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Predictive adaptive optics optimal control for LEO communications in low elevation and strong scintillation conditions

Sul Torres, Joana und Raynaud, Henri-François und Hristovski, Ilija und La Torre, Gianluca und Laidlaw, Douglas und Reeves, Andrew Paul und Kulcsár, Caroline (2025) Predictive adaptive optics optimal control for LEO communications in low elevation and strong scintillation conditions. Optics Express. Optical Society of America. doi: 10.1364/OE.574467. ISSN 1094-4087.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
4MB

Offizielle URL: https://dx.doi.org/10.1364/OE.574467

Kurzfassung

Free space optical communication (FSOC) links have significant advantages over conventional radio frequency transmissions. However, optical light travelling through atmospheric turbulence is subject to varying diffraction rates that distort the wavefront phase, impacting the performance of optical links. Adaptive optics (AO) systems have been shown to mitigate these effects. An integral action controller is typically used in FSOC AO systems. The performance of these controllers is limited by the time delay. In addition, the intensity fluctuations due to scintillation can render the AO loop unstable. As a result, integrators do not perform well in strong turbulence conditions. Predictive control algorithms have the potential to improve coupling efficiency. This simulation-based study concentrates on demonstrating and quantifying the effectiveness of zonal-based linear quadratic Gaussian (LQG) regulators for LEO downlinks at low elevation and high scintillation scenarios, based on the works in Prengère et al. [J. Opt. Soc. Am. A 37, 1083 (2020) Crossref ] related to satellite tracking. The simulation includes Fresnel propagation, an aspect typically neglected in existing studies. A phase oversampling and edge compensation model changes are considered as potential LQG improvements. Results are compared to a tuned integrator, and it is shown that the best performing zonal-based LQG improves mean coupling efficiency by 70%.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/219734/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Predictive adaptive optics optimal control for LEO communications in low elevation and strong scintillation conditions
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Sul Torres, Joanajoana.dosuldamotatorres (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Raynaud, Henri-FrançoisNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Hristovski, IlijaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
La Torre, GianlucaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Laidlaw, DouglasNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Reeves, Andrew PaulNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kulcsár, CarolineNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:26 November 2025
Erschienen in:Optics Express
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1364/OE.574467
Verlag:Optical Society of America
ISSN:1094-4087
Status:veröffentlicht
Stichwörter:adaptive optics, free space optics, linear quadratic gaussian regulator, kalman filter, leo, downlinks
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HGF - Programm:Raumfahrt
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DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
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DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Projekt Optische Bodenstation [KNQ]
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Kommunikation und Navigation
Institut für Kommunikation und Navigation > Optische Satellitenlinks
Hinterlegt von: do Sul da Mota Torres, Joana Sofia
Hinterlegt am:01 Dez 2025 17:44
Letzte Änderung:01 Dez 2025 17:44

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