于电机和FSM的时间常数很小，所以可将其简化为：

　　精跟踪传递函数可分别化简为比例环节kc_CCD，kf_CCD。

　　并根据各个控制子环节的传递函数和结合复合轴的控制框图推出总的传递函数流程图如图6所示。

　　将各单元的传递函数代人并化简，得到总的闭环传递函数为：

　　kc为天线增益，kc_CCD为粗跟踪CCD的比例系数，kDA为DA转换模块的增益，kM为电机的速度放大系数，kFSM为FSM的增益，kcp，kci，kcd分别为粗跟踪CCD的PID控制中的比例、积分和微分系数，kfp，kfi，kfd分别为精跟踪CCD的PID控制中的比例、积分和微分系数。

　　运用System View软件仿真可得系统的阶跃响应如图7所示。

　　由图7可知控制系统的输出很快就达到了稳定，并且没有超调量，完全满足了系统控制的跟踪精度要求。所以本文推导的ATP伺服系统的传递函数是完全可行的，具有现实意义。

　　4 结语

　　通过对伺服系统组成结构的分析，指出了伺服系统主要由两个控制节所构成，即粗跟踪和精跟踪，随后对ATP伺服系统的关键参数进行了分析，指出了提高灵敏度和跟瞄精度是系统设计的关键，也为ATP系统设计的难点之一。最后对ATP系统中的传递函数进行推导，得出总的传递函数，经过仿真后证实总传递数满足了控制跟踪精度的要求，这对今后光通信发展起到了一个推导的作用。