基于中間節點預測的衛星光通信精確跟蹤控制系統設計

(延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安 716000)

0 引言

衛星作為外空數據交換服務載體，通過光通信方式同地面建立連接，將所探測，采集、捕獲的信息經過激光信號回傳至地面接收點，實現衛星數據與地面間的一次交互。此種技術就是衛星通信常用的衛星光通信技術。由于衛星的種類、所處軌道、軌道位置、功能性的不同，地面接收點需要實時高精度獲取衛星狀態數據，并對其進行姿態、軌道、動力、任務調整，使其具備相應任務條件。隨著近年來衛星光通信數據量的增大，衛星跟蹤精度不斷提高，傳統電信號交換的跟蹤方式[1]，無法適應高流量下的衛星光通信跟蹤任務，信息流交互速率的提升加大了光通信數據節點在信道內部的分布面積，節點交互面的延伸改變了數據在信道內的分布特征，傳統電信號交互記錄特征[2]在新特征下會產生節點錯位，錯位產生的誤差量會影響控制信號與跟蹤信號的分割匹配，降低控制精度。

文獻[3]提出了衛星光通信精確跟蹤控制系統參數化設計方法，兩級子系統的總體設計充分利用了系統中的設計自由度。通過全面優化這些設計自由度，可以實現階躍干擾的去耦和復雜干擾的抑制，以及不敏感的磁極配置和控制。諸如最小化增益的各種設計要求已大大提高了對準精度。該方法的控制精度較好，但系統運行效率較差。文獻[4]在等效誤差模型的基礎上提出了受限指令預設性能控制律設計方法。引入受限指令濾波方法，綜合考慮建模誤差和外部擾動，引入連續雙曲正切函數逼近飽和函數，利用自適應率對模型的未知參數進行估計，最后引入預設的性能方法來分析船舶的瞬態性能。該方法具有較好瞬態性能，但整體控制精度該有所提升。

針對光通信特點與數據控制節點特征，通過采用中間節點預測技術，提出一種基于中間節點預測的衛星光通信精確跟蹤控制系統設計，圍繞中間節點預測進行軟硬件設計，并通過數據證明，設計系統的可行性與優越性。

1 基于中間節點預測的衛星光通信精確跟蹤控制系統框架設計

基于中間節點預測的衛星光通信精確跟蹤控制系統根據功能性將整體框架分為3部分，如圖1所示。

圖1 硬件框架結構

圖1中整體系統基于中間節點預測技術，硬件平臺采用的STM32F103RBT6主控基于衛星光通信拓撲網絡交互協議，因此需要通過MCP3421AOT-E/CH光通信光媒轉換器對衛星光通信信號進行光媒圖譜轉換，才可實現CDD光學傳感器對光媒信號的圖譜特征識別。為了保證識別后的光媒特征圖譜能夠被STM32F103RBT6主控認知，采用H1164NL信號濾波IC對圖譜信號進行波束的濾波轉換處理，使其信號參量滿足STM32F103RBT6主控處理變量要求。在硬件架構的數據輸出參量上，設計采用自定義邏輯模塊，可根據控制終端參量通過邏輯編輯工具自行定義輸出邏輯與相關參量，以此保證硬件框架的兼容性與擴展性。由光通信光譜信號特征采集單元實現衛星光通信數據的采集，由中間節點預測數據指揮調度單元實現對數據的特征信號處理，并通過光媒信號跟蹤控制反饋實現高精度跟蹤信號的控制調節，共同實現了基于中間節點預測的衛星光通信精確跟蹤控制系統框架設計。

2 硬件配置與參量

設計系統的硬件框架是基于中間節點預測技術設計，其中硬件框架的前端為高精度跟蹤信號控制調制模塊，基于網絡通信技術[5]構建的拓撲網絡，將數據媒光信號進行相應轉換處理，并引入圖像特征分割處理技術硬件，完成對光媒信號特征區域的鎖定，再由濾波器完成對光媒特征信號的濾波轉換處理，使其順利到達中間節點預測數據指揮調度單元，通過MUC對信號中特征量的分割，結合控制數據指令節點特征，對跟蹤數據作出最佳預測，最后通過高精度跟蹤信號控制調節單元內部硬件，完成對預測數據量與控制量信號的優化輸出，從而達到提升控制精度的效果。以下對3個硬件單元中核心硬件功能與參量注釋如下。

2.1 STM32F103RBT6高精度光通信光譜信號特征信號處理主控

用于控制系統核心MUC，對光通信光媒特征譜初級處理的跟蹤信號特征與對應控制信號指令節點特征進行預測，為相應的處理算法與策略執行提供對應場景與環境的創建與支持。

2.2 MCP3421AOT-E/CH光通信光媒轉換器

基于衛星通信模式為光通信，通信數據的傳輸媒介為光媒，而CDD傳感器可處理數據參量為模擬量處理范圍，因此需要通過數據轉換手段，將網絡數字量轉換為模擬量，創建變量轉換場景。基于上述要求，設計采用MCP3421AOT-E/CH光通信光媒轉換器，其工作狀態下變量轉換示意圖如圖2所示。

圖2 MCP3421AOT-E/CH光通信光媒轉換器工作狀態下變量轉換示意圖

2.3 CDD光學傳感器

通過CDD光學成像技術，利用不同像素點在暗通道中分布結構特點，對光信號數據節點分布特征光譜采集，將光信號中跟蹤數據分布結構以圖譜形式呈現，便于跟蹤信號數據分布特征的高精度分割。利用CDD傳感器對光源信號的感知靈敏度，快速對衛星光通信光媒數據作出反應，配合濾波器以及相應算法，完成對光媒數據中跟蹤數據分布結構的圖譜構建。其處理原理概括圖如圖3所示。

圖3 CDD光學傳感器光媒數據特征圖譜處理原理概括圖

2.4 H1164NL信號濾波IC

主要用于光通信光媒數據中，跟蹤數據節點像素化分布特征圖譜模擬量的數字化轉換濾波處理場景支持。

表1 H1164NL信號濾波IC技術參數

2.5 73M2901CE-IGV/F跟蹤信號精度調制IC

73M2901CE-IGV/F跟蹤信號精度調制IC主要擔負著MUC主控處理數據量的精度提升任務。其主要對控制變量與跟蹤信號特征量的匹配度進行精度優化，通過硬件自身設計參量，使控制精度值成為恒定量，避免外界因素對結果數據的擾動，控制誤差值在固定的范圍內。

3 系統軟件算法定義設計

為了使上述硬件在衛星光通信跟蹤系統中發揮最大效用，根據硬件技術參量特點與中間節點預測技術要求，對設計系統的軟件算法進行定義設計。

3.1 中間節點預測指令交互算法

為了有效解決傳統衛星光通信跟蹤控制系統控制精度降低問題，結合對問題產生現象的特征，設計系統軟件部分，適配中間節點預測指令交互算法，通過算法的適配與定義設計，達到對光通信跟蹤節點的中間環節變量的預測，得到跟蹤節點在光媒圖譜上的分布特征。設計算法的實現步驟如下：

光通信節點具有的網絡節點屬性，將光媒數據節點所在鏈路定義為網絡鏈路空間，根據節點交互過程中，需要發送KRY指令集[6]與YES指令集[7]的特點，中間節點預測指令空間NIQ中，交互指令集之間突發信息交互流程如圖4所示。

圖4 交互指令集之間突發信息交互流程

當節點數據包在網絡鏈路空間外圍生成突發信息交互指令集時，會預先向遠端發送一組突發信息指令控制包(MVQ)。MVQ會對交互過程中信道內的全局信息進行收集，任意一個中間節點會對MVQ采集信息的可信度進行確認，經過認可后才能進入鏈路空間的下一個鏈路層，此過程還會對鏈路空間中的信息數據進行信息節點與經過鏈路層信道狀態的預測，若該中間節點滿足整個信息鏈路空間的交互規則，及時向發送端反饋節點認可信息，與此同時MVQ不間斷向遠端發送鏈路空間信息資源信息；反之MVQ不間斷采集鏈路信道數據，并在鏈路層的下一節點處進行采集數據的中間節點預測。認可后的資源信息反饋到發送節點后，隨即將突發信息數據指令集(BDP)將確認信道路徑傳輸至遠點接收節點，同時發出一條釋放信息，對預測節點鏈路信息進行清除。至此完成一次中間節點預測指令的交互。中間節點預測指令預測交互算法流程如圖5所示，軟件定義邏輯順序如下：

1)BVQ確認后對網絡鏈路空間進行拓撲初始化；

2)參照路徑最優原則檢索資源節點與遠端接收節點的最佳Tdf；

3)通過NIQ指令集獲取可支持中間節點的信息指令數據量，同時將認可信息反饋至發送節點；

4)發送端根據認可信息Tdf發送MFQ同時釋放信息清除鏈路預測資源。

圖5 中間節點預測指令預測交互算法流程

3.2 控制誤差優化策略設計

完成中間節點預測指令交互計算后，對交互后的跟蹤特征數據進行控制量匹配策略的優化，以期提升控制量的精準度。策略設計匹配硬件為73M2901CE-IGV/F跟蹤信號精度調制IC。可將其視為73M2901CE-IGV/F跟蹤信號精度調制IC驅動策略的設計。具體設計如下：

令控制指令基點與跟蹤信息節點間的最近路由為Tdf，且此時任意信道僅滿足單向數據傳輸條件。此環境變量條件下，各計算參量定義如下。

ymvq：處于任意節點MVQ所對應的時間點下，全局時間與鏈路時間對應值相同。

yde：代表隨機一個節點光通信交叉矩陣對應的交互時間。

ysy：節點數據包在鏈路空間外圍突發信息節點生成所耗時間。

ym：MFQ內部鏈路信道中的節點傳輸時間。

ypgg：MVQ與對應MFQ之間傳輸所需的時間的最小系數。

在INP數據指令集中，分別由衛星跟蹤數據指令集YSE與控制指令集KRY兩方程混合式構成，二者之間的匹配程度由中間節點中處于l位置的突發信息數據流的生成時間與傳輸消耗用時決定[8-10]。假設N為發送端節點到中間節點的頻率，z為中間節點到控制指令節點的頻率，i為數據節點與控制節點間的匹配系數。則二者匹配過程中的數據匹配誤差yNIQ為：

(1)

(2)

設計算法中，當a=i時，控制指令集系數與YES信息數據指令集的匹配系數相同；當a=0或z=i時，跟蹤數據指令集與控制指令集KRY的最小系數量[11-13]相同。

假設Dn為控制網絡空間狀態系數，分別由MVQ處于第z個中間節點處所獲取的發送節點與控制指令節點間的匹配信息DVn同此節點與控制指令節點相鄰數據信息狀態系數DQn構成，其函數關系可描述為Dn=gn(DVn,DQn)。Rn為此過程的精度指標量，其中n=1,2,3…代表指標類別[14-15]。

為了更加便捷地完成匹配精度優化，設計算法中令DOQ(Dn,En)代表中間節點包含控制網絡空間狀態系數Dn對應閾值大于精度指標量Rn。若該節點符合DOQ(Dn,En)定義條件時，引入精度指標量的權重量ξn，可得到衛星跟蹤信息節點與控制指令節點間的最佳匹配函數∑ξn|Dn-Rn|，其對應值便是控制量優化后的更新系數量[16-17]。

3.3 軟件實現

以C++作為編程語言，實現軟件設計，具體流程如圖6所示。

圖6 軟件設計流程圖

如圖6所示，在C++軟件中編寫軟件設計程序，通過指令交互算法實現中間節點預測，為優化衛星光通信數據控制量匹配策略，計算節點數據匹配誤差，最后得到衛星跟蹤信息節點與控制指令節點間的最佳匹配函數，即為衛星光通信最優控制量。

4 系統性能測試

通過MATLAB仿真測試平臺對基于中間節點預測的衛星光通信精確跟蹤控制系統設計的有效性進行數據測試。采用文獻[3]方法、文獻[4]方法作為實驗對比方法，從衛星光通信精確跟蹤控制系統的控制精度和控制耗時兩方面驗證所提方法的有效性。

4.1 測試場景搭建

測試場景搭建采用Keil編輯語言進行測試工具編寫。通過編寫的UDP信號測試工具創建測試場景。Keil測試工具編輯場景參量如表2所示。

表2 Keil測試工具編輯場景參量

4.2 測試數據設定

測試場景中導入測試數據，數據配置如下：測試數據樣本規模為200；單次測試群組構成數量為10；測試周期為5；測試時間為2小時；測試標準指標量為2.3。測試場景搭建示意圖如圖7所示。

圖7 測試場景搭建示意圖

圖7對測試工具場景創建后臺數據設置項進行了詳細標注。

4.3 測試結果與分析

在搭建的測試環境中，分析配置測試量在測試樣本系統(本文提出設計的控制系統)上的效果。對0～120 min內的控制效果進行分析，根據控制量斜率對應值，結合指標量對比后得出結論。測試結果如圖8所示。

圖8 控制精度測試結果

由圖8可知：在測試場景中，衛星光通信跟蹤信號波與控制信號交錯環境下，120分鐘測試中控制量初始值為1.513；24 min對應的控制量為1.501；48 min對應的控制量為1.482；72對應的控制量為1.473 4；96 min對應的控制量為1.436；120 min對應的控制量為1.427；通過對上述對應控制量值的分析發現，設計系統控制精度隨著控制時間增加，控制精度逐漸趨近于控制標準指數1.4，且控制量變化幅度較為明顯，使控制量收尾系數為1.427，結合測試圖跟蹤信號波動狀態可知，測試場景為復雜環境的測試，因此，正常環境下控制量會有0.013～0.021的提升空間。

在此基礎上，測試3種方法的控制耗時，得到伏筆結果如圖9所示。

圖9 控制耗時測試結果

分析圖9可知，隨著測試數據量的增加，文獻[3]方法、文獻[4]方法的控制時間越長，而所設計系統的控制耗時一直保持平穩增長。在600個測試數據量下，所設計系統的檢測耗時為1.2 s，遠遠小于文獻對比方法，表明所設計系統的衛星光通信精確跟蹤控制效率較好。

5 結束語

衛星光通信高精度跟蹤能夠獲取衛星狀態實時數據，在地空任務數據交換，遙感遠程任務部署中具有重要作用，為天氣變化數據預測等信息交互，提供高精度數據支持。因此衛星光通信跟蹤控制的精準度，直接決定著數據信息交互質量。本文提出基于中間節點預測的衛星光通信精確跟蹤控制系統設計，以光源作為光通信數據載體，通過光通道作為傳輸媒介，極大地提升了數據傳輸速率，降低了信號阻抗與損耗，采用中間節點預測技術，以數據作為判定依據，通過實驗證明了設計系統的控制精度較高，控制耗時較短，具有一定的有效性。