空間光通信精跟蹤系統(tǒng)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(tǒng)作為核心技術(shù)，直接影響通信系統(tǒng)的性能。本文通過空間光通信精跟蹤系統(tǒng)的模糊自抗擾控制的思考展開了討論，通過精跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、精跟蹤系統(tǒng)軟件及算法、精跟蹤系統(tǒng)擾動分析三個方面，對精跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計展開了討論。通過模糊控制器結(jié)構(gòu)、模糊規(guī)則、變論域及量化三個方面，對模糊自抗干擾控制的實現(xiàn)進行了分析，為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

關(guān)鍵詞：空間光通信；精跟蹤系統(tǒng)；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(fā)展腳步逐漸加快，但我國還距其他發(fā)達國家的技術(shù)還存在較大差距。目前國內(nèi)外實現(xiàn)空間光通信的技術(shù)為粗、精跟蹤系統(tǒng)的嵌套技術(shù)，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(tǒng)的設(shè)計

（一）精跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

精跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(chǎn)品，結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)為256×256時，幀頻可達到2200/s。第二，精跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的控制單元中，主要的結(jié)構(gòu)為PC機，圖像采集卡，隔離通用卡。第三，執(zhí)行單元中主要的結(jié)構(gòu)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(tǒng)主要負責的工作為，提高系統(tǒng)的帶寬，對粗跟蹤系統(tǒng)的缺陷進行補充，以達到減少系統(tǒng)由于后滯帶來的誤差。在空間光通信APT系統(tǒng)中，主要的組成結(jié)構(gòu)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(qū)動器這六個方面。

（二）精跟蹤系統(tǒng)軟件及算法

在精跟蹤系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)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(jīng)將光斑的算法進行統(tǒng)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(chǎn)生影響，無法及時進行調(diào)整，進而直接影響計算結(jié)果。第二，目前國內(nèi)外都一致認為使用質(zhì)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(zhì)點較遠的像素出現(xiàn)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(tǒng)擾動分析

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

二、模糊自抗干擾控制的實現(xiàn)

（一）模糊控制器結(jié)構(gòu)

為了在精跟蹤系統(tǒng)中實現(xiàn)模糊自抗干擾，需要對模糊控制器結(jié)構(gòu)進行了解和完善，首先需要對模糊控制器結(jié)構(gòu)關(guān)系有一定的了解，例如，在這個過程中找出相關(guān)參數(shù)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(shù)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(shù)與模糊控制原理進行比對，找到微分系數(shù)、積分系數(shù)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(nèi)容，之后對利用模糊控制規(guī)則對e進行不斷調(diào)整，最終構(gòu)成了模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)[1]。通過這個方法，能夠?qū)ID進行控制設(shè)計，在這個過程中，可以根據(jù)最終的參數(shù)值，對模糊控制結(jié)構(gòu)進行合理調(diào)整，最終達到模糊控制器結(jié)構(gòu)適用于各種環(huán)境的目標。

（二）模糊規(guī)則

在實現(xiàn)模糊自抗干擾的過程中，當模糊控制器結(jié)構(gòu)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(shù)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(shè)計，并在設(shè)計過程中，結(jié)合PZT的精密定位的特點進行設(shè)計，在設(shè)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(tǒng)的反應(yīng)速度，可以將控制參數(shù)調(diào)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(xiàn)瞬時變大的情況，進而影響控制系統(tǒng)的整體參數(shù)，這時，應(yīng)該將控制參數(shù)調(diào)整為最小值。在這個過程中，為了防止系統(tǒng)由于響應(yīng)過大影響系統(tǒng)，應(yīng)該對積分調(diào)整為0。第二，當e值的偏差處于中等狀態(tài)時，為了調(diào)整系統(tǒng)的響應(yīng)狀態(tài)，應(yīng)該將控制參數(shù)調(diào)整變小，在選擇控制參數(shù)時要選擇適當?shù)臄?shù)值，進而保證系統(tǒng)能夠正常運行。當控制參數(shù)值對系統(tǒng)有較大的影響時，要根據(jù)實際情況，選擇合適的參數(shù)值，保證系統(tǒng)能夠正常響應(yīng)。第三，當e值偏差較小時，為了使系統(tǒng)的運行狀態(tài)更加完善，應(yīng)該增加控制參數(shù)的取值范圍，在這個過程中，還要注意采取系統(tǒng)震蕩保護措施，并逐漸優(yōu)化系統(tǒng)的抗干擾性。在選擇取值范圍時，當e值較小時，控制參數(shù)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(shù)。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(jié)合系統(tǒng)的詳細特點，對模糊規(guī)則進行合理制定。

（三）變論域及量化

在實現(xiàn)模糊自抗干擾控制的過程中，使用變論域能夠?qū)⑤斎氲臄?shù)值和輸出的數(shù)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(shè)計與實現(xiàn)的過程中發(fā)生的問題，其設(shè)計相對簡單，因此在操作的過程中對系統(tǒng)能夠有良好的控制效果。例如，在對系統(tǒng)進行模糊自干擾控制的過程中，通過壓縮論域能夠?qū)⑵渲械恼撚蚍秶M行模糊劃分，進而增加使用規(guī)則數(shù)量，通過數(shù)量的提升穩(wěn)定性也會提升，因此，在對系統(tǒng)進行設(shè)計的過程中，只要確定論域中的數(shù)據(jù)變化規(guī)律，就能在控制器中取得良好的控制效果[2]。

結(jié)論：通過對空間光通信進行系統(tǒng)設(shè)計，并結(jié)合PID算法，能夠推算出控制器的模型對象參數(shù)，并根據(jù)實驗計算出自動調(diào)整控制器的變換參數(shù)，進而在空間光通信的實際應(yīng)用中能夠不依靠系統(tǒng)的設(shè)計模型，并在實際應(yīng)用中能夠進一步提高系統(tǒng)的抗干擾性，解決了系統(tǒng)中穩(wěn)定性與準確性之間的矛盾，保障了系統(tǒng)運行暢通，改善了系統(tǒng)的適應(yīng)性，達到了設(shè)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(diào)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(tǒng)電路接口板設(shè)計[J].光通信技術(shù)，2013，37（07）：53-55.