空間光通信精跟蹤系統的模糊自抗擾控制的思考

唐仲漢+狄世慶+徐嘉凡

摘要：精跟蹤系統作為核心技術，直接影響通信系統的性能。本文通過空間光通信精跟蹤系統的模糊自抗擾控制的思考展開了討論，通過精跟蹤系統的結構、精跟蹤系統軟件及算法、精跟蹤系統擾動分析三個方面，對精跟蹤系統的設計展開了討論。通過模糊控制器結構、模糊規則、變論域及量化三個方面，對模糊自抗干擾控制的實現進行了分析，為關注這一話題的人們提供參考。

關鍵詞：空間光通信；精跟蹤系統；模糊自抗干擾

引言：空間光通信是一種散角小、傳輸距離長的光束，因此，用其進行捕捉、瞄準等精準的跟蹤都是非常困難的。我國的空間光通信發展腳步逐漸加快，但我國還距其他發達國家的技術還存在較大差距。目前國內外實現空間光通信的技術為粗、精跟蹤系統的嵌套技術，這種方法具有精度低、運動范圍廣、帶寬低的特點，和高帶寬和高精度的特點，進而成為高速率通信的保障。

一、 精跟蹤系統的設計

（一）精跟蹤系統的結構

精跟蹤系統結構的硬件部分可以分為三個部分，第一，在探測單元中，使用的基本硬件組建主要使用的為PhotonFocus公司的產品，結構中大部分使用的配件為MV-D1024E-160 CMOS相機，這種相機的最大分辨率為1024×1024，其中的開窗數據為256×256時，幀頻可達到2200/s。第二，精跟蹤系統結構中的控制單元中，主要的結構為PC機，圖像采集卡，隔離通用卡。第三，執行單元中主要的結構為音圈電機，其擁有很大的機械擺角和超強的精準度。另外，空間光通信系統主要負責的工作為，提高系統的帶寬，對粗跟蹤系統的缺陷進行補充，以達到減少系統由于后滯帶來的誤差。在空間光通信APT系統中，主要的組成結構為快速傾斜鏡、互補金屬氧化半導體、光斑檢測、圖像處理單元、精跟蹤控制器、壓電陶瓷驅動器這六個方面。

（二）精跟蹤系統軟件及算法

在精跟蹤系統系統的設計中，需要高頻率、高精度地計算出光斑的準確位置，因此在計算的過程中，需要大量的時間和精力，目前國際中已經將光斑的算法進行統一，主要有以下兩個算法，第一，為了減小背景噪音的影響，可以使用域值的方法進行計算，在計算的過程中，其一般會需要利用人工PC機進行取點，進而減小對背景值的運算量。但使用這種方法進行計算時，一旦背景噪音對其產生影響，無法及時進行調整，進而直接影響計算結果。第二，目前國內外都一致認為使用質心法相比于其他算法，能夠更加適用于計算光斑，但是在使用這種方法計算的過程中，當距離質點較遠的像素出現的噪音過大時，會對測量光斑的精準度有很大的影響，測量出的值通常會偏高，雖然使用這種方法進行測算會對光斑的實際值有一定的影響，但這種影響較小。

（三）精跟蹤系統擾動分析

在精跟蹤系統中，時常會發生系統擾動的現象，這種現象主要有以下兩個方面的原因。第一，精跟蹤系統內內部擾動，由于內部中有壓電陶瓷的滯環現象，在系統中的驅動器進行運動的過程中，傳感器和處理器有時會發生延遲，因此，在實際的系統運動時，就會發生擾動的現象。第二，在傳感器的外部，空間環境會對其產生影響，在實際的運行過程中，當隕石之間發生碰撞、空間的溫度發生變化等，都會對傳感器產生影響。另外在傳感器運動的過程中，衛星平臺的震動也會對傳感器產生影響。

二、模糊自抗干擾控制的實現

（一）模糊控制器結構

為了在精跟蹤系統中實現模糊自抗干擾，需要對模糊控制器結構進行了解和完善，首先需要對模糊控制器結構關系有一定的了解，例如，在這個過程中找出相關參數之間的變化，進而找到誤差，找出比例項P、積分項I、微分項D之間參數誤差值，并將這個值進行相互比對，找到誤差值e，之后將比例系數與模糊控制原理進行比對，找到微分系數、積分系數等三個值，利用這三個值進行修改。之后將e值作為最初的輸入內容，之后對利用模糊控制規則對e進行不斷調整，最終構成了模糊自適應控制系統[1]。通過這個方法，能夠對PID進行控制設計，在這個過程中，可以根據最終的參數值，對模糊控制結構進行合理調整，最終達到模糊控制器結構適用于各種環境的目標。

（二）模糊規則

在實現模糊自抗干擾的過程中，當模糊控制器結構最開始輸入的e值變量確定時，輸入量和輸出量都使用三角函數的方法進行對稱交迭，之后使用之后使用面積中心法對模擬控制器進行設計，并在設計過程中，結合PZT的精密定位的特點進行設計，在設計的過程中，主要有以下三種偏差。第一，當e值與實際情況相差較大時，為了提高系統的反應速度，可以將控制參數調整為最大值，但是在實際的操作過程中，當e值剛剛輸入的過程中，可能會出現瞬時變大的情況，進而影響控制系統的整體參數，這時，應該將控制參數調整為最小值。在這個過程中，為了防止系統由于響應過大影響系統，應該對積分調整為0。第二，當e值的偏差處于中等狀態時，為了調整系統的響應狀態，應該將控制參數調整變小，在選擇控制參數時要選擇適當的數值，進而保證系統能夠正常運行。當控制參數值對系統有較大的影響時，要根據實際情況，選擇合適的參數值，保證系統能夠正常響應。第三，當e值偏差較小時，為了使系統的運行狀態更加完善，應該增加控制參數的取值范圍，在這個過程中，還要注意采取系統震蕩保護措施，并逐漸優化系統的抗干擾性。在選擇取值范圍時，當e值較小時，控制參數就可以選擇稍微大一些的值，當e值較大時，則需要選擇較小的控制參數。通過以上對控制器控制方式的分析，在實際的操作中，需要結合系統的詳細特點，對模糊規則進行合理制定。

（三）變論域及量化

在實現模糊自抗干擾控制的過程中，使用變論域能夠將輸入的數值和輸出的數值按照一定的變化標準互相伸縮變化，另外使用這種方法，還能解決和控制在模糊控制器在設計與實現的過程中發生的問題，其設計相對簡單，因此在操作的過程中對系統能夠有良好的控制效果。例如，在對系統進行模糊自干擾控制的過程中，通過壓縮論域能夠將其中的論域范圍進行模糊劃分，進而增加使用規則數量，通過數量的提升穩定性也會提升，因此，在對系統進行設計的過程中，只要確定論域中的數據變化規律，就能在控制器中取得良好的控制效果[2]。

結論：通過對空間光通信進行系統設計，并結合PID算法，能夠推算出控制器的模型對象參數，并根據實驗計算出自動調整控制器的變換參數，進而在空間光通信的實際應用中能夠不依靠系統的設計模型，并在實際應用中能夠進一步提高系統的抗干擾性，解決了系統中穩定性與準確性之間的矛盾，保障了系統運行暢通，改善了系統的適應性，達到了設計的主要目的。

參考文獻：

[1]王巖，李洪祚，張猛.空間光通信光纖激光器脈沖位置調制特性研究[J].中國激光，2015，42（08）：140-148.

[2]肖永軍，左韜，林貽翔.空間光通信精跟蹤系統電路接口板設計[J].光通信技術，2013，37（07）：53-55.