Ka頻段低軌衛(wèi)星跟蹤方式研究

謝學東，操禮長，劉旺華，朱志勇

(1.中國人民解放軍61112部隊，黑龍江 牡丹江157011； 2.西安衛(wèi)星測控中心，陜西 西安 710043)

0 引言

隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，空間相機的分辨率不斷提高，圖像數(shù)據(jù)量也成倍增加，衛(wèi)星需要利用有限的空間資源將數(shù)據(jù)下傳至地面處理系統(tǒng)。目前，低軌衛(wèi)星大部分通過X頻段(8～9 GHz)傳輸遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)至地面處理系統(tǒng)。根據(jù)國際電信聯(lián)盟(ITU)規(guī)定，X頻段的傳輸帶寬一般不得超過250 MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率不超過500 Mbps[1]。而Ka頻段的傳輸帶寬可達3.5 GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率可達7.0 Gbps[2]。綜合考慮應用需求，可以使用Ka頻段傳輸高碼速率的遙感數(shù)據(jù)解決遙感數(shù)據(jù)量大和傳輸時間短的矛盾[3]。目前，中繼衛(wèi)星數(shù)據(jù)的傳輸采用Ka頻段傳輸，數(shù)據(jù)速率可達1 Gbps以上[4]。中繼衛(wèi)星飛行高度一般超過20 000 km，地面捕獲跟蹤角速度不高，常規(guī)的伺服機構(gòu)和跟蹤技術(shù)可以滿足使用要求。而低軌衛(wèi)星的高度一般為200～1 100 km，地面跟蹤過頂角速度較高，并且Ka頻段的波束寬度也偏低[5]，同時多普勒效應對地面跟蹤帶來的影響也較大[6]，為準確跟蹤帶來了較大的挑戰(zhàn)。本文針對Ka頻段低軌衛(wèi)星過頂跟蹤的高跟蹤精度要求，提出跟蹤環(huán)路的改進設計思路，并仿真驗證了跟蹤環(huán)路控制特性，為低軌Ka頻段衛(wèi)星跟蹤控制提出關(guān)鍵改進思路。

1 Ka頻段跟蹤條件對比

1.1 跟蹤精度要求

波束寬度是指天線輻射方向圖中主瓣兩半功率點間的夾角，定義為天線方向圖的波瓣寬度，包含水平波束寬度和垂直波束寬度，一般與天線的結(jié)構(gòu)、天線的口徑和接收信號的波長有關(guān)[7]。當天線結(jié)構(gòu)和饋源組裝完畢，通常標定各個方向的特定頻點的方向圖，可以確定天線的波束寬度。工程中一般采用式(1)進行初略計算[8]：

(1)

式中，λ為接收信號的波長；D為接收天線的口徑(直徑)?？梢姡ㄊ鴮挾扰c接收信號的波長成正比，與天線的口徑成反比。一般天線跟蹤精度為半功率波束寬度的1/10[9]，則

(2)

當采用天線口徑為12 m，接收信號頻點為27 GHz時，由式(2)可得，Ka波段的跟蹤精度要求為0.065°。

1.2 跟蹤性能要求

圖1 衛(wèi)星與觀測點的關(guān)系

則

(3)

不同軌道高度衛(wèi)星正過頂情況下對12 m三軸天線系統(tǒng)動態(tài)性能的預算不同。在Ka頻段自跟蹤時，如果只是采用傳統(tǒng)的PID控制器控制策略[15]，當衛(wèi)星軌道高度為200 km時，動態(tài)滯后的誤差為0.066°，無法滿足系統(tǒng)的跟蹤精度。為了達到高精度穩(wěn)定可靠的跟蹤，在傳統(tǒng)控制策略的基礎(chǔ)上必須采取相應的措施，提高跟蹤環(huán)路的性能，實現(xiàn)Ka頻段低軌衛(wèi)星的穩(wěn)定捕獲跟蹤。

2 跟蹤環(huán)路研究

2.1 跟蹤結(jié)構(gòu)設計

天線伺服控制系統(tǒng)的控制通道或反饋通道一般采用模擬信號傳輸，其中放大器零點偏移、放大器零漂噪聲、編碼器噪聲和跟蹤接收機噪聲等誤差項超出跟蹤精度要求標準，無法滿足天線系統(tǒng)對高動態(tài)目標的可靠跟蹤要求[16]。本方案選用高精度數(shù)字模塊組合，模塊之間的信息傳遞也采用數(shù)字傳遞。盡可能的降低由于模擬電路和模擬信號的傳輸帶來的誤差。數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

馬達控制器選用高精度交流伺服驅(qū)動器，電機選用與之配套的數(shù)字反饋交流伺服力矩電機，特點是調(diào)速范圍寬、精度高和低速性能好。交流伺服驅(qū)動器對外接口增加現(xiàn)場工業(yè)總線接口。通過這個接口實時控制送來的數(shù)字速度指令和伺服控制計算機時實傳送電機速度、電流反饋信號。由于速度指令是以數(shù)字信號形式傳遞，交流伺服電機的寬調(diào)速范圍受噪聲影響降低，這樣的調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)前述的最小速度要求，最終為實現(xiàn)跟蹤精度奠定必要的基礎(chǔ)。驅(qū)動系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的多電機消隙技術(shù)進一步減小傳動誤差，其中力矩偏置、力矩均分和差速抑制等功能，在實時控制單元內(nèi)計算完后送給數(shù)字驅(qū)動器。實時控制單元采用高速同步串口(SSI)[17]，接收數(shù)字跟蹤接收機送來的誤差電壓、信號強度指示，控制天線的電軸對準目標完成自動跟蹤。機械軸位置編碼選用旋轉(zhuǎn)變壓器，采用套軸式安裝方式確保安裝精度控制在允許范圍內(nèi)。編碼結(jié)果以數(shù)字量的形式通過高速串行接口向控制計算機時實傳輸，可以有效地降低編碼噪聲。

2.2 跟蹤環(huán)路設計

傳統(tǒng)的位置環(huán)路控制器采用PID控制器進行環(huán)路控制，根據(jù)工程經(jīng)驗，在沒有復合控制的前提下，一個12 m天線系統(tǒng)的加速度系數(shù)一般能達到10左右，對于工作在較低頻率的天線系統(tǒng)來說能夠滿足使用要求。但是對于27～30 GHz頻段的天線來說，加速度系數(shù)指標要求達20左右[18]，目標過頂前后速度和加速度才能使天線精確對準目標。工程設計中可以使用如圖3和圖4所示的方法來實現(xiàn)天線復合控制。

圖3 方位復合控制工程實現(xiàn)原理

圖4 俯仰復合控制工程實現(xiàn)原理

精確天線指向控制使用程序引導工作方式，前饋算法采用計算目標引導數(shù)據(jù)的速度分量，作為附加控制信號進行前饋校正，提高系統(tǒng)的誤差度，使系統(tǒng)的跟蹤精度得到極大提高。

采用目標前饋的位置復合控制，實際上是在PID控制器的環(huán)路之外，將目標位置進行微分處理，提取速度分量信息，對PID控制器進行二次校正，使PID控制器能夠適應目標速度的變化，實現(xiàn)穩(wěn)定、精確的指向控制。實驗表明采用目標前饋復合控制算法后，系統(tǒng)的加速度常數(shù)K可提高10倍左右，理想情況下，12 m天線系統(tǒng)的等效加速度系數(shù)大于70，可以大大提高位置控制的精度。

2.3 變積分PID控制器設計

天線控制系統(tǒng)的響應時間和超調(diào)分量永遠是矛盾的。采用復合的PID控制器，在獲得較小的響應時間的同時，超調(diào)卻在一定程度上有所增加。在高精度的指向控制中，期望能夠快速完成位置指向，又不希望超調(diào)過大，在正常收斂后還希望保持較好的動態(tài)響應特性，常規(guī)的PID控制器無法滿足該要求。

圖5 常規(guī)與變積分PID控制器過度過程曲線

圖5上方曲線是標準PID控制器過度過程曲線示意圖，系統(tǒng)約有30%左右的超調(diào)，在目標搜索過程中天線小范圍抖動劇烈，將無法精確指向目標。采用變積分控制的修正型PID控制器能夠達到較好的控制效果，圖5下方曲線是變積分PID控制器過度過程曲線。在第1階段，控制誤差較大時，積分很弱，環(huán)路類似于一型環(huán)路，能夠快速、平穩(wěn)運行，幾乎沒有超調(diào)；在第2階段，控制誤差較小，但不夠小，積分逐步加強，會帶來一定的超調(diào)；第3階段，控制誤差已足夠小，天線運行已趨于平穩(wěn)，積分加強到正常值，保證系統(tǒng)有足夠的加速度常數(shù)，最小的動態(tài)滯后誤差。通過變積分PID控制器可以在保證控制系統(tǒng)的響應時間的前提下，有效降低超調(diào)到10%以下，超調(diào)的減小可以提高系統(tǒng)的控制精度。

2.4 實驗驗證

根據(jù)實際衛(wèi)星飛行模式，仿真回歸周期內(nèi)Ka頻段低軌衛(wèi)星的飛行航跡，并加入空間環(huán)境噪聲，模擬實際衛(wèi)星的衛(wèi)星航跡(包括運行速度、加速度6個分量)[19]。地面接收系統(tǒng)根據(jù)輸入條件，通過跟蹤環(huán)路閉環(huán)計算出天線波束與衛(wèi)星之間的角誤差信號ΔUa，ΔUe，控制天線向誤差減小的方向運動，完成天線的穩(wěn)定捕獲跟蹤，來驗證天線的Ka頻段的跟蹤精度[20]。衛(wèi)星航跡一般為變加速飛行目標航路，變加速目標航路產(chǎn)生過程中的速度曲線圖和加速度曲線如圖6、圖7所示，加加速度曲線如圖8所示，實驗中所產(chǎn)生的跟蹤誤差理論上只會由加加速度引起。

圖6 速度曲線

圖7 加速度曲線

圖8 加加速度曲線

實測方位軸速度曲線和加速度曲線如圖9和圖10所示，實測Ka跟蹤角誤差曲線如圖11所示。當采用傳統(tǒng)PID控制技術(shù)時，天線在上述實驗中會丟失目標，不能實現(xiàn)Ka頻段的穩(wěn)定跟蹤。當應用復合控制技術(shù)后，本系統(tǒng)可以等效為三階PID控制系統(tǒng)，理論上動態(tài)滯后僅會由加加速度引起。應用復合控制技術(shù)的天線控制系統(tǒng)在上述實驗中能夠?qū)崿F(xiàn)Ka頻段的穩(wěn)定跟蹤。目標加速度在0～0.7變化(速度從0°/s增至5°/s再降至0°/s)的跟蹤效果圖，圖中的跟蹤角誤差完全是由加速度的變化量引起，與圖9的理論推斷相吻合。

圖9 實測方位軸速度曲線

圖10 實測方位軸加速度曲線

圖11 Ka跟蹤角誤差曲線

從上述實驗結(jié)果得出，跟蹤系統(tǒng)Ka頻段跟蹤精度為0.005 8°，滿足設計要求的0.006 5°。應用改良PID控制技術(shù)后，本系統(tǒng)已經(jīng)成為等效三階系統(tǒng)，加速度誤差將趨近于0，跟蹤角誤差完全是由加加速度引起。所以由加速度為0.7°/s2條件下的跟蹤能力測試結(jié)果，理論上可以推斷出本系統(tǒng)在目標加速度更高條件下，也能達到上述跟蹤能力。

3 結(jié)束語

高頻段低軌衛(wèi)星的捕獲跟蹤問題是制約Ka頻段工程應用的關(guān)鍵。本文從跟蹤環(huán)路設計方面論證了解決方案，結(jié)果證明積分式PID控制器可以滿足低軌衛(wèi)星的跟蹤。但在工程應用中，Ka信號的重捕機制和流程設計也將是保證信號穩(wěn)定捕獲跟蹤的關(guān)鍵，并且低軌衛(wèi)星的運動速度較快，相應的多普勒頻移也較大，對信號的解調(diào)處理帶來了相應難題。總之，Ka頻段低軌衛(wèi)星的捕獲跟蹤工程化需要綜合考慮各方面因素，根據(jù)實際建設環(huán)境設計合理有效的接收系統(tǒng)，才能保證穩(wěn)定準確的捕獲跟蹤，實現(xiàn)Ka頻段高碼速率信號的傳輸和處理。