[发明专利]一种卫星激光通信复合轴跟踪解耦控制系统及方法

权利要求书

1.一种卫星激光通信复合轴跟踪解耦控制系统，其特征在于，包括捕获探测单元(1)、粗瞄跟踪单元(2)、精瞄跟踪单元(3)、神经网络自适应模型(4)、粗瞄执行机构(5)和精瞄执行机构(6)；

捕获探测单元(1)：用于捕获对方发射信标光，粗跟踪时，切换至大视场、低帧频状态，并输出补偿量给粗瞄跟踪单元(2)，进而控制粗瞄执行机构(5)跟随光斑转动；精跟踪时，切换至小视场、高帧频状态，输出补偿量给精瞄跟踪单元(3)，进而控制精瞄执行机构(6)跟随光斑转动；

粗瞄跟踪单元(2)：用于接收捕获探测单元(1)的补偿量来驱动粗瞄执行机构(5)进行粗跟踪；还用于接收神经网络自适应模型(4)输出的前馈控制量进一步跟踪调节实现稳定跟踪；

粗跟踪的过程具体为：由捕获探测单元(1)计算出脱靶量信息作为补偿量，将所述脱靶量信息传递给粗瞄跟踪单元(2)，粗瞄跟踪单元(2)通过脱靶量信息得出粗瞄执行机构(5)的输出量，从而控制二维转台运动；粗瞄跟踪单元(2)将光斑拖拽至标定好的通信中心点附近后，通过光斑位置来对捕获探测单元(1)中CCD探测器的阈值、曝光时间及采样帧频进行自适应调整，完成从捕获视域向跟踪视域切换；

精瞄跟踪单元(3)：用于驱动精瞄执行机构(6)根据捕获探测单元(1)的补偿量进行精跟踪；

神经网络自适应模型(4)：将粗瞄执行机构(5)的位置偏差、速度信息以及精瞄执行机构(6)的位置偏差、偏转速度作为模型输入量，输出前馈控制量给粗瞄跟踪单元(2)；

神经网络自适应模型(4)输出前馈控制量的过程为：

神经网络自适应模型(4)的输入为A＝[x₁ x₂ x₃ x₄]，其中，x₁为粗瞄跟踪单元(2)根据捕获探测单元(1)的补偿量计算得到的期望位置与粗瞄执行机构(5)的实际位置之差，x₂为粗瞄执行机构(5)的转速，x₃为应变片传感器距离中心位置偏移角度，x₄为应变片传感器的偏转速度经过低通滤波后的输出值，

根据输入A，神经网络自适应模型(4)输出粗瞄执行机构(5)的力矩信息，并作为前馈控制量加载至粗瞄跟踪单元(2)输入端。

2.根据权利要求1所述一种卫星激光通信复合轴跟踪解耦控制系统，其特征在于，捕获探测单元(1)采用CCD作为探测器。

3.根据权利要求2所述一种卫星激光通信复合轴跟踪解耦控制系统，其特征在于，粗瞄跟踪单元(2)、精瞄跟踪单元(3)和神经网络自适应模型(4)在DSP控制器中构建。

4.根据权利要求3所述一种卫星激光通信复合轴跟踪解耦控制系统，其特征在于，粗瞄执行机构(5)采用伺服电机，精瞄执行机构(6)采用内置应变片传感器的压电陶瓷。

5.一种卫星激光通信复合轴跟踪解耦控制方法，基于权利要求4所述一种卫星激光通信复合轴跟踪解耦控制系统实现，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、卫星光通信终端的捕获探测单元(1)探测到对方发射信标光之后，首先启动粗瞄跟踪单元(2)进行粗跟踪；

步骤二、当满足精瞄启动条件时，启动精瞄跟踪单元(3)进行精跟踪，同时启动神经网络自适应模型(4)输出前馈控制量；

步骤三、粗瞄跟踪单元(2)根据捕获探测单元(1)输出的补偿量和神经网络自适应模型(4)输出的前馈控制量进一步跟踪调节，逐步实现稳定跟踪后开启信号光，实现双向激光通信。

6.根据权利要求5所述卫星激光通信复合轴跟踪解耦控制方法，其特征在于，神经网络自适应模型(4)设置4个输入层、4个隐含层和1个输出层：

输入层：输入矩阵为A＝[x₁ x₂ x₃ x₄]；

隐含层：隐含层输出矩阵B＝[h₁ h₂ h₃ h₄]，隐含层输出矩阵元A(i)表示输入矩阵元，输入层索引项i＝1,2,3,4；隐含层索引项j＝1,2,3,4；激活函数其中e为自然常数；ω_ij为输入层到隐含层的权值系数；a_j为隐含层的阈值；

输出层：预测输出其中ω_j为隐含层到输出的层权值系数，b为输出层的阈值；

探测器的误差E＝Y-O_pre，Y为理想状态下粗瞄执行机构的补偿量，通过E来对权值系数及阈值进行更新，更新公式为ω_ij＝ω_ij+ηB(j)(1-B(j))A(i)ω_ijE，ω_j＝ω_j+ηB(j)E，a_j＝a_j+ηB(j)·(1-B(j))ωE，b＝b+E，其中η∈(0，1)为学习速率。