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

doi:10.37188/OPE.20223024.3178

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星地量子跟踪仪的跟瞄控制系统

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2022-12-27

- 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30卷第24期页码：3178-3188
- 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，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，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资助项目(2018B030328001);国家自然科学基金资助项目(11973041;12122304);中国科学院青年创新促进会会员项目(2019218)
- DOI：10.37188/OPE.20223024.3178
  中图分类号： TP273
- 收稿日期：2022-10-18，
  
  修回日期：2022-11-08，
  
  纸质出版日期：2022-12-25
- 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,2022,30(24):3178-3188.

FEI Qiang,DENG Yongting,WANG Xuefeng,et al.Tracking and aiming control system for satellite earth quantum tracker[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(24):3178-3188.
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,2022,30(24):3178-3188. DOI： 10.37188/OPE.20223024.3178.

FEI Qiang,DENG Yongting,WANG Xuefeng,et al.Tracking and aiming control system for satellite earth quantum tracker[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(24):3178-3188. DOI： 10.37188/OPE.20223024.3178.

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 ground increase the tracking performance requirements of a quantum tracker. 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 a quantum tracker is investigated in this study， and the total disturbance affecting the tracking accuracy is compensated. First， the satellite ground quantum communication link and the quantum communication process and its influencing factors are introduced. A mathematical model of the quantum tracker is then constructed. Based on the mathematical model of the tracker， an active disturbance rejection control （ADRC） 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 and thus reduce overshoot. Experimental results of quantum communication with the “Mozi” satellite reveal that the fractional order tracking differentiator improves the target acquisition speed by 22% following mode switching. Compared with the traditional PI control， the proposed ADRC model predictive control has stronger anti-interference capabilities， weakens the miss distance peak of pitch reversal， and has a tracking accuracy that reaches 2.9". The quantum polarization data reception is improved， and the total bit error rate is reduced to 1.18%. The proposed control algorithm 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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