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1、1 7 科技创新导报 S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n n o v a t i o n H e r a l d研 究 报 告2 0 0 9 N O . 3 2 S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n n o v a t i o n H e r a l d科技创新导报星地光通信是指利用激光束作为信息 载体进行星地通信, 具有通信容量大、 抗电 磁干扰能力强、 保密性好等优点, 是空间大 容量通信的最佳解决方案之一。 由于激光 光束窄、 发散角小, 在传输过程中受到大气 散射、 折射、 湍流等很多
2、因素的影响, 加上 星载通信平台的振动等因素, 会造成激光 光 束 偏 离 目 标 , 使 瞄 准 、捕 获 和 跟 踪 ( Ac q u i s i t i o n , P o i n t i n g a n d T r a c k i n g , 简称 AP T ) 问题变得十分突出。 在实际星地光通 信现场中, AP T 系统往往受仪器测量噪声、 振动噪声、 外界异常噪声干扰等影响; 因 此, 测量数据中通常包含一些不合理的突 发错误数据, 这些突发错误数据通常被称 为 “野值” 。 如果不将野值从实验数据中剔 除, 则采用带有野值的实验数据辨识出来的结果必定不正确; 所以在数据预处理过
3、 程中, 必须将野值剔除, 并采用相应的插值 算法进行数据的修正处理。 本文首先分析了AP T伺服系统噪声 源, 然后给出了星地光通信中的野值修正 准则及补正方法, 最后通过实验比较了经 过和未经过野值修正处理的数据曲线。1 A P T 伺服系统噪声源分析 1 . 1脱靶量噪声 造成脱靶量随机误差的因素主要有探 测器( C C D / C MO S ) 分辨率误差、 大气湍流、 信号处理误差等。 其中探测器分辨率误差、 大气湍流是造成脱靶量随机误差的主要因 素。 由于星地光通信要穿越大气层, 因此由于大气湍流的影响将造成像点位置和像 上的密度发生随机起伏, 同时还会造成像 的弥散扩大或不规则的
4、随机弥散, 从而产 生随机测量误差。 一般天气状况下, 大气湍 流造成的脱靶量随机误差均方值为1 0 2 0 r a d 。 以C C D 为例, 在C C D 像敏面上由图像数 值方法引入的探测器分辨率误差为( m, n ) , 单位p i x e l , 其对应的位置误差为:xm l = ( 1 )yn l = ( 2 )式中, l 表示CCD单个像元的尺寸; 若f 为系统的光学焦距, 则本系统单个像素对 应角分辨率l / f r a d 。 因此通过图像处理, 计 算出偏移中心位置像元个数, 即可求出探 测器分辨率误差:/xfm lf = = ( 3 )/xfn lf = = ( 4 )
5、式中, 分别对应俯仰和水平误差。 因此, 系统的分辨率误差与像元尺寸、 焦距 长短有关。 1 . 2动态滞后误差 目标运动时, 由于跟踪系统响应速度 有限, 仪器将滞后于目标, 便会造成动态滞 后误差( )Dt, 把( )Dt按照麦克劳林级数 展开可得:( )( )( )( )D vttttKKK=+RB F 网络的径 向基函数的分布密度取0 . 0 5 5 .3 预测结果分析 神经网络运行结果如下所示( 见图1 、 2 ， 表1 ) 。 由图1 可知, 经过2 次训练后, 网络误差 达 到 要 求 。 说 明 BP神 经 网 络 训 练 函 数 t r a i n l m收敛速度快, 网络的
6、训练误差也比 较小。 由表2 中B P 网络和RB F 网络的输出结 果可以看出, 预测值和实际值之间的差距 比较小, 说明两种网络都能取得与实际较 一致的预测结果, 取得较好的预测效果。 但 从表2 的最后两行和图2 可以清楚的得知 RB F 网络的预测精度要明显高于B P 网络。 相对于实际值, 部分预测值的误差比 较大, 比如与实际值0 相对应的预测值。 这 主要是由一下几方面因素造成的: 首先, 神经网络只是一种智能化的近似计算; 其次, 神经网络寻求的是整体误差的最小化, 并 不能保证每一个测试样本的输出绝对精 确; 再次, 影响神经网络的算法和参数比较 多, 比如隐含层神经元数目、
7、 镜像及函数的 分布密度等, 这些因素目前仍没有特定的 方法去计算, 通常是采用试探法, 经过多次 实验才能得到较为满意的网络参数; 最后, 由于收集的样本数据有限, 使得供网络学 习训练的样本偏少, 从而影响了预测精度。 以上四点也是今后需要进一步研究和改进 的地方。4 结语 B P 神经网络和RB F 神经网络对飞行事 故万时率的预测结果不但验证了这两种方 法在民航安全预测中的可行性和有效性, 而且也为科学地分析预测民航系统安全状 态、 及时采取措施预防和避免飞行事故做 了积极有益的探索。 虽然RB F 网络比B P 网 络具有更高的预测精度, 但由于其在预测过程中需大量准确而连续的原始数
8、据, 该 方法在实际应用中受到了一定的局限。 因 此更加科学、 准确且实用的民航安全智能 预测方法的研究还需不断深入。参考文献 1 丁松滨, 王飞. 基于B P 神经网络的民航 安全预测方法研究 J . 中国民航学院学 报, 2 0 0 6 , 2 4 ( 1 ) : 5 3 5 6 . 2 申慧, 刘知贵, 李春菊. 基于B P 神经网络 的交通流量预测分析 J . 西南科技大学 学报, 2 0 0 8 , 2 3 ( 2 ) : 7 2 7 5 . 3 中国民用航空总局航空安全办公室. 中 国民航航空安全报告 R . 中国民用航空 总局航空安全办公室, 2 0 0 4 : 4 9 5 1
9、. 4 飞思科技产品研发中心. 神经网络理论 与MAT L AB 7 实现 M . 北京: 电子工业 出版社, 2 0 0 5 : 4 4 1 2 3 . 5 杨寅哲 智能故障诊断标准化技术研究 J 科技创新导报， 2 0 0 8 ， 2 1 ： 1 2 1 ( 上 接 1 6 页 )围内, 所以如何抑制平台振动成为跟踪系 统设计首要考虑的问题。 卫星平台振动给系统带来的均方根误 差可以表示:2( )( )( )RMSS fR fdf =( 6 )式中,()S f,( )R f分别表示振动功率 谱密度和跟踪系统误差传递函数。2 野值修正准则及补正方法 对目标运动进行估计, 得到k时刻的估 计量
10、( )k, 将第k时刻的观测值( )k与第k 时刻的估计量进行相减得到残差, 将残差 压入栈中, 得到残差系列:|1,2,iikNkNk=+ ( 7 )N为已知观测点数, 则k的均方根误 差 :21()kki i k N= += ( 8 )给出野值判据:kk ( 9 )则k满足野值条件, 予以剔除, 式中 为极限误差因子。 根据系统精度以及运动特性的不同, 取不同的值。 考虑星地光通信系统对精 度要求高, 但星体相对地面站角加速度不 高的特点, 本文令= 1 . 4 1 ( 经验值) 。 当目标 机动性较强时, 可以相应增大值。 下面为野值判断、 剔除和补正步骤:( 1 ) 判断第k 时刻的角
11、残差k是否为 野值, 是执行第( 2 ) 步, 否则继续预测下一 点。 ( 2 ) 将k剔除, 在内存中将预测值( )k覆盖原来的野值( )k, 以保证预测下一时 刻数据(1)k+的完整性。( 3 ) 进入第k + 3 时刻时, 采用 “拉格朗日 插值公式” 对第k 时刻的数据进一步补偿修 正, 将( )nx替换以提高第k + 3 时刻以后预 测的精度。000( )( )nnnj nkkk kkjkjj kxxxlxxx= = ( 1 0 )式中, ( )klx 为修正系数, 考虑设计系统 的精度, 本文只考虑随机的野点。 对于野值 长时间连续出现的情况, 则系统自动进入 r e s e t
12、状态, 对参数进行重新估计, 因为保证 任何一种滤波算法精度的前提在于原始观 测数据的可信度。3 实验与分析本文采用正弦曲线( )6sin(1.5)kkt= 进行模拟, t 为CCD采样周期, k 为采样时 刻。 随机产生3 个不同间隔的随机干扰, 采 用( 1 0 ) 式进行预测跟踪。 如图1 、 图2 分别表 示野值处理前后的实际系统噪声抑制性 能。 虚线为实际接收到的目标状态变化曲 线, 实线为直接采用预测算法后的残差曲 线( 见图1 、 图2 ) 。 图1 由于没有采用数据预处理, 所以将 野值代入实际的预测曲线方程中, 造成数 据在短时间内出现震荡的现象, 虽然采用 预测算法, 系统
13、最终可以收敛, 但这对精度 和稳定度要求很高的星地AP T 伺服系统来 说是不能接受的。 相比而言, 图2 则表现出 较强的鲁棒性, 能较好的满足实际工程的 需要。 因此, 本文提出的数据预处理技术能 有效的提高系统对噪声的抑制能力。4 结语 针对星地光通信接收数据中可能存在 突发错误的问题, 提出相应的修正准则和 补正方法。 最后通过实验证明: 采用本文的突发错误数据预处理技术, 能有效的消除 因突发错误造成的系统震荡现象, 通过实 验证明, 该算法具有较好的鲁棒性。参考文献 1 潘锋, 马晶, 谭立英, 于思源. 星地下行 传输孔径接收闪烁频谱的理论和实验 研究 J . 报, 2 0 0
14、7 , 2 6 ( 1 2 ) : 1 7 9 2 1 7 9 6 . 2 李晓峰, 胡渝. 影响空地激光通信链路 通信时段选择方案的背景光及大气湍 流效应因素 J . 激光杂志, 2 0 0 4 , 2 5 ( 4 ) : 6 1 6 3 . 3 于思源, 马晶, 谭立英. 激光星间链路中 天线扫描捕获技术实验室模拟研究 J . 中国激光, 2 0 0 2 , 2 9 ( 6 ) : 4 9 8 5 0 2 . 4 阎吉祥, 俞信, 张晓芳. 湍流对地空光 通信系统性能的影响及自适应光学补 偿 J . 光学技术, 2 0 0 5 , 3 1 ( 2 ) : 2 8 6 2 8 8 . 5 邢建斌, 许国良, 张旭苹, 王光辉, 丁涛. 大气湍流对激光通信系统的影响 J . 光 子学报. 2 0 0 5 , 3 4 ( 1 2 ) : 1 8 5 0 1 8 5 2 . 6 杜安源, 柯熙政. 大气信道对激光P P M 信号的影响的研究 J . 激光杂志, 2 0 0 6 , 2 7 ( 1 ) : 7 3 7 4 .
