Dual stage actuation of a telescope mount and a tip-tilt mirror for free-space optical communication

Abstract

Die beständig steigende Anzahl von Satelliten in Erdumlaufbahnen und der damit verbundene Bedarf an Kommunikationskapazitäten, bringen eine Reihe an Herausforderungen für konventionelle Funksysteme mit sich. Die optische Freiraumübertragung stellt hier eine vielversprechende Möglichkeit dar, um auch in Zukunft ausreichende Kapazitäten in der Datenübertragung zu sichern. Zahlreiche Projekte haben das große Potential dieser Kommunikationstechnologie in Bezug auf Datenrate und Vermeidung von Übersprechen gezeigt. In dieser Arbeit wird ein Konzept für eine kostengünstige optische Bodenstation untersucht. Das entwickelte System basiert auf einer hochpräzisen, direktangetriebenen Teleskophalterung mit einem 10” Schmidt-Cassegrain Teleskop, einem Fast Steering Mirror (FSM) und einer Quadranten Photodiode als Tip-Tilt-Sensor. Ziel dieser Arbeit sind die Charakterisierung, der Vergleich und die Auswahl verschiedener Dual-Stage Regelungskonzepte hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit zur optischen Satellitenkommunikation für welche Störgrößenunterdrückung essentiell ist. Die betrachteten Konzepte sind Master Slave (SISO), Decoupled Master Slave (SISO), Dual Feedback Loop (SISO) und H∞ Regelung (MIMO), welche in Bezug auf Regelbandbreite, RMS Fehler, Robustheit und Komplexität verglichen werden. Der erste Teil behandelt die Identifikation von Teleskopmontierung und FSM und deren mathematische Modellierung als Übertragungsfunktionen. Die so gewonnen Modelle werden benutzt, um die genannten Regler mit besonderem Augenmerk auf Robustheit auszulegen. Das Verhalten der Regler wird mittels Simulation untersucht, um die Leistungsfähigkeit der Konzepte abschätzen zu können. Im zweiten Teil der Arbeit werden die Simulationsergebnisse mittels Messungen an statischen und beweglichen optischen Zielen im Labor bestätigt. Sowohl die Simulation, als auch die Messungen zeigen die Anwendbarkeit aller gewählten Dual Stage Regelungskonzepte für die optische Freiraum Satellitenkommunikation. Das Master Slave Prinzip zeigte das beste Regelverhalten und wies einen RMS Regelfehler von 2.6 µrad auf.

The continuously increasing number of satellites orbiting the Earth and their vast demand in downlink data rate, rise a number of challenges for conventional radio frequency based communication. Free-Space Optical (FSO) is a promising option to guarantee sufficient capacities of future communication. Several experiments demonstrated the disruptive potential of this communication technology, such as very high data rates and no crosstalk between communication participants. In this thesis, a portable, low-cost, ground station concept is investigated. The implemented system is based on a high-precision, direct drive telescope mount with a 10” Schmidt-Cassegrain telescope, a Fast Steering Mirror (FSM) and a quad photo diode as tip-tilt sensor. Goal of this thesis is the selection, implementation and characterization of various dual stage control design approaches with respect to the target application of FSO satellite communication, where disturbance rejection is the main challenge. The evaluated strategies are master slave (SISO), decoupled master slave (SISO), dual feedback loop (SISO) and H∞ control (MIMO), which are compared in terms of control bandwidth, residual RMS error, robustness and complexity. The first part of this thesis treats the identification of the mount and the FSM and the mathematical modeling as transfer functions. These models are used to design the named controllers with a special focus on robustness. The behavior of the differnt strategies is first studied in simulation, enabling an initial performance estimation of the designed controllers. In the second part of the thesis, the simulation results are confirmed by measurements with static and moving optical targets in a laboratory environment. The measurement results, as well as the simulation, show the applicability of all selected dual stage control strategies for FSO satellite communication. However, the master slave principle slightly outperforms the other control strategies, successfully demonstrating an RMS tracking error of 2.6 µrad.