Tracking and aiming control system for satellite earth quantum tracker

FEI Qiang; DENG Yongting; WANG Xuefeng; SHAO Meng; XIE Hongbo; SUN Jingxu

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Tracking and aiming control system for satellite earth quantum tracker

更新时间：2022-11-18

- Tracking and aiming control system for satellite earth quantum tracker
- Optics and Precision Engineering Pages: 1-11(2022)
- 作者机构：
  
  1.季华实验室，广东佛山 528000
  2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：
  CLC： TP273
- Received：18 October 2022，
  
  Revised：08 November 2022，
  
  Published Online：18 November 2022，
- 稿件说明：
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费强,邓永停,王雪峰等.星地量子跟踪仪的跟瞄控制系统[J].光学精密工程,

FEI Qiang,DENG Yongting,WANG Xuefeng,et al.Tracking and aiming control system for satellite earth quantum tracker[J].Optics and Precision Engineering,
费强,邓永停,王雪峰等.星地量子跟踪仪的跟瞄控制系统[J].光学精密工程, DOI：10.37188/OPE.XXXXXXXX.0001

FEI Qiang,DENG Yongting,WANG Xuefeng,et al.Tracking and aiming control system for satellite earth quantum tracker[J].Optics and Precision Engineering, DOI：10.37188/OPE.XXXXXXXX.0001

摘要

星地量子通信传输距离长，卫星与地面存在相对运动，提高了对量子跟踪仪的跟踪性能要求。为了提高星地量子通信的跟踪精度，降低量子通信的误码率，本文对量子跟踪仪的跟瞄控制系统展开研究，并对影响跟踪精度的总扰动进行补偿。首先，介绍了星地量子通信链路、量子通信过程及其影响因素。接着，搭建了量子跟踪仪的运动数学模型。基于跟踪仪的数学模型，设计并提出自抗扰模型预测控制算法；针对模式切换问题，提出了分数阶跟踪微分器以优化轨迹减小超调。根据与“墨子号”卫星进行量子通信的实验结果：分数阶跟踪微分器对模式切换后的目标捕获速度提高了22%，提出的自抗扰模型预测控制相比于传统的PI控制有更强的抗扰动能力，削弱了俯仰换向的脱靶量尖峰，跟踪精度达到2.9″，提高了量子偏振数据接收量，总误码率降低到1.18%。本文提出的控制算法能够进一步提高量子跟踪仪的跟踪精度，降低了误码率，满足星地量子通信的精度要求。

Abstract

The long transmission distance of satellite ground quantum communication and the relative motion between the satellite and the ground improve the tracking performance requirements of the quantum tracker. In order to improve the tracking accuracy of satellite ground quantum communication and reduce the error rate of quantum communication， the tracking and pointing control system of quantum tracker is studied in this paper， and the total disturbance affecting the tracking accuracy is compensated. Firstly， the satellite ground quantum communication link， quantum communication process and its influencing factors are introduced. Then， the mathematical model of the quantum tracker is built. Based on the mathematical model of the tracker， the ADRC（active disturbance rejection control） model predictive control algorithm is designed and proposed； To solve the problem of mode switching， a fractional order tracking differentiator is proposed to optimize the trajectory to reduce overshoot. According to the experimental results of quantum communication with "Mozi" satellite， the fractional order tracking differentiator improves the target acquisition speed by 22% after mode switching. Compared with the traditional PI control， the proposed ADRC model predictive control has stronger anti-interference ability， weakens the miss distance peak of pitch reversal， and the tracking accuracy reaches 2.9 ". The quantum polarization data reception is improved， and the total bit error rate is reduced to 1.18%. The control algorithm proposed in this paper can further improve the tracking accuracy of the quantum tracker， reduce the bit error rate， and meet the accuracy requirements of satellite ground quantum communication.

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