空地量子密钥通信ATP控制系统建模与仿真分析

作     者：路璐 

作者单位：中国科学院大学 

学位级别：硕士

导师姓名：钟红恩

授予年度：2013年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：航天工程 自动跟瞄系统 量子密钥通信 复合轴控制 

摘      要：高精度自动跟瞄系统(ATP系统)是实现地面与航天器之间超远距离量子密钥分配实验并最终实现全球量子通信的一项极其关键的研究课题。 本文主要基于空地量子密钥分配实验原理及工程设计参数指标要求，重点研究了空间卫星平台上ATP复合轴控制系统的设计与仿真优化，在此基础上，设计了基于归一化自适应滤波算法的平台振动干扰补偿方案。具体研究工作如下: 首先，针对空地量子密钥通信系统的任务目标，选取了基于粗精跟踪复合控制的ATP子系统模型，详细分析了复合轴控制系统的原理及优势，并研究了ATP系统的四种工作模式:初始指向、快速捕获、粗精跟踪和动态通信;其次，建立了基于交流永磁同步电机的id=0转子磁场定向矢量控制的电流环、速度环和位置环三环模式的粗跟踪系统，设计了基于PID算法的三环控制器，其中，为消除系统的低阶稳态误差和避免超调，将位置环设计成具有两个自由度的比例加前馈控制;建立了基于压电陶瓷驱动振镜的精跟踪系统，采用数字PID控制算法，使得系统简单可靠、鲁棒性好;建立了复合轴系统仿真模型，分析得到粗跟踪系统的跟踪精度为±250μ rad，干扰抑制带宽5Hz，精跟踪系统的定位精度为10μ rad以内，干扰抑制带宽1KHz。 最后，研究了平台振动对ATP系统的影响，设计了基于PI及归一化自适应滤波控制的干扰抑制算法。与经典PI控制相比，系统的跟踪精度减小到5μ rad以内，窄带误差抑制能力提高了近20dB。由此可见，复合控制算法在不增加系统复杂性的前提下，进一步缓解平台振动噪声对量子通信系统的影响，进一步提高了星上跟踪伺服系统的跟踪精度。