卡爾曼濾波在空間多點(diǎn)光通信跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張令軍++劉云清++董巖

摘 要：目前，空間激光通信的研究仍然是一點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)的通信模式，無法完成星地間、星星間不間斷信息高速傳輸?shù)娜蝿?wù)。要完成完整的激光鏈路信息傳輸，必須采用星上多點(diǎn)激光通信技術(shù)。本文介紹了多點(diǎn)激光通信中的光學(xué)天線，并利用卡爾曼濾波預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)光斑的預(yù)測(cè)跟蹤，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)鏡片的協(xié)同控制，為多點(diǎn)通信的實(shí)現(xiàn)提供了研究?jī)r(jià)值。

關(guān)鍵詞：卡爾曼濾波 多點(diǎn)通信 MATLAB 跟蹤系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN953 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）01（a）-0014-02

目前，空間激光通信技術(shù)研究基本上都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)形式的，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)代大容量、高速率的通信需求，從應(yīng)用的角度看，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)間的空間激光通信，建立起信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，才是今后空間激光通信的主要發(fā)展方向。

隨著輕小型化衛(wèi)星技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星間的組網(wǎng)系統(tǒng)開始展示出其良好的優(yōu)勢(shì)，許多國(guó)家已經(jīng)開始或者準(zhǔn)備開始建立起衛(wèi)星間的組網(wǎng)通信，衛(wèi)星組網(wǎng)多數(shù)建立在低軌道或者中軌道上。衛(wèi)星間通信組網(wǎng)系統(tǒng)可以把不同星際鏈路的衛(wèi)星互相聯(lián)在一起，其實(shí)質(zhì)是將一顆衛(wèi)星作為衛(wèi)星間的通信交換點(diǎn)，即將一顆衛(wèi)星前后左右不同的衛(wèi)星作為交換接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)其相互間的通信。但是此前使用的通信是微波技術(shù)，在21世紀(jì)的衛(wèi)星組網(wǎng)通信領(lǐng)域中，由于通信信息量大、傳輸速率更高、抗干擾力要求更強(qiáng)的一系列的高要求任務(wù)，對(duì)通信能力要求非常高。激光通信組網(wǎng)通信已成為解決微波通信所不能解決的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)建天基寬帶網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)星間海量數(shù)據(jù)穩(wěn)定實(shí)時(shí)傳輸，被認(rèn)為是星際信息傳輸最具有潛力和競(jìng)爭(zhēng)力的通信模式。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)激光通信工作模式已經(jīng)在衛(wèi)星間成功試驗(yàn)，但由于技術(shù)水平的限制，多個(gè)衛(wèi)星之間的組網(wǎng)激光通信工作模式還無法實(shí)現(xiàn)，當(dāng)前各國(guó)已經(jīng)著手相關(guān)工作。美國(guó)、歐洲航天局、日本等在其未來空間通信發(fā)展計(jì)劃中已經(jīng)明確了將空天信息網(wǎng)絡(luò)作為其研究的主體，美國(guó)計(jì)劃2016年實(shí)施名為“TSAT”的空間信息網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，在2009年曾因經(jīng)費(fèi)問題被暫停，2011年又重新啟動(dòng)，該計(jì)劃目的組建一個(gè)類似與因特網(wǎng)似的的星地、星星、星船無線通信系統(tǒng)，為其全球戰(zhàn)略部署部隊(duì)提供高帶寬、高速率的衛(wèi)星通信能力。在該計(jì)劃中高速率（10～40 Gbps）的激光通信是其主要的通信方式，預(yù)計(jì)2015年將發(fā)射衛(wèi)星入軌，并進(jìn)行為期一年的試驗(yàn)，這將對(duì)我的信息安全、軍事戰(zhàn)略構(gòu)成很大的威脅。

我國(guó)衛(wèi)星的光通信發(fā)展起步于20世紀(jì)90年代，雖然起步相比于國(guó)外來說比較晚，但是在我們國(guó)家大力發(fā)展空間技術(shù)的背景下，通過借鑒美國(guó)等一些國(guó)家的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，也取得了階段性的成果。對(duì)衛(wèi)星光通信及其幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)有了不同程度的研究和發(fā)展。

2 協(xié)同控制

為了實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的光學(xué)天線，我們將光端機(jī)的光學(xué)天線設(shè)計(jì)成由6個(gè)光學(xué)鏡片拼接而成的拋物面形狀。

在跟蹤過程中光斑的位置是隨著衛(wèi)星的移動(dòng)而移動(dòng)的，所以光斑可能會(huì)移動(dòng)到鏡片的邊緣，這樣光斑可能出現(xiàn)裂斑、破碎等現(xiàn)象。為此需要與其相鄰的鏡片與其協(xié)同工作，即將兩者拼接在一起，這樣就可以防止裂斑信息的不完整。如圖1所示，當(dāng)光斑打在1鏡上時(shí)，由于可能會(huì)向2鏡或3鏡方向移動(dòng)，所以需要卡爾曼的預(yù)測(cè)功能判斷可能出現(xiàn)的位置，使鏡片提前偏轉(zhuǎn)，使兩個(gè)鏡片在一個(gè)平面上，防止光斑信息的不完整，達(dá)到協(xié)同控制的目的，能保證穩(wěn)定實(shí)時(shí)跟蹤。

協(xié)同控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是當(dāng)兩個(gè)鏡片聯(lián)動(dòng)工作時(shí)，通過當(dāng)前時(shí)刻鏡片的位置提前判斷下一刻光學(xué)鏡片可能出現(xiàn)的位置，反饋給控制單元，通過計(jì)算輸出控制量控制光學(xué)天線的執(zhí)行電機(jī)，提前轉(zhuǎn)到下一時(shí)刻的位置，達(dá)到協(xié)同控制的效果。由于光斑的位置要求和光學(xué)鏡片的中心位置基本上一致，所以跟蹤是通過CCD相機(jī)檢測(cè)光斑的位置，通過計(jì)算出脫靶量給驅(qū)動(dòng)器，使電機(jī)轉(zhuǎn)到預(yù)定的位置。

3 卡爾曼濾波的預(yù)測(cè)仿真分析

卡爾曼濾波器一般用于線性系統(tǒng)，但是也可以用于非線性系統(tǒng)，它是通過當(dāng)前時(shí)刻的值來估算下一刻的值和上一時(shí)刻的最優(yōu)協(xié)方差的估算算法。

取光斑作為跟蹤對(duì)象，所以狀態(tài)方程和觀測(cè)方程分別為：

其中為系統(tǒng)狀態(tài)；為過程噪聲，該噪聲為零均值的高斯白噪聲；為含有噪聲的測(cè)量數(shù)據(jù)；為測(cè)量噪聲，該噪聲也是高斯白噪聲，兩者互不相關(guān)，和已知矩陣是互不相關(guān)的。

進(jìn)一步假設(shè)系統(tǒng)具有已知的初始狀態(tài)和，根據(jù)建立的狀態(tài)和測(cè)量模型以及噪聲的相關(guān)統(tǒng)計(jì)知識(shí)，則可估計(jì)出Xk的最小平方誤差，具體算法為：

由于X軸和Y軸方向上的運(yùn)動(dòng)是相似的，故只談?wù)揦軸方向上的卡爾曼濾波過程的實(shí)現(xiàn)，初始狀態(tài)設(shè)置為狀態(tài)轉(zhuǎn)移系數(shù)、動(dòng)態(tài)噪聲系數(shù)、測(cè)量矩陣、測(cè)量噪聲矩陣分別為：

采樣時(shí)間間隔為30 ms，給光斑在X軸方向上運(yùn)動(dòng)軌跡為正弦曲線，初始值設(shè)置為：

假設(shè)X方向上的運(yùn)動(dòng)軌跡是正弦曲線，利用卡爾曼算法跟蹤此坐標(biāo)值可得到如圖2所示結(jié)果。

4 結(jié)語

從仿真結(jié)果可以看出，根據(jù)實(shí)際情況建立合理的狀態(tài)模型以及選取合適的參數(shù)卡爾曼濾波對(duì)運(yùn)動(dòng)物體在位置方向和速度都有很好的預(yù)判效果，誤差在要求范圍內(nèi)，這樣就可以提前控制光學(xué)天線轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)測(cè)的位置。通過提前對(duì)光斑下一刻可能出現(xiàn)的位置，判斷出將要與其進(jìn)行拼接聯(lián)動(dòng)的光學(xué)鏡片，使其提前進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，為衛(wèi)星間的組網(wǎng)控制實(shí)現(xiàn)提供了保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 李勇軍，趙尚弘.空間編隊(duì)衛(wèi)星平臺(tái)激光通信鏈路組網(wǎng)技術(shù)[J].無線電通信，2006，10（4）：47-49.

[2] 姜會(huì)林，劉志剛，佟首峰，等.機(jī)載激光通信環(huán)境適應(yīng)性及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].紅外與激光工程，2007，36：299-302.

[3] 黃永梅，馬佳光，傅承毓.預(yù)測(cè)濾波技術(shù)在光電經(jīng)緯儀中的應(yīng)用仿真[J].光電工程，2002，8：5-9.

[4] Daniel V.Deep Space Communication[J].Space Physics C 5p，2005，10（8）：65-70.

[5] Strategic P.National Aeronautics and Space Administration Publication[M].United States：Scientific and Technical Information，2003：295-298.

[6] Weber W J，Cesarone R J，Abraham D S，et al.Transforming the Deep Space Network into the Interplanetary Network[J].Acta Astronautica，2006，60（8）：411-421.endprint

摘 要：目前，空間激光通信的研究仍然是一點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)的通信模式，無法完成星地間、星星間不間斷信息高速傳輸?shù)娜蝿?wù)。要完成完整的激光鏈路信息傳輸，必須采用星上多點(diǎn)激光通信技術(shù)。本文介紹了多點(diǎn)激光通信中的光學(xué)天線，并利用卡爾曼濾波預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)光斑的預(yù)測(cè)跟蹤，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)鏡片的協(xié)同控制，為多點(diǎn)通信的實(shí)現(xiàn)提供了研究?jī)r(jià)值。

關(guān)鍵詞：卡爾曼濾波 多點(diǎn)通信 MATLAB 跟蹤系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN953 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）01（a）-0014-02

目前，空間激光通信技術(shù)研究基本上都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)形式的，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)代大容量、高速率的通信需求，從應(yīng)用的角度看，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)間的空間激光通信，建立起信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，才是今后空間激光通信的主要發(fā)展方向。

隨著輕小型化衛(wèi)星技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星間的組網(wǎng)系統(tǒng)開始展示出其良好的優(yōu)勢(shì)，許多國(guó)家已經(jīng)開始或者準(zhǔn)備開始建立起衛(wèi)星間的組網(wǎng)通信，衛(wèi)星組網(wǎng)多數(shù)建立在低軌道或者中軌道上。衛(wèi)星間通信組網(wǎng)系統(tǒng)可以把不同星際鏈路的衛(wèi)星互相聯(lián)在一起，其實(shí)質(zhì)是將一顆衛(wèi)星作為衛(wèi)星間的通信交換點(diǎn)，即將一顆衛(wèi)星前后左右不同的衛(wèi)星作為交換接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)其相互間的通信。但是此前使用的通信是微波技術(shù)，在21世紀(jì)的衛(wèi)星組網(wǎng)通信領(lǐng)域中，由于通信信息量大、傳輸速率更高、抗干擾力要求更強(qiáng)的一系列的高要求任務(wù)，對(duì)通信能力要求非常高。激光通信組網(wǎng)通信已成為解決微波通信所不能解決的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)建天基寬帶網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)星間海量數(shù)據(jù)穩(wěn)定實(shí)時(shí)傳輸，被認(rèn)為是星際信息傳輸最具有潛力和競(jìng)爭(zhēng)力的通信模式。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)激光通信工作模式已經(jīng)在衛(wèi)星間成功試驗(yàn)，但由于技術(shù)水平的限制，多個(gè)衛(wèi)星之間的組網(wǎng)激光通信工作模式還無法實(shí)現(xiàn)，當(dāng)前各國(guó)已經(jīng)著手相關(guān)工作。美國(guó)、歐洲航天局、日本等在其未來空間通信發(fā)展計(jì)劃中已經(jīng)明確了將空天信息網(wǎng)絡(luò)作為其研究的主體，美國(guó)計(jì)劃2016年實(shí)施名為“TSAT”的空間信息網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，在2009年曾因經(jīng)費(fèi)問題被暫停，2011年又重新啟動(dòng)，該計(jì)劃目的組建一個(gè)類似與因特網(wǎng)似的的星地、星星、星船無線通信系統(tǒng)，為其全球戰(zhàn)略部署部隊(duì)提供高帶寬、高速率的衛(wèi)星通信能力。在該計(jì)劃中高速率（10～40 Gbps）的激光通信是其主要的通信方式，預(yù)計(jì)2015年將發(fā)射衛(wèi)星入軌，并進(jìn)行為期一年的試驗(yàn)，這將對(duì)我的信息安全、軍事戰(zhàn)略構(gòu)成很大的威脅。

我國(guó)衛(wèi)星的光通信發(fā)展起步于20世紀(jì)90年代，雖然起步相比于國(guó)外來說比較晚，但是在我們國(guó)家大力發(fā)展空間技術(shù)的背景下，通過借鑒美國(guó)等一些國(guó)家的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，也取得了階段性的成果。對(duì)衛(wèi)星光通信及其幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)有了不同程度的研究和發(fā)展。

2 協(xié)同控制

為了實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的光學(xué)天線，我們將光端機(jī)的光學(xué)天線設(shè)計(jì)成由6個(gè)光學(xué)鏡片拼接而成的拋物面形狀。

在跟蹤過程中光斑的位置是隨著衛(wèi)星的移動(dòng)而移動(dòng)的，所以光斑可能會(huì)移動(dòng)到鏡片的邊緣，這樣光斑可能出現(xiàn)裂斑、破碎等現(xiàn)象。為此需要與其相鄰的鏡片與其協(xié)同工作，即將兩者拼接在一起，這樣就可以防止裂斑信息的不完整。如圖1所示，當(dāng)光斑打在1鏡上時(shí)，由于可能會(huì)向2鏡或3鏡方向移動(dòng)，所以需要卡爾曼的預(yù)測(cè)功能判斷可能出現(xiàn)的位置，使鏡片提前偏轉(zhuǎn)，使兩個(gè)鏡片在一個(gè)平面上，防止光斑信息的不完整，達(dá)到協(xié)同控制的目的，能保證穩(wěn)定實(shí)時(shí)跟蹤。

協(xié)同控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是當(dāng)兩個(gè)鏡片聯(lián)動(dòng)工作時(shí)，通過當(dāng)前時(shí)刻鏡片的位置提前判斷下一刻光學(xué)鏡片可能出現(xiàn)的位置，反饋給控制單元，通過計(jì)算輸出控制量控制光學(xué)天線的執(zhí)行電機(jī)，提前轉(zhuǎn)到下一時(shí)刻的位置，達(dá)到協(xié)同控制的效果。由于光斑的位置要求和光學(xué)鏡片的中心位置基本上一致，所以跟蹤是通過CCD相機(jī)檢測(cè)光斑的位置，通過計(jì)算出脫靶量給驅(qū)動(dòng)器，使電機(jī)轉(zhuǎn)到預(yù)定的位置。

3 卡爾曼濾波的預(yù)測(cè)仿真分析

卡爾曼濾波器一般用于線性系統(tǒng)，但是也可以用于非線性系統(tǒng)，它是通過當(dāng)前時(shí)刻的值來估算下一刻的值和上一時(shí)刻的最優(yōu)協(xié)方差的估算算法。

取光斑作為跟蹤對(duì)象，所以狀態(tài)方程和觀測(cè)方程分別為：

其中為系統(tǒng)狀態(tài)；為過程噪聲，該噪聲為零均值的高斯白噪聲；為含有噪聲的測(cè)量數(shù)據(jù)；為測(cè)量噪聲，該噪聲也是高斯白噪聲，兩者互不相關(guān)，和已知矩陣是互不相關(guān)的。

進(jìn)一步假設(shè)系統(tǒng)具有已知的初始狀態(tài)和，根據(jù)建立的狀態(tài)和測(cè)量模型以及噪聲的相關(guān)統(tǒng)計(jì)知識(shí)，則可估計(jì)出Xk的最小平方誤差，具體算法為：

由于X軸和Y軸方向上的運(yùn)動(dòng)是相似的，故只談?wù)揦軸方向上的卡爾曼濾波過程的實(shí)現(xiàn)，初始狀態(tài)設(shè)置為狀態(tài)轉(zhuǎn)移系數(shù)、動(dòng)態(tài)噪聲系數(shù)、測(cè)量矩陣、測(cè)量噪聲矩陣分別為：

采樣時(shí)間間隔為30 ms，給光斑在X軸方向上運(yùn)動(dòng)軌跡為正弦曲線，初始值設(shè)置為：

假設(shè)X方向上的運(yùn)動(dòng)軌跡是正弦曲線，利用卡爾曼算法跟蹤此坐標(biāo)值可得到如圖2所示結(jié)果。

4 結(jié)語

從仿真結(jié)果可以看出，根據(jù)實(shí)際情況建立合理的狀態(tài)模型以及選取合適的參數(shù)卡爾曼濾波對(duì)運(yùn)動(dòng)物體在位置方向和速度都有很好的預(yù)判效果，誤差在要求范圍內(nèi)，這樣就可以提前控制光學(xué)天線轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)測(cè)的位置。通過提前對(duì)光斑下一刻可能出現(xiàn)的位置，判斷出將要與其進(jìn)行拼接聯(lián)動(dòng)的光學(xué)鏡片，使其提前進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，為衛(wèi)星間的組網(wǎng)控制實(shí)現(xiàn)提供了保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 李勇軍，趙尚弘.空間編隊(duì)衛(wèi)星平臺(tái)激光通信鏈路組網(wǎng)技術(shù)[J].無線電通信，2006，10（4）：47-49.

[2] 姜會(huì)林，劉志剛，佟首峰，等.機(jī)載激光通信環(huán)境適應(yīng)性及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].紅外與激光工程，2007，36：299-302.

[3] 黃永梅，馬佳光，傅承毓.預(yù)測(cè)濾波技術(shù)在光電經(jīng)緯儀中的應(yīng)用仿真[J].光電工程，2002，8：5-9.

[4] Daniel V.Deep Space Communication[J].Space Physics C 5p，2005，10（8）：65-70.

[5] Strategic P.National Aeronautics and Space Administration Publication[M].United States：Scientific and Technical Information，2003：295-298.

[6] Weber W J，Cesarone R J，Abraham D S，et al.Transforming the Deep Space Network into the Interplanetary Network[J].Acta Astronautica，2006，60（8）：411-421.endprint

摘 要：目前，空間激光通信的研究仍然是一點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)的通信模式，無法完成星地間、星星間不間斷信息高速傳輸?shù)娜蝿?wù)。要完成完整的激光鏈路信息傳輸，必須采用星上多點(diǎn)激光通信技術(shù)。本文介紹了多點(diǎn)激光通信中的光學(xué)天線，并利用卡爾曼濾波預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)光斑的預(yù)測(cè)跟蹤，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)鏡片的協(xié)同控制，為多點(diǎn)通信的實(shí)現(xiàn)提供了研究?jī)r(jià)值。

關(guān)鍵詞：卡爾曼濾波 多點(diǎn)通信 MATLAB 跟蹤系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN953 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）01（a）-0014-02

目前，空間激光通信技術(shù)研究基本上都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)形式的，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)代大容量、高速率的通信需求，從應(yīng)用的角度看，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)間的空間激光通信，建立起信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，才是今后空間激光通信的主要發(fā)展方向。

隨著輕小型化衛(wèi)星技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星間的組網(wǎng)系統(tǒng)開始展示出其良好的優(yōu)勢(shì)，許多國(guó)家已經(jīng)開始或者準(zhǔn)備開始建立起衛(wèi)星間的組網(wǎng)通信，衛(wèi)星組網(wǎng)多數(shù)建立在低軌道或者中軌道上。衛(wèi)星間通信組網(wǎng)系統(tǒng)可以把不同星際鏈路的衛(wèi)星互相聯(lián)在一起，其實(shí)質(zhì)是將一顆衛(wèi)星作為衛(wèi)星間的通信交換點(diǎn)，即將一顆衛(wèi)星前后左右不同的衛(wèi)星作為交換接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)其相互間的通信。但是此前使用的通信是微波技術(shù)，在21世紀(jì)的衛(wèi)星組網(wǎng)通信領(lǐng)域中，由于通信信息量大、傳輸速率更高、抗干擾力要求更強(qiáng)的一系列的高要求任務(wù)，對(duì)通信能力要求非常高。激光通信組網(wǎng)通信已成為解決微波通信所不能解決的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)建天基寬帶網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)星間海量數(shù)據(jù)穩(wěn)定實(shí)時(shí)傳輸，被認(rèn)為是星際信息傳輸最具有潛力和競(jìng)爭(zhēng)力的通信模式。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)激光通信工作模式已經(jīng)在衛(wèi)星間成功試驗(yàn)，但由于技術(shù)水平的限制，多個(gè)衛(wèi)星之間的組網(wǎng)激光通信工作模式還無法實(shí)現(xiàn)，當(dāng)前各國(guó)已經(jīng)著手相關(guān)工作。美國(guó)、歐洲航天局、日本等在其未來空間通信發(fā)展計(jì)劃中已經(jīng)明確了將空天信息網(wǎng)絡(luò)作為其研究的主體，美國(guó)計(jì)劃2016年實(shí)施名為“TSAT”的空間信息網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，在2009年曾因經(jīng)費(fèi)問題被暫停，2011年又重新啟動(dòng)，該計(jì)劃目的組建一個(gè)類似與因特網(wǎng)似的的星地、星星、星船無線通信系統(tǒng)，為其全球戰(zhàn)略部署部隊(duì)提供高帶寬、高速率的衛(wèi)星通信能力。在該計(jì)劃中高速率（10～40 Gbps）的激光通信是其主要的通信方式，預(yù)計(jì)2015年將發(fā)射衛(wèi)星入軌，并進(jìn)行為期一年的試驗(yàn)，這將對(duì)我的信息安全、軍事戰(zhàn)略構(gòu)成很大的威脅。

我國(guó)衛(wèi)星的光通信發(fā)展起步于20世紀(jì)90年代，雖然起步相比于國(guó)外來說比較晚，但是在我們國(guó)家大力發(fā)展空間技術(shù)的背景下，通過借鑒美國(guó)等一些國(guó)家的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，也取得了階段性的成果。對(duì)衛(wèi)星光通信及其幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)有了不同程度的研究和發(fā)展。

2 協(xié)同控制

為了實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的光學(xué)天線，我們將光端機(jī)的光學(xué)天線設(shè)計(jì)成由6個(gè)光學(xué)鏡片拼接而成的拋物面形狀。

在跟蹤過程中光斑的位置是隨著衛(wèi)星的移動(dòng)而移動(dòng)的，所以光斑可能會(huì)移動(dòng)到鏡片的邊緣，這樣光斑可能出現(xiàn)裂斑、破碎等現(xiàn)象。為此需要與其相鄰的鏡片與其協(xié)同工作，即將兩者拼接在一起，這樣就可以防止裂斑信息的不完整。如圖1所示，當(dāng)光斑打在1鏡上時(shí)，由于可能會(huì)向2鏡或3鏡方向移動(dòng)，所以需要卡爾曼的預(yù)測(cè)功能判斷可能出現(xiàn)的位置，使鏡片提前偏轉(zhuǎn)，使兩個(gè)鏡片在一個(gè)平面上，防止光斑信息的不完整，達(dá)到協(xié)同控制的目的，能保證穩(wěn)定實(shí)時(shí)跟蹤。

協(xié)同控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是當(dāng)兩個(gè)鏡片聯(lián)動(dòng)工作時(shí)，通過當(dāng)前時(shí)刻鏡片的位置提前判斷下一刻光學(xué)鏡片可能出現(xiàn)的位置，反饋給控制單元，通過計(jì)算輸出控制量控制光學(xué)天線的執(zhí)行電機(jī)，提前轉(zhuǎn)到下一時(shí)刻的位置，達(dá)到協(xié)同控制的效果。由于光斑的位置要求和光學(xué)鏡片的中心位置基本上一致，所以跟蹤是通過CCD相機(jī)檢測(cè)光斑的位置，通過計(jì)算出脫靶量給驅(qū)動(dòng)器，使電機(jī)轉(zhuǎn)到預(yù)定的位置。

3 卡爾曼濾波的預(yù)測(cè)仿真分析

卡爾曼濾波器一般用于線性系統(tǒng)，但是也可以用于非線性系統(tǒng)，它是通過當(dāng)前時(shí)刻的值來估算下一刻的值和上一時(shí)刻的最優(yōu)協(xié)方差的估算算法。

取光斑作為跟蹤對(duì)象，所以狀態(tài)方程和觀測(cè)方程分別為：

其中為系統(tǒng)狀態(tài)；為過程噪聲，該噪聲為零均值的高斯白噪聲；為含有噪聲的測(cè)量數(shù)據(jù)；為測(cè)量噪聲，該噪聲也是高斯白噪聲，兩者互不相關(guān)，和已知矩陣是互不相關(guān)的。

進(jìn)一步假設(shè)系統(tǒng)具有已知的初始狀態(tài)和，根據(jù)建立的狀態(tài)和測(cè)量模型以及噪聲的相關(guān)統(tǒng)計(jì)知識(shí)，則可估計(jì)出Xk的最小平方誤差，具體算法為：

由于X軸和Y軸方向上的運(yùn)動(dòng)是相似的，故只談?wù)揦軸方向上的卡爾曼濾波過程的實(shí)現(xiàn)，初始狀態(tài)設(shè)置為狀態(tài)轉(zhuǎn)移系數(shù)、動(dòng)態(tài)噪聲系數(shù)、測(cè)量矩陣、測(cè)量噪聲矩陣分別為：

采樣時(shí)間間隔為30 ms，給光斑在X軸方向上運(yùn)動(dòng)軌跡為正弦曲線，初始值設(shè)置為：

假設(shè)X方向上的運(yùn)動(dòng)軌跡是正弦曲線，利用卡爾曼算法跟蹤此坐標(biāo)值可得到如圖2所示結(jié)果。

4 結(jié)語

從仿真結(jié)果可以看出，根據(jù)實(shí)際情況建立合理的狀態(tài)模型以及選取合適的參數(shù)卡爾曼濾波對(duì)運(yùn)動(dòng)物體在位置方向和速度都有很好的預(yù)判效果，誤差在要求范圍內(nèi)，這樣就可以提前控制光學(xué)天線轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)測(cè)的位置。通過提前對(duì)光斑下一刻可能出現(xiàn)的位置，判斷出將要與其進(jìn)行拼接聯(lián)動(dòng)的光學(xué)鏡片，使其提前進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，為衛(wèi)星間的組網(wǎng)控制實(shí)現(xiàn)提供了保障。

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