AET座架伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

劉會(huì)鋒,喬建江

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

隨著空間電子技術(shù)的飛速發(fā)展,地球同步衛(wèi)星系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用,與此同時(shí),國(guó)內(nèi)外也都在大力發(fā)展極軌衛(wèi)星系統(tǒng),使衛(wèi)星遙感技術(shù)服務(wù)于科學(xué)試驗(yàn)、地球資源探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋及氣象情報(bào)、災(zāi)情探測(cè)等各種業(yè)務(wù)。在地面站設(shè)備中,對(duì)于遙感遙測(cè)、測(cè)控測(cè)角而言,伺服控制系統(tǒng)都是重要的組成部分。

極軌衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡與赤道有很大的夾角,與南北極夾角較小,極軌衛(wèi)星根據(jù)地球自轉(zhuǎn)及其自身的運(yùn)行規(guī)律,一般每隔數(shù)日將地球表面掃描一遍。由于存在每一周的掃描軌跡不盡相同,因此作為對(duì)衛(wèi)星跟蹤與信息交換的地面站,無(wú)論怎樣布站都會(huì)存在極軌衛(wèi)星通過(guò)天線頂空的情況。對(duì)傾斜軌道航天器來(lái)說(shuō)同樣存在這一問(wèn)題[1]。

極軌衛(wèi)星或傾斜軌道的航天器在通過(guò)地面站天線頂空時(shí),離地面站最近,星上和地面信息交換信號(hào)最強(qiáng),研究人員希望在此時(shí)接收到信息數(shù)據(jù)。有些極軌衛(wèi)星的信息傳輸是定時(shí)的,也有些過(guò)境衛(wèi)星在通過(guò)境內(nèi)時(shí)不傳送信息,因此想要獲得更多的信息,地面站天線跟蹤控制系統(tǒng)接收范圍越大越好。

1 天線過(guò)頂跟蹤分析

方位-俯仰型天線座在天頂附近存在一個(gè)跟蹤“盲區(qū)”。當(dāng)目標(biāo)經(jīng)過(guò)這一“盲區(qū)”時(shí),地面站天線方位軸就會(huì)瞬時(shí)調(diào)轉(zhuǎn)180°,這對(duì)方位軸有一個(gè)很大的速度要求(理論上為無(wú)窮大),所以實(shí)際上是不能實(shí)現(xiàn)的,這樣必然造成目標(biāo)的丟失,這就給地面站的跟蹤系統(tǒng)帶來(lái)了一定的困難。為保證衛(wèi)星在通過(guò)地面站天頂時(shí)跟蹤系統(tǒng)不丟失目標(biāo),地面站必須采取有效措施解決過(guò)頂跟蹤問(wèn)題。這里采用了AET(可預(yù)置方位軸傾斜方向的AE式三軸座架)形式的座架來(lái)實(shí)現(xiàn)遙感衛(wèi)星的過(guò)頂跟蹤[2]。

2 伺服控制系統(tǒng)組成

伺服控制系統(tǒng)主要由天線控制單元、天線驅(qū)動(dòng)單元、軸角編碼單元和安全保護(hù)單元等組成,系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 伺服控制系統(tǒng)組成

3 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 天線控制單元

天線控制單元(ACU)由數(shù)據(jù)采集卡、D/A(數(shù)字/模擬)轉(zhuǎn)換卡、網(wǎng)卡、通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和自己設(shè)計(jì)的電路板組成,天線控制軟件安裝于ACU內(nèi)。

ACU是跟蹤控制系統(tǒng)的核心部分,主要完成跟蹤任務(wù)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備完成對(duì)目標(biāo)的精確跟蹤、完成天線的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制以及各種控制策略的實(shí)時(shí)計(jì)算和實(shí)施,同時(shí)對(duì)各測(cè)量信息進(jìn)行記錄、分析和顯示,向站控管理子系統(tǒng)上報(bào)設(shè)備狀態(tài)和天線角度等信息。環(huán)路控制采用增量式數(shù)字PI(比例、積分)控制算法來(lái)保證跟蹤系統(tǒng)達(dá)到良好的跟蹤精度和控制效果。

3.2 天線驅(qū)動(dòng)單元

天線驅(qū)動(dòng)單元分為方位軸驅(qū)動(dòng)單元、俯仰軸驅(qū)動(dòng)單元和傾斜驅(qū)動(dòng)單元3個(gè)部分,分別驅(qū)動(dòng)天線的方位軸、俯仰軸和傾斜軸。

在高精度天線系統(tǒng)中,齒隙對(duì)系統(tǒng)的定位精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性等指標(biāo)有很大的影響,因此一般都采用不同的消隙措施,以保證系統(tǒng)的指標(biāo),雙電機(jī)消隙是一種很好的方法。

雙電機(jī)消隙的基本原理是用2個(gè)相同的電機(jī)通過(guò)各自的減速裝置驅(qū)動(dòng)同一個(gè)負(fù)載,通過(guò)力矩偏置和力矩均衡電路去控制電機(jī)的工作狀態(tài),在負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小時(shí),2個(gè)電機(jī)輸出方向相反的力矩。一個(gè)電機(jī)的工作狀態(tài)為主動(dòng)電動(dòng)機(jī)狀態(tài),另一個(gè)電機(jī)的狀態(tài)為被動(dòng)制動(dòng)狀態(tài),這2種狀態(tài)隨著負(fù)載力矩的方向變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變,并且這種變化是平滑連續(xù)的,這樣就保證負(fù)載的低速運(yùn)轉(zhuǎn)平滑且無(wú)齒隙出現(xiàn)。隨著負(fù)載力矩的增大被動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)也變?yōu)橹鲃?dòng)狀態(tài),2個(gè)電機(jī)共同拖動(dòng)負(fù)載。

3.3 軸角編碼單元

軸角編碼單元主要是將天線的角度位置量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,采用旋轉(zhuǎn)變壓器和軸角轉(zhuǎn)換器(RDC)組合電路方案,這種方案的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高,直接產(chǎn)生數(shù)字信號(hào),使用方便,并且不易受到干擾,角度的精度根據(jù)實(shí)際要求選擇。

試驗(yàn)中旋轉(zhuǎn)變壓器采用國(guó)產(chǎn)高精度套軸1∶32對(duì)極雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器,RDC采用14位編碼器,經(jīng)過(guò)雙通道粗精結(jié)合得到17位精度的數(shù)據(jù)。

3.4 安全保護(hù)單元

安全保護(hù)單元由鎖定機(jī)構(gòu)和限位開(kāi)關(guān)組成,安裝在天線座上相應(yīng)的位置。

在天線收藏后需要進(jìn)行入鎖操作,以保證在大風(fēng)天氣下天線不損壞。

限位開(kāi)關(guān)用于限制天線的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍,當(dāng)天線轉(zhuǎn)到限位開(kāi)關(guān)處時(shí),限位開(kāi)關(guān)發(fā)出限位信號(hào),禁止天線轉(zhuǎn)動(dòng),以保證天線的安全。

3.5 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

基于AET座架的過(guò)頂跟蹤伺服系統(tǒng)是閉環(huán)在座架坐標(biāo)系(測(cè)量坐標(biāo)系)中的,測(cè)角裝置測(cè)出的也是座架坐標(biāo)系中的實(shí)時(shí)天線角度,而引導(dǎo)數(shù)據(jù)和要求天線輸出的數(shù)據(jù)是大地坐標(biāo)系(地理坐標(biāo)系)中的數(shù)據(jù)。跟蹤系統(tǒng)獲得目標(biāo)軌道預(yù)報(bào)的理論軌道角度是按大地坐標(biāo)系來(lái)計(jì)算的,所以跟蹤系統(tǒng)就必須對(duì)大地坐標(biāo)系中的理論引導(dǎo)角(大地坐標(biāo)系中的方位角和俯仰角)通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換換算到座架坐標(biāo)系中,得到正確的指向角,從而在座架坐標(biāo)系中對(duì)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際的控制計(jì)算;同時(shí)由于在終端顯示的是在大地坐標(biāo)系中的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況,所以還必須對(duì)座架坐標(biāo)系中的實(shí)時(shí)測(cè)量軸角進(jìn)行坐標(biāo)反變換[3]。

3.5.1 坐標(biāo)正變換

把目標(biāo)大地方位角AD、大地俯仰角ED轉(zhuǎn)變?yōu)樽蹵j和Ej的這種變換稱(chēng)為坐標(biāo)正變換,坐標(biāo)正變換公式為:

MR、MP和MH分別為橫搖、縱搖和航向轉(zhuǎn)換矩陣[5],在AET座架中橫搖(Roll)為0°,縱搖(Pitch)固定為-7°,航向(Heading)為傾斜軸的角度,順時(shí)針為正,則可推出:

將式(3)～式(6)代入式(1)可得:

Aj位于哪個(gè)像限由yj和xj的符號(hào)來(lái)確定:

3.5.2 坐標(biāo)反變換

座架坐標(biāo)系中的角Aj和Ej轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之對(duì)應(yīng)的大地方位角AD和大地俯仰角ED,這種變換稱(chēng)之為坐標(biāo)反變換,坐標(biāo)反變換式為:

因?yàn)樽鴺?biāo)轉(zhuǎn)換矩陣都是正交矩陣,其逆矩陣等于轉(zhuǎn)置矩陣,所以上式可變?yōu)?

由上式可以求出AD和ED。

3.6 控制算法

控制算法采用PI控制算法,PI算法為二階無(wú)靜差體制,其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)式為[4]:

式中,K(s)為傳遞函數(shù);Ka為系統(tǒng)增益;T為采樣周期;τ為時(shí)間常數(shù)期;ξ阻尼系數(shù)。

開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性曲線如圖2所示。通常在離散化的伺服控制系統(tǒng)中采用增量式數(shù)字PI控制算法,所謂增量式PI是指數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出只是控制量的增量U k_,其表達(dá)式為:

式中,Kp為比例放大系數(shù);Ts為采樣周期;Ti為積分時(shí)間常數(shù)為當(dāng)前增量輸出為第k次偏差。

圖2 開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性曲線

增量式數(shù)字PI調(diào)節(jié)控制技術(shù)在自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用已相當(dāng)廣泛并越來(lái)越完善,近年來(lái)的工程都廣泛采用這種調(diào)節(jié)技術(shù),并獲得滿(mǎn)意的結(jié)果。

4 仿真結(jié)果分析

大地坐標(biāo)下的跟蹤曲線如圖3所示,AET三軸座架坐標(biāo)下的跟蹤曲線如圖4所示。

圖3 大地坐標(biāo)下的跟蹤曲線

圖4 AET坐標(biāo)下的跟蹤曲線

在俯仰角為89.329°時(shí),方位軸速度為4.5(°)/s,小于方位軸能達(dá)到的速度(20(°)/s),所以不存在過(guò)頂跟蹤“盲區(qū)”。

在俯仰角為 89.329°時(shí),方位軸速度為49.38(°)/s,遠(yuǎn)大于方位軸能達(dá)到的速度(20(°)/s)所以存在過(guò)頂跟蹤“盲區(qū)”。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于AET座架伺服控制系統(tǒng)是針對(duì)解決天線跟蹤過(guò)頂“盲區(qū)”而設(shè)計(jì)的,整個(gè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、系統(tǒng)參數(shù)可調(diào)和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。該方法消除了天線跟蹤的“盲區(qū)”,保證跟蹤任務(wù)的順利完成,經(jīng)過(guò)一年多的試運(yùn)行,實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)可靠運(yùn)行驗(yàn)證了該方法的有效性。

[1]王德純.精密跟蹤測(cè)量雷達(dá)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[2]張 燕.過(guò)頂跟蹤的天線座設(shè)計(jì)方法[J].無(wú)線電工程,1997,27(4):37-39.

[3]李小平.天線座過(guò)頂跟蹤[J].通信與測(cè)控,1992(4):95-100.

[4]孫德寶.自動(dòng)控制原理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2002.