High performance satellite tracking system for free-space optical communication

Abstract

Optische Freiraumkommunikation gilt als eine der vielversprechendsten Technologien zur Lösung der zukünftigen Herausforderung in der Satellitenkommunikation.Durch die Verwendung optischer Frequenzen kann die verwendete Strahldivergenz stark reduziert werden, was die Effizienz dieser Systeme erheblich verbessert. Die Verwendung von optischen Frequenzen führt auch zu einem kompakten Design,sehr hohen Datenraten, ist lizenzfrei und schwer abzufangen oder zu stören. Durch die geringe Strahldivergenz ist jedoch eine hohe Nachführgenauigkeit notwendig.Dies ist eine Herausforderung, da wegen der erforderlichen Erreichbarkeit, mehrere Bodenstationen pro Satellit nötig sind. Dadurch sind die einzelnen Nachführsysteme erheblichen Kosteneinschränkungen unterworfen. Dies resultiert in einer Abwägung zwischen Datenrate, Erreichbarkeit, Teleskopdurchmesser, Laserleistung,Nachführgenauigkeit und Systemkosten. Dadurch ist die Verwendung von optischer Kommunikation immer noch eine Herausforderung, insbesondere für kleine Satelliten.Ihre geringe Größe und Gesamtkosten, sowie die inherente Leistungsbeschränkungen,sind die größten Hindernisse für die Verwendung von optischer Kommunikationin kleinen Satelliten. Retroreflektierende optische Kommunikation ist eines der Konzepte, welche eine mögliche Lösung für diese Herausforderungen bietet.Diese Form der optischen Kommunikation moduliert die Reflexion des Satellitenterminals,welche dann durch einen starken Laser von der Bodenstation ausgemessen wird. Durch die Verwendung eines präzisen Retroreflektors zur Rückführung des Laserstrahls, können alle mechanischen Komponenten und aktiven Laserquellen vom energie- und gewichtsbeschränkten Satelliten entfernt werden.Anhand von Simulationsstudien und Link-Budget-Analysen wird gezeigt, dass diese Kommunikationsform auch mit handelsüblichen Komponenten realisierbar ist. Ein geeignetes Systemdesign wird vorgeschlagen und verbleibende offene Herausforderungen werden identifiziert. Neben der Verfügbarkeit geeigneter Modulatoren ist die optische Bodenstation nach wie vor eine der größten Herausforderungen für retroreflektierende als auch konventionelle optische Kommunikation.Diese Anwendungen erfordern typischerweise eine Nachführgenauigkeit im Sub-Bogensekunden Bereich, wobei Geschwindigkeiten im Grad pro Sekunde Bereich nötig sind. Das Aufrechterhalten dieses Präzisionsniveaus über den gesamten Betriebsbereich ist eine herausfordernde Aufgabe und erfordert eine detaillierte mechatronische Analyse und ein gutes Regelungsdesign.Mithilfe von Dynamic Error Budgeting wird das mechatronische Design der ausgewählten Teleskopmontierung analysiert und verbessert. Das Stommesssystem wird als Hauptstörquelle im System identifiziert und entsprechend verbessert.Eine Störbeobachter zusammen mit einer vollständigen Zustandsrückführung wird vorgeschlagen, um das erforderliche Maß an Präzision zu erreichen.Loop Shaping wird verwendet, um die Stabilität der Regelung trotz signifikanter,positionsabhängiger Variationen der Strecke sicherzustellen. Eine hohe Präzisiondes Trackingsystems ist jedoch unzureichend, wenn nur eine geringe Genauigkeiterreicht wird. Dies ist insbesondere bei mobilen oder kostengünstigen Systemeneine Herausforderung.Veränderliche Umgebungsbedingungen, suboptimale Stützstrukturen und Sensorfehlerbeeinträchtigen die Genauigkeit von Teleskopsystemen. Um dieses Problemzu lösen, werden in der Regel umfangreiche Kalibrierungen zusammen mitaktiven Tracking- oder Suchalgorithmen verwendet, die jedoch wiederum zu zusätzlichen Problemen führen. Es wird daher ein neuartiger Lernalgorithmus für die iterative Verbesserung der Trajektorie vorgeschlagen. Die Position des Sternhintergrund wird mithilfe eines Plate Solving Algorithmus identifiziert, um so einen absoluten Positionssensor zu bilden. Iterative Learning Control wird verwendet,um die vorausberechnete Satellitenbahn vor dem tatsächlichen Überflug zu trainieren. Dieser Lernalgorithmus ermöglicht die Beseitigung von statischen sowie dynamischen Fehlern innerhalb des Teleskopsystems. Verfolgungsexperimentemit LEO als auch MEO Satelliten zeigen die verbesserte Nachführgenauigkeit des Systems.Als Resultat erreicht das entwickelte Teleskopsystem eine Präzision von 0.75′′,welche primär durch das atmospherische Seeing beschränkt ist und einer Richtigkeit die lediglich durch die Orbitberechnung limitiert ist. Dies ermöglicht die Realisierung einer kostengünstigen optischen Bodenstation zur hochgenauen und präzisen Verfolgung von Satelliten. Dadurch wird einer Vielzahl von Benutzernder Zugang zu eine Reihe zukunftsträchtiger Anwendungen, wie die optische Satellitenkommunikation oder Satellite Laser Ranging, ermöglicht.

Optical satellite communication is considered one of the most promising spacetechnologies to solve the future challenge in satellite communication. Through the usage of optical frequencies, the electromagnetic beam can be highly directive,which greatly enhances the efficiency of these systems. The use of optical frequencies also results in a compact design, a significantly higher data rate, is licensefree and hard to intercept or jam. However, the high directionality of the beam makes accurate tracking of the communication terminals indispensable. This is especially challenging when considering that, due to availability considerations,multiple ground stations are necessary for each satellite. This puts additional budget constraints on the individual tracking system. The result is a trade-off between data rate, availability, telescope diameter, laser power, tracking accuracy and system costs. This makes the use of optical communication still challenging,especially for small satellites.Their small size and overall cost as well as power constraints are the major obstacle for the utilization of optical communication terminals for these satellites.Retro-reflective optical communication is one of the proposed concepts that provides a solution to these challenges. This form of optical communication works by modulating the reflectivity of the satellite communication terminal, which is then detected by shining a strong laser from the ground station on to the satellite.By using a precise retro-reflector to revert the laser beam, all mechanical tracking mechanisms and active laser sources are removed from the energy and weight constraint satellite. Using simulation studies and link budget calculations,it is shown that this form of communication is feasible, even with off-the-shelf components. An appropriate system design is proposed and remaining open challenges are identified. Besides the availability of appropriate modulators, the optical ground station is still one of the major challenges for retro-reflective as well as conventional optical communication systems. These applications typically require a tracking precision in the sub-arcsecond range at velocities in the degree per second range. Maintaining this level of precision over the entire operational envelope is a challenging task and requires detailed mechatronic analysis and good controller design.Dynamic error budgeting is used to analyze and improve the mechatronic design of the selected, off-the-shelf telescope mount. The current measurementsystem is identified as major noise source in the system and improved accordingly.Disturbance observer based control together with full state feedback is proposed to achieve the high level of precision that is required. A loop shaping approach is used to ensure robust stability of the feedback system despite significant, position dependent plant variations. However, the high precision of the tracking system is insufficient, if only low accuracy is achieved. This is particularly a challenge in mobile or cost efficient satellite tracking systems.Changing environmental conditions, suboptimal support structures and sensorerrors degrade the accuracy of satellite tracking systems. Extensive calibration together with active tracking or search algorithms are usually employed to tackle this issue, but result in additional problems. To solve this issue, a noveliterative trajectory learning algorithm is proposed. The star background together with a plate solving algorithm is used to form an absolute position sensor. Iterativelearning control is adapted to train the pre-calculated satellite trajectoryprior to the actual satellite pass. This trajectory learning approach allows the elimination of static, as well as dynamic errors within the telescope system. Tracking experiments using LEO as well as MEO satellites are conducted to confirm the improved tracking performance of the system.As a result, the investigated telescope system is able of seeing limited tracking of LEO as well as MEO satellites, with better than 0.75′′ precision and an accuracy that is mainly limited by the orbit prediction. This enables a cost effective optical ground station for highly accurate and precise blind tracking of satellites, giving a wide range of new users access to a number of important applications, such as optical satellite communication or satellite laser ranging.