星地量子跟踪仪的跟瞄控制系统

费强; 邓永停; 王雪峰; 邵蒙; 谢虹波; 孙景旭

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星地量子跟踪仪的跟瞄控制系统

更新时间：2022-11-18

- 星地量子跟踪仪的跟瞄控制系统
- Tracking and aiming control system for satellite earth quantum tracker
- 光学精密工程 2022年页码：1-11
- 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：
  
  [ "费强（1993-），男，山东日照人，博士，2020年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，现为季华实验室科研人员，主要从事量子通信系统、高精度伺服系统、空间遥感精密运动控制等方面的研究。E-mail： feiq@jihualab.ac.cn" ]
  [ "邓永停（1987-），男，山东潍坊人，博士生导师，研究员，主要从事望远镜精密跟踪控制技术的研究及电子学设计。E-mail：dyt0612@163.com" ]
- 基金信息：
  
  广东省重点领域研发计划，星地一体量子保密通信网络及关键技术任务书(2018B030328001)
- DOI：
  中图分类号： TP273
- 收稿日期：2022-10-18，
  
  修回日期：2022-11-08，
  
  网络出版日期：2022-11-18，
- 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.

关键词

Keywords

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谢臻 . 量子通信现状与展望［J］. 数字通信世界， 2018 （ 12 ）： 161 . doi: 10.3969/J.ISSN.1672-7274.2018.12.136 http://dx.doi.org/10.3969/J.ISSN.1672-7274.2018.12.136

XIE Z . Present situation and prospect of quantum communication ［J］. Digital Communication World ， 2018 （ 12 ）： 161 . （in Chinese） . doi: 10.3969/J.ISSN.1672-7274.2018.12.136 http://dx.doi.org/10.3969/J.ISSN.1672-7274.2018.12.136

LU C Y ， CAO Y ， PENG C Z ， et al . Micius quantum experiments in space ［J］. Review of Modern Physics ， 2022 ， 94 ： 035001

唐涛，马佳光，陈洪斌，等 . 光电跟踪系统中精密控制技术研究进展［J］. 光电工程， 2020 ， 47 （ 10 ）： 3 - 31 .

TANG T ， MA J G ， CHEN H B ， et al . A review on precision control methodologies for optical-electric tracking control system ［J］. Opto-Electronic Engineering ， 2020 ， 47 （ 10 ）： 3 - 31 . （in Chinese）

周新力，李醒飞 . 基于反步积分滑模摩擦补偿的光电伺服转台控制［J］. 信息与控制， 2022 ， 51 （ 2 ）： 247 - 256 .

ZHOU X L ， LI X F . Electro-optical servo turntable control based on backstepping integral sliding mode friction compensation ［J］. Information and Control ， 2022 ， 51 （ 2 ）： 247 - 256 . （in Chinese）

邓晗，张鹏，肖宏 . 基于综合转台的复合控制方法研究［J］. 电子技术与软件工程， 2022 （ 6 ）： 132 - 136 .

DENG H ， ZHANG P ， XIAO H . Research on compound control method based on integrated turntable ［J］. Electronic Technology ＆ Software Engineering ， 2022 （ 6 ）： 132 - 136 . （in Chinese）

贾琦，隋印 . 一种光电跟瞄转台控制系统的设计与实现［J］. 光电技术应用， 2020 ， 35 （ 4 ）： 5 - 8， 40 . doi: 10.3969/j.issn.1673-1255.2020.04.002 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-1255.2020.04.002

JIA Q ， SUI Y . Design and implementation of electro-optical tracking and pointing turntable control system ［J］. Electro-Optic Technology Application ， 2020 ， 35 （ 4 ）： 5 - 8， 40 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1673-1255.2020.04.002 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-1255.2020.04.002

邓永停，刘军，李洪文，等 . 基于分段弧形永磁同步电机的4m望远镜控制系统［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 3 ）： 591 - 600 .

DENG Y T ， LIU J ， LI H W ， et al . Control system of 4 meters telescope based on segmented permanent magnet arc synchronous motor ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2020 ， 28 （ 3 ）： 591 - 600 . （in Chinese）

邓永停，李洪文，王建立 . 提高大口径望远镜控制系统闭环带宽的方法［J］. 红外与激光工程， 2018 ， 47 （ 12 ）： 348 - 356 .

DENG Y T ， LI H W ， WANG J L . Methods of improving closed-loop bandwidth for large telescope control systems ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2018 ， 47 （ 12 ）： 348 - 356 . （in Chinese）

陈增强，刘俊杰，孙明玮 . 一种新型控制方法：自抗扰控制技术及其工程应用综述［J］. 智能系统学报， 2018 ， 13 （ 6 ）： 865 - 877 .

CHEN Z Q ， LIU J J ， SUN M W . Overview of a novel control method： active disturbance rejection control technology and its practical applications ［J］. CAAI Transactions on Intelligent Systems ， 2018 ， 13 （ 6 ）： 865 - 877 . （in Chinese）

朱海荣，吴瑜，张先进，等 . 基于摩擦补偿和自抗扰的惯导测试转台复合控制［J］. 航空兵器， 2020 ， 27 （ 4 ）： 97 - 102 . doi: 10.12132/ISSN.1673-5048.2019.0063 http://dx.doi.org/10.12132/ISSN.1673-5048.2019.0063

ZHU H R ， WU Y ， ZHANG X J ， et al . Compound control of an inertial navigation test turntable based on friction compensation and active disturbance rejection control ［J］. Aero Weaponry ， 2020 ， 27 （ 4 ）： 97 - 102 . （in Chinese） . doi: 10.12132/ISSN.1673-5048.2019.0063 http://dx.doi.org/10.12132/ISSN.1673-5048.2019.0063

LIU C Q ， LUO G Z ， DUAN X L ， et al . Adaptive LADRC-based disturbance rejection method for electromechanical servo system ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2020 ， 56 （ 1 ）： 876 - 889 .

GAO Y N ， ZHAO H ， MA K M ， et al . Control design for current loop of PMSM using A modified model-compensation ADRC controller ［C］. 2020 39th Chinese Control Conference （CCC）. July 27 - 29 ， 2020 . Shenyang， China. IEEE ， 2020 ： 2545 - 2550 .

梁创，符东浩，梁冰，吴令安，姚德成 . 量子密码通信的信号发送与处理系统［J］. 数据采集与处理， 2001 ， 16 （ 3 ）： 270 - 274 . doi: 10.3969/j.issn.1004-9037.2001.03.002 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-9037.2001.03.002

LIANG C ， FU D H ， LIANG B ， et al . Signal processing system for quantum cryptography ［J］. Journal of Data Acquisition ＆ Processing ， 2001 ， 16 （ 3 ）： 270 - 274 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1004-9037.2001.03.002 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-9037.2001.03.002

李铁飞，杨峰，李伟 . 卫星量子通信系统影响因素研究［J］. 电光与控制， 2016 ， 23 （ 6 ）： 45 - 49 . doi: 10.3969/j.issn.1671-637X.2016.06.010 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1671-637X.2016.06.010

LI T F ， YANG F ， LI W . Research on the influence factors of satellite quantum communication system ［J］. Electronics Optics ＆ Control ， 2016 ， 23 （ 6 ）： 45 - 49 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1671-637X.2016.06.010 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1671-637X.2016.06.010

FEI Q ， DENG Y T ， LI H W ， et al . Speed ripple minimization of permanent magnet synchronous motor based on model predictive and iterative learning controls ［J］. IEEE Access ， 7 ： 31791 - 31800 .

韩京清，袁露林 . 跟踪-微分器的离散形式［J］. 系统科学与数学， 1999 ， 19 （ 3 ）： 268 - 273 . doi: 10.3969/j.issn.1000-0577.1999.03.003 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-0577.1999.03.003

HAN J Q ， YUAN L L . The discrete form of tracking-differentiator ［J］. Journal of Systems Science and Mathematical Sciences ， 1999 ， 19 （ 3 ）： 268 - 273 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1000-0577.1999.03.003 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-0577.1999.03.003

LEVANT A . Robust exact differentiation via sliding mode technique ［J］. Automatica ， 1998 ， 34 （ 3 ）： 379 - 384 .

LI Z ， LIU L ， DEHGHAN S ， et al . A review and evaluation of numerical tools for fractional calculus and fractional order controls ［J］. International Journal of Control ， 2017 ， 90 （ 6 ）： 1165 - 1181 .

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