空间光通信精跟踪系统的模糊自抗扰控制的思考

唐仲汉+狄世庆+徐嘉凡

摘要：精跟踪系统作为核心技术，直接影响通信系统的性能。本文通过空间光通信精跟踪系统的模糊自抗扰控制的思考展开了讨论，通过精跟踪系统的结构、精跟踪系统软件及算法、精跟踪系统扰动分析三个方面，对精跟踪系统的设计展开了讨论。通过模糊控制器结构、模糊规则、变论域及量化三个方面，对模糊自抗干扰控制的实现进行了分析，为关注这一话题的人们提供参考。

关键词：空间光通信；精跟踪系统；模糊自抗干扰

引言：空间光通信是一种散角小、传输距离长的光束，因此，用其进行捕捉、瞄准等精准的跟踪都是非常困难的。我国的空间光通信发展脚步逐渐加快，但我国还距其他发达国家的技术还存在较大差距。目前国内外实现空间光通信的技术为粗、精跟踪系统的嵌套技术，这种方法具有精度低、运动范围广、带宽低的特点，和高带宽和高精度的特点，进而成为高速率通信的保障。

一、 精跟踪系统的设计

（一）精跟踪系统的结构

精跟踪系统结构的硬件部分可以分为三个部分，第一，在探测单元中，使用的基本硬件组建主要使用的为PhotonFocus公司的产品，结构中大部分使用的配件为MV-D1024E-160 CMOS相机，这种相机的最大分辨率为1024×1024，其中的开窗数据为256×256时，帧频可达到2200/s。第二，精跟踪系统结构中的控制单元中，主要的结构为PC机，图像采集卡，隔离通用卡。第三，执行单元中主要的结构为音圈电机，其拥有很大的机械摆角和超强的精准度。另外，空间光通信系统主要负责的工作为，提高系统的带宽，对粗跟踪系统的缺陷进行补充，以达到减少系统由于后滞带来的误差。在空间光通信APT系统中，主要的组成结构为快速倾斜镜、互补金属氧化半导体、光斑检测、图像处理单元、精跟踪控制器、压电陶瓷驱动器这六个方面。

（二）精跟踪系统软件及算法

在精跟踪系统系统的设计中，需要高频率、高精度地计算出光斑的准确位置，因此在计算的过程中，需要大量的时间和精力，目前国际中已经将光斑的算法进行统一，主要有以下两个算法，第一，为了减小背景噪音的影响，可以使用域值的方法进行计算，在计算的过程中，其一般会需要利用人工PC机进行取点，进而减小对背景值的运算量。但使用这种方法进行计算时，一旦背景噪音对其产生影响，无法及时进行调整，进而直接影响计算结果。第二，目前国内外都一致认为使用质心法相比于其他算法，能够更加适用于计算光斑，但是在使用这种方法计算的过程中，当距离质点较远的像素出现的噪音过大时，会对测量光斑的精准度有很大的影响，测量出的值通常会偏高，虽然使用这种方法进行测算会对光斑的实际值有一定的影响，但这种影响较小。

（三）精跟踪系统扰动分析

在精跟踪系统中，时常会发生系统扰动的现象，这种现象主要有以下两个方面的原因。第一，精跟踪系统内内部扰动，由于内部中有压电陶瓷的滞环现象，在系统中的驱动器进行运动的过程中，传感器和处理器有时会发生延迟，因此，在实际的系统运动时，就会发生扰动的现象。第二，在传感器的外部，空间环境会对其产生影响，在实际的运行过程中，当陨石之间发生碰撞、空间的温度发生变化等，都会对传感器产生影响。另外在传感器运动的过程中，卫星平台的震动也会对传感器产生影响。

二、模糊自抗干扰控制的实现

（一）模糊控制器结构

为了在精跟踪系统中实现模糊自抗干扰，需要对模糊控制器结构进行了解和完善，首先需要对模糊控制器结构关系有一定的了解，例如，在这个过程中找出相关参数之间的变化，进而找到误差，找出比例项P、积分项I、微分项D之间参数误差值，并将这个值进行相互比对，找到误差值e，之后将比例系数与模糊控制原理进行比对，找到微分系数、积分系数等三个值，利用这三个值进行修改。之后将e值作为最初的输入内容，之后对利用模糊控制规则对e进行不断调整，最终构成了模糊自适应控制系统[1]。通过这个方法，能够对PID进行控制设计，在这个过程中，可以根据最终的参数值，对模糊控制结构进行合理调整，最终达到模糊控制器结构适用于各种环境的目标。

（二）模糊规则

在实现模糊自抗干扰的过程中，当模糊控制器结构最开始输入的e值变量确定时，输入量和输出量都使用三角函数的方法进行对称交迭，之后使用之后使用面积中心法对模拟控制器进行设计，并在设计过程中，结合PZT的精密定位的特点进行设计，在设计的过程中，主要有以下三種偏差。第一，当e值与实际情况相差较大时，为了提高系统的反应速度，可以将控制参数调整为最大值，但是在实际的操作过程中，当e值刚刚输入的过程中，可能会出现瞬时变大的情况，进而影响控制系统的整体参数，这时，应该将控制参数调整为最小值。在这个过程中，为了防止系统由于响应过大影响系统，应该对积分调整为0。第二，当e值的偏差处于中等状态时，为了调整系统的响应状态，应该将控制参数调整变小，在选择控制参数时要选择适当的数值，进而保证系统能够正常运行。当控制参数值对系统有较大的影响时，要根据实际情况，选择合适的参数值，保证系统能够正常响应。第三，当e值偏差较小时，为了使系统的运行状态更加完善，应该增加控制参数的取值范围，在这个过程中，还要注意采取系统震荡保护措施，并逐渐优化系统的抗干扰性。在选择取值范围时，当e值较小时，控制参数就可以选择稍微大一些的值，当e值较大时，则需要选择较小的控制参数。通过以上对控制器控制方式的分析，在实际的操作中，需要结合系统的详细特点，对模糊规则进行合理制定。

（三）变论域及量化

在实现模糊自抗干扰控制的过程中，使用变论域能够将输入的数值和输出的数值按照一定的变化标准互相伸缩变化，另外使用这种方法，还能解决和控制在模糊控制器在设计与实现的过程中发生的问题，其设计相对简单，因此在操作的过程中对系统能够有良好的控制效果。例如，在对系统进行模糊自干扰控制的过程中，通过压缩论域能够将其中的论域范围进行模糊划分，进而增加使用规则数量，通过数量的提升稳定性也会提升，因此，在对系统进行设计的过程中，只要确定论域中的数据变化规律，就能在控制器中取得良好的控制效果[2]。

结论：通过对空间光通信进行系统设计，并结合PID算法，能够推算出控制器的模型对象参数，并根据实验计算出自动调整控制器的变换参数，进而在空间光通信的实际应用中能够不依靠系统的设计模型，并在实际应用中能够进一步提高系统的抗干扰性，解决了系统中稳定性与准确性之间的矛盾，保障了系统运行畅通，改善了系统的适应性，达到了设计的主要目的。

参考文献：

[1]王岩，李洪祚，张猛.空间光通信光纤激光器脉冲位置调制特性研究[J].中国激光，2015，42（08）：140-148.

[2]肖永军，左韬，林贻翔.空间光通信精跟踪系统电路接口板设计[J].光通信技术，2013，37（07）：53-55.