遙感衛(wèi)星高精度指向跟蹤控制策略研究

雷志剛

（中國電子科技集團公司電子第39研究所，西安 710065）

遙感衛(wèi)星高精度指向跟蹤控制策略研究

雷志剛

（中國電子科技集團公司電子第39研究所，西安 710065）

本文提出了遙感衛(wèi)星高精度指向跟蹤控制策略，闡述了具體實現(xiàn)方法，實現(xiàn)了對高仰角、高動態(tài)目標的全空域無盲區(qū)可靠捕獲及穩(wěn)定跟蹤。

指向；跟蹤；控制；高精度

1 引言

隨著遙感衛(wèi)星在資源探測、天氣預(yù)測、海洋觀察、減災(zāi)等方面的廣泛應(yīng)用，對天線伺服系統(tǒng)在實現(xiàn)目標全空域搜索、捕獲、自動跟蹤、過頂跟蹤等方面提出了更高的要求。本文研究遙感衛(wèi)星高精度指向跟蹤控制策略，實現(xiàn)目標的高精度指向控制、快速捕獲及高精度高動態(tài)全空域無盲區(qū)穩(wěn)定跟蹤。

2 需求分析

遙感衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)主要用于跟蹤太陽同步軌道低軌遙感衛(wèi)星，其軌道高度一般為300km～800km之間。

太陽同步軌道衛(wèi)星目標運動特征一般為近圓軌道，在航捷點附近假定目標水平飛行，軌道高度為h，目標的速度為Vt，天線的方位角速度為ωA，角加速度為、，目標和觀測站的關(guān)系如圖1所示。

圖1 觀測站與運動目標位置關(guān)系

則：

式中：Rc=測站天線離目標飛行地面軌跡的最近距離；

設(shè)：衛(wèi)星軌道高度：h=300Km，地球半徑：Re=6378.14Km

為了保證過頂時跟蹤精度，伺服系統(tǒng)的位置環(huán)等效加速度誤差系數(shù)Ka必須達到70（1/s2）以上才能滿足精度要求。從目前的設(shè)計、加工水平看，要達到是不可能的，因此伺服系統(tǒng)必須采用速度前饋復(fù)合控制技術(shù)提高伺服系統(tǒng)等效Ka≥70，才能保證過頂跟蹤精度的實現(xiàn)。

3 方案設(shè)計

天線伺服控制系統(tǒng)主要包括天線控制單元（ACU）、天線驅(qū)動單元（ADU）、軸角編碼單元（PDU）、驅(qū)動電機、測角元件、控制保護邏輯等組成。

天線控制單元（ACU）是伺服系統(tǒng)的控制中心。它完成天線運動的各種控制以及各種控制策略的實時計算與實施，最終完成天線對目標的精確跟蹤。

天線驅(qū)動單元（ADU）主要由驅(qū)動功放、環(huán)路控制與保護電路及安裝在天線上的執(zhí)行電機、傳感器等構(gòu)成，主要完成功率放大、能量轉(zhuǎn)換，最終驅(qū)動天線轉(zhuǎn)動。

軸角編碼單元（PDU）獲得精確的位置角度信息。

4 控制策略

4.1 采用高精度的軸角編碼器

高精度的軸角編碼是一切高精度控制的基礎(chǔ)，該精度的編碼精度才能滿足控制系統(tǒng)指向精度以及捕獲跟蹤的要求。

旋變采用高精度，全范圍內(nèi)可以保證在5"以內(nèi)，該旋變?yōu)殡p通道旋變發(fā)射機精粗比為64：1。編碼芯片采用高精度RDC轉(zhuǎn)換器，它能夠直接將來自測角元件即分解器或同步機的被角度調(diào)制了的交流信號轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)字角度值。

4.2 精確的引導(dǎo)數(shù)據(jù)計算

天線在程序跟蹤工作方式時，由于指向誤差的客觀存在，即使軌道預(yù)報數(shù)據(jù)非常精確，天線也無法準確對準目標。其中指向誤差中的系統(tǒng)誤差可以通過對軌道預(yù)報數(shù)據(jù)或角度編碼數(shù)據(jù)反修正加以克服，從而提高指向精度。

計算好的引導(dǎo)數(shù)據(jù)在用于天線引導(dǎo)前，還要進行軸系誤差的反修正，反向修正的內(nèi)容包括天線編碼器零位誤差、天線重力變形誤差、天線大盤不水平誤差、方位、俯仰軸不正交誤差、天線光電軸失配誤差，修正后能夠保證天線指向更精準。具體的修正方法是根據(jù)系統(tǒng)誤差模型：

穩(wěn)定跟蹤低頻段過境衛(wèi)星，通過計算的衛(wèi)星指向數(shù)據(jù)和實際的軸角編碼數(shù)據(jù)進行對比求差。經(jīng)過多次的跟蹤，獲得大量的誤差數(shù)據(jù)，依據(jù)系統(tǒng)誤差模型采用最小二乘法對誤差曲線進行擬合，求出各誤差系數(shù)。求出各誤差系數(shù)后，采用該系數(shù)對天線實際指向進行修正。

4.3 提高天線控制單元實時控制頻率

提高天線控制單元實時控制頻率，能夠使位置環(huán)路的超調(diào)明顯減小，對于精確的天線指向控制將有明顯的改善作用。另外高的采樣率也使一些如算法復(fù)合前饋、計算機輔助跟蹤等算法的精確性進一步提高，對于天線指向、跟蹤精度有較大的改善作用。

在天線控制子系統(tǒng)中具有很高的實時性。采用高速同步串口（SSI）完成與軸角編碼單元、跟蹤接收機的數(shù)據(jù)交換，每個數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)交換時間小于300ns；通過以上措施的采用，控制系統(tǒng)的控制周期可以控制在10ms以內(nèi)，數(shù)據(jù)刷新率可以達到100Hz，提高了位置環(huán)路帶寬，有效減小跟蹤目標時的動態(tài)滯后，使對動態(tài)目標的跟蹤更可靠有效。

4.4 使用目標前饋的位置復(fù)合控制

傳統(tǒng)的位置環(huán)路調(diào)節(jié)器采用PID算法進行環(huán)路控制，根據(jù)工程經(jīng)驗，在沒有復(fù)合控制（FF）的前提下，某口徑天線系統(tǒng)的加速度誤差系數(shù)（Ka）一般能達到6左右，這樣的指標是遠遠不夠的，目標過頂前后速度和加速度的急劇變化會使天線不能精確對準目標。

采用了目標前饋的位置復(fù)合控制，實際上是PID調(diào)節(jié)器的一種改進形式，在PID調(diào)節(jié)器的環(huán)路之外，將目標位置進行微分等處理，提取速度分量信息，使PID調(diào)節(jié)器能夠適應(yīng)目標速度的變化，實現(xiàn)穩(wěn)定、精確的指向控制。采用目標前饋復(fù)合控制算法后，系統(tǒng)的加速度誤差系數(shù)大大提高，顯著提高了位置控制精度。

5 結(jié)論

采取以上控制策略的高精度指向跟蹤控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用在遙感衛(wèi)星全空域捕獲跟蹤系統(tǒng)中，實現(xiàn)了對高仰角、高動態(tài)衛(wèi)星的保精度跟蹤，取得了預(yù)期成果，可在我國新一代低軌遙感衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

［1]謝劍英.機算機控制技術(shù)［M].國防工業(yè)出版社，1985年.

［2]陳伯時.自動控制系統(tǒng)［M].機械工業(yè)出版社，1981年.

［3]胡壽松.自動控制原理［M].國防工業(yè)出版社，1984年.

［4]蔣力.目標過頂?shù)某绦蚋櫩刂萍夹g(shù)［J].電子技術(shù)應(yīng)用2005-9.