量子定位中精跟踪系统滤波与控制研究

论文摘要

量子定位系统（QPS）作为一种新型定位技术,是在基于量子力学和量子信息理论上发展起来的。QPS通过量子卫星发射的两路量子纠缠光子对到达地面用户端,在反射到卫星后,通过数据处理后获得的精确时间差,计算出厘米级别的定位坐标。QSP实现高精度定位的前提是地面用户与量子卫星之间实现高精度的精确对准,这个过程是通过QPS中的捕获、跟踪和瞄准（ATP）系统来实现的。ATP系统中包含嵌套的粗跟踪子系统和精跟踪子系统。本论文主要进行量子定位系统中ATP系统中的精跟踪系统滤波与控制的研究,本论文主要研究内容包含以下四个方面:1)量子定位中的精跟踪系统数学模型建立和组成模块中器件选型分析。在量子定位系统框架结构中,明确精跟踪系统中各个模块的功能及其所需要完成星地之间信标光和量子光对准的任务。对精跟踪系统中各个模块的结构及其所需要实现的功能进行了分析;进一步对精跟踪系统的执行机构、探测器和微处理器进行选型;分析卫星运行的环境,并根据已有轨道卫星获取的振动数据,模拟出卫星平台的振动信号,建立起考虑卫星平台振动和环境噪声的精跟踪系统的数学模型。对超前瞄准子系统的结构及工作过程进行分析,并设计了一套实现超前瞄准的实施方案。2)精跟踪系统状态滤波器的设计。针对所建立的带有卫星平台振动以及工作环境噪声的精跟踪系统的数学模型,结合状态扰动估计器和强跟踪滤波器,设计了一种自适应强跟踪卡尔曼滤波器（ASTKF）,在在线估计时变的状态扰动和系统本身状态的同时,抑制了状态扰动,进一步减小测量噪声对精跟踪信号的影响。3)精跟踪系统自适应控制器的设计。为了进一步提高精跟踪系统的跟踪精度,增加系统的鲁棒性,提出并设计了一种离散型的模型参考自适应控制器,并依据波波夫超稳定性定理,证明了所设计的模型参考自适应控制器的渐近稳定性。通过系统仿真实验,以及与PID+ASTKF和自抗扰控制器（ADRC）+ASTKF的精跟踪性能对比实验,验证了所提出的控制器性能的优越性。4)ATP系统动态仿真实现。在滤波算法和控制算法设计好的基础之上,结合扫描捕获和粗跟踪方向的工作,搭建了一个完整的ATP系统的Simulink系统仿真实验平台,借助MATLAB自带的GUI开发平台,设计了一个ATP系统动态仿真平台,可以让用户实时查看ATP系统的跟踪的性能情况,以及对整个ATP系统的工作过程有直观的了解和清晰的认识。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景和研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 ATP系统的研究现状
•     1.2.2 精跟踪系统研究现状
•   1.3 论文的主要研究内容、创新点及结构安排
•     1.3.1 主要研究内容
•     1.3.2 论文的创新点
•     1.3.3 论文的结构安排
• 第2章 量子定位系统中精跟踪系统建立
•   2.1 量子定位系统及ATP系统的工作过程
•     2.1.1 量子定位系统的工作过程
•     2.1.2 ATP系统的工作过程
•   2.2 精跟踪部件参数与系统性能关系以及选型分析
•     2.2.1 快速反射镜FSM
•     2.2.2 精跟踪探测器
•     2.2.3 微处理器
•   2.3 精跟踪系统模型建立
•     2.3.1 精跟踪控制系统结构图
•     2.3.2 快速反射镜离散传递函数建立
•     2.3.3 角度偏差采集模块离散传递函数建立
•   2.4 超前瞄准子系统设计
•   2.5 本章小结
• 第3章 精跟踪系统状态滤波器设计
•   3.1 精跟踪系统状态扰动和环境噪声分析与建模
•     3.1.1 卫星平台振动信号分析与建模
•     3.1.2 环境噪声信号分析与建模
•   3.2 自适应强跟踪卡尔曼滤波器设计
•     3.2.1 含噪声和扰动的状态空间模型建立
•     3.2.2 卡尔曼滤波器设计
•     3.2.3 状态扰动估计器
•     3.2.4 强跟踪滤波算法
•     3.2.5 自适应强跟踪卡尔曼滤波器算法
•   3.3 滤波器性能测试实验及其结果分析
•   3.4 本章小结
• 第4章 精跟踪系统自适应控制器设计
•   4.1 模型参考自适应控制器设计与稳定性证明
•     4.1.1 基于Popov超稳定性定理的自适应控制律设计步骤
•     4.1.2 MRAC控制律设计与稳定性证明
•   4.2 对比控制器设计
•     4.2.1 PID控制器设计
•     4.2.2 自抗扰控制器设计
•   4.3 仿真实验
•     4.3.1 单轴实验
•     4.3.2 双轴实验
•   4.4 本章小结
• 第5章 ATP系统动态仿真实现
•   5.1 ATP系统双轴Simulink模型建立
•   5.2 基于MATLAB中GUI的ATP系统动态仿真平台设计
•     5.2.1 输入显示模块设计
•     5.2.2 捕获和粗跟踪显示模块设计
•     5.2.3 精跟踪显示模块设计
•   5.3 ATP系统动态仿真平台实例演示
•   5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 论文工作内容总结
•   6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表和完成的学术论文与参与的研究项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 邹紫盛

导师: 丛爽

关键词: 量子定位系统,系统,精跟踪系统,卡尔曼滤波,自适应控制

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O413;TN713

总页数: 81

文件大小: 5532K

下载量: 110