窄波束高動(dòng)態(tài)目標(biāo)高精度跟蹤技術(shù)分析

引 言

隨著遙感衛(wèi)星星地鏈路信息傳輸速率的增長(zhǎng)，寬帶高速傳輸已成為星地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)谋厝悔厔?shì) [1,2]。采用Ka 頻段可用帶寬傳輸數(shù)據(jù)是解決數(shù)據(jù)傳輸頻帶資源緊張的有效技術(shù)途徑， 已成為星地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展方向。但高頻率、大口徑天線的波束非常窄，且低軌衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度較快，為確?？焖俨东@、高精度跟蹤衛(wèi)星目標(biāo)，對(duì)遙感衛(wèi)星地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的捕獲跟蹤能力提出了較高要求[3,4]。

本文分析研究了低軌 Ka 頻段衛(wèi)星快速捕獲、高精度跟蹤的關(guān)鍵技術(shù)，提出了技術(shù)可行、工程可實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)解決方案。

1 需求分析

1.1 快速捕獲

低軌 Ka 頻段遙感衛(wèi)星工作頻率為 25 ～27.5 GHz。按工作頻率 27 GHz，接收天線口徑12 m 分析，地面接收系統(tǒng)的半功率波束寬為 0.064 8 。

12 m 天線 Ka 頻段捕獲衛(wèi)星的條件為波束中心指向方向與目標(biāo)方向偏差需小于 0.032 4 。采用兩行根數(shù)和SGP4 預(yù)報(bào)當(dāng)天的衛(wèi)星軌道，軌道預(yù)報(bào)誤差約為 0.015 ，目前工程系統(tǒng)12 m 天線 Ka 波段靜態(tài)指向誤差約為 0.04 。由此可見，即使不考慮跟蹤系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)滯后，Ka 頻段直接捕獲衛(wèi)星的概率也極低，地面接收系統(tǒng)采用Ka 頻段捕獲跟蹤低軌高動(dòng)態(tài)衛(wèi)星目標(biāo)存在極大的技術(shù)困難。

1.2 高精度跟蹤

12 m 天線 Ka 頻段的跟蹤精度要求電軸與目標(biāo)方向偏差小于 0.003 24 。

低軌道極軌衛(wèi)星目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度較快，特別在過頂前后， 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)對(duì)方位 / 俯仰/ 第三軸架構(gòu)天線系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高。而天線系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)由于速度、加速度等方面的制約，存在一定的動(dòng)態(tài)滯后，在過頂前后尤為突出。以跟蹤 300 km 軌道高度的衛(wèi)星為例，為了保證 Ka 頻段過頂跟蹤的實(shí)現(xiàn)，伺服系統(tǒng)的加速度誤差系數(shù) K 需達(dá)到 36.63（1/s2）以上；相應(yīng)地，伺服帶寬需達(dá)到 3.3 Hz[4]。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

2.1 指向精度

要實(shí)現(xiàn)對(duì)低軌Ka頻段衛(wèi)星的高精度指向控制、穩(wěn)定跟蹤， 保證大口徑天線的指向控制精度是前提和關(guān)鍵。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)除需要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提供高精度、高性能的天線座架及傳動(dòng)系統(tǒng)外，還需要從以下幾個(gè)方面考慮。

(1) 高精度軸角編碼

高精度軸角編碼是高精度控制的基礎(chǔ)。Ka 頻段天線的波束寬度只有 0.064 8 ，編碼精度達(dá)到 10'' 以內(nèi)，才能滿足控制系統(tǒng)指向精度以及捕獲跟蹤的要求。因此，除要求方位、俯仰及第三軸位置傳感器的結(jié)構(gòu)安裝達(dá)到高精度要求外（旋變安裝精度≤ 5''），電氣性能設(shè)計(jì)方面仍主要采用高精度旋變以及高精度編碼器件。

在本設(shè)計(jì)中，旋變采用 320XFS001，精度可以保證在 5'' 以內(nèi)，該旋變?yōu)殡p通道旋變，精粗比為 64∶1。編碼芯片采用高精度 RDC 轉(zhuǎn)換器，粗通道選用AD2S80AJD 芯片，精通道選用AD2S80AKD 芯片進(jìn)行角度編碼，配合 64∶1 的旋變， 可以達(dá)到 3.75'' 的轉(zhuǎn)換精度。

軸角編碼總精度為 8.004''，滿足10'' 以內(nèi)的要求。

(2) 系統(tǒng)誤差修正

系統(tǒng)各項(xiàng)誤差將導(dǎo)致系統(tǒng)指向精度下降，影響衛(wèi)星快速可靠捕獲，造成衛(wèi)星數(shù)據(jù)丟失。因此，系統(tǒng)投入使用前必須經(jīng)過細(xì)致、精確的標(biāo)定，以提高系統(tǒng)的指向精度，確保系統(tǒng)快速可靠地捕獲跟蹤目標(biāo)。

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等。對(duì)于方位 / 俯仰/ 第三軸架構(gòu)的天線系統(tǒng)，具體的誤差模型和修正方法參見參考文獻(xiàn)[5]。

(3) 精確的引導(dǎo)數(shù)據(jù)

對(duì)于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，可通過衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)的點(diǎn)位事先了解情況，數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)常采用程序引導(dǎo)加自動(dòng)捕獲跟蹤的工作模式。因此，精準(zhǔn)的衛(wèi)星軌道點(diǎn)位預(yù)報(bào)對(duì)高精度指向控制極為關(guān)鍵。在進(jìn)行衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)時(shí)，需用最新的軌道參數(shù)及預(yù)報(bào)精度高的軌道預(yù)報(bào)模型，且軌道參數(shù)與軌道預(yù)報(bào)模式匹配（盡可能不做軌道參數(shù)的格式轉(zhuǎn)換），確保達(dá)到最好的預(yù)報(bào)精度。另外，還需修正大氣密度的影響。

2.2 動(dòng)態(tài)性能

（1）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(jìn)行環(huán)路控制，在沒有復(fù)合控制的情況下，12 m 天線系統(tǒng)的加速度誤差系數(shù) K 一般可達(dá)到 8，此指標(biāo)難以滿足低軌 Ka 頻段衛(wèi)星高精度跟蹤要求。為實(shí)現(xiàn)遙感衛(wèi)星地面接收伺服系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)性能，需采用復(fù)合前饋控制技術(shù)，通過目標(biāo)前饋的復(fù)合控制，將目標(biāo)位置進(jìn)行微分等處理，提取速度分量信息，對(duì)伺服控制環(huán)路進(jìn)行校正，使二階無靜差系統(tǒng)等效為三階無靜差系統(tǒng)，提高等效加速度誤差常數(shù)，降低動(dòng)態(tài)滯后誤差[6]，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星目標(biāo)的穩(wěn)定、高精度跟蹤。

針對(duì)遙感衛(wèi)星地面站伺服系統(tǒng)，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌道已知，可利用衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，或依據(jù)跟蹤接收機(jī)送來的實(shí)時(shí)誤差電壓 Ua，Ue和測(cè)角輸出 A0，E0，得到方位和俯仰軸向速度分量。

在程序引導(dǎo)方式下，Aj，Ej為衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)的方位、俯仰角；在自跟蹤模式下，根據(jù)跟蹤接收機(jī)實(shí)時(shí)輸出的角誤差電壓Ua和 Ue，利用提前標(biāo)定的定向靈敏度系數(shù) M（偏開目標(biāo)一個(gè)密位對(duì)應(yīng)的方位 /俯仰的電壓值）折算為角位置差ΔAj= Ua/M 和ΔEj=Ue/M，然后得到 Aj=A0+ΔAj，Ej=E0+ΔEj。復(fù)合前饋控制原理框圖如圖 1所示。

（2）提高天線控制單元數(shù)據(jù)刷新率

通常，12 m 左右天線系統(tǒng)中天線控制單元的數(shù)據(jù)刷新率 為 20 Hz，按照天線位置環(huán)路帶寬 1.0 Hz 計(jì)算，數(shù)據(jù)刷新的 速率是控制對(duì)象帶寬的 20 倍，滿足使用要求。對(duì)于低軌 Ka 頻段衛(wèi)星的高精度控制和自跟蹤控制，20 Hz 的采樣速率已不 能滿足使用要求。提高伺服系統(tǒng)的采樣率，縮短采樣周期，提高數(shù)據(jù)刷新率，可增大開環(huán)截止頻率，擴(kuò)展閉環(huán)帶寬[7]，同時(shí)降低輸入指令誤差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力。

在天線控制單元設(shè)計(jì)中，采用高速同步串口（SSI）完成與軸角編碼單元、跟蹤接收機(jī)的數(shù)據(jù)交換，每個(gè)數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)交換時(shí)間小于 300 ns ；天線驅(qū)動(dòng)單元采用 CAN 總線代替原有的RS 485 接口，由于省略了系統(tǒng)中的通信處理，ACU 可直接通過總線對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，可以在 2 ms 內(nèi)對(duì)一臺(tái)電機(jī)控制器完成控制指令的下發(fā)和狀態(tài)采集。

通過以上措施，控制系統(tǒng)的控制周期在 10 ms 以內(nèi)，數(shù)據(jù)刷新率達(dá)到 100 Hz，系統(tǒng)位置環(huán)路帶寬超過 2 Hz。有效減小了跟蹤目標(biāo)時(shí)的動(dòng)態(tài)滯后，對(duì)高動(dòng)態(tài)目標(biāo)的高精度跟蹤更加可靠有效。

（3）采用變積分PID 控制

控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和超調(diào)永遠(yuǎn)是矛盾的。盡管采用優(yōu)良的PID 調(diào)節(jié)器，設(shè)置了合理的參數(shù)，在獲得較小的響應(yīng)時(shí)間的同時(shí)，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，并減小超調(diào)。

通過變積分PID 控制可在保證控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的前提下，將超調(diào)降低到 10% 以下，提高系統(tǒng)的控制精度。

2.3 數(shù)字控制技術(shù)

若伺服系統(tǒng)的控制通道或反饋通道采用模擬器件或模擬信號(hào)傳輸，則伺服放大器零點(diǎn)偏移和死區(qū)、伺服放大器零漂和噪聲、編碼器噪聲、跟蹤接收機(jī)噪聲等誤差項(xiàng)可能超標(biāo)且難以處理，無法滿足天線系統(tǒng)對(duì)高動(dòng)態(tài)目標(biāo)的可靠跟蹤要求。采用數(shù)字控制技術(shù)，選用高精度數(shù)字模塊組合，使模塊之間的信息傳遞數(shù)字化，可降低伺服控制系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。全數(shù)字控制系統(tǒng)框圖如圖 2 所示。

在設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)時(shí)，馬達(dá)控制器選用 PARK 公司設(shè)計(jì)的Compax3 高精度數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)選用與之配套的帶數(shù)字反饋的AC 伺服力矩電機(jī)，這種組合的特點(diǎn)是調(diào)速范圍寬、精度高、低速性能好。Compax3 數(shù)字驅(qū)動(dòng)器對(duì)外接口除了常規(guī)的模擬接口外，還有一個(gè)工業(yè)總線（CAN）接口。通過該接口接收天線控制單元送來的數(shù)字速度指令，并向天線控制單元實(shí)時(shí)傳送電機(jī)速度、電流反饋等數(shù)字信號(hào)。速度指令以數(shù)字信號(hào)形式傳遞，交流伺服電機(jī)的寬調(diào)速范圍不受噪聲影響，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的雙電機(jī)電消隙原理進(jìn)一步減小傳動(dòng)回差， 具有力矩偏置、力矩均分、差速抑制等功能，在 ACU 內(nèi)計(jì)算完成后送給數(shù)字驅(qū)動(dòng)器。

天線控制單元采用高速同步串口（SSI）接收數(shù)字跟蹤接收機(jī)送來的誤差電壓、信號(hào)強(qiáng)度指示，控制天線的電軸對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)完成自動(dòng)跟蹤。機(jī)械軸位置編碼選用旋轉(zhuǎn)變壓器，采用套軸式安裝方式將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(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)傳輸，可有效降低編碼噪聲。

2.4 跟蹤體制

由上述分析可知，Ka頻段直接捕獲衛(wèi)星的概率極低。采用Ka頻段下傳衛(wèi)星數(shù)據(jù)的衛(wèi)星上無 X下傳信號(hào)。因此，解決窄波束天線的捕獲可采取兩種方案 ：一種是程序引導(dǎo) +S頻段跟蹤后轉(zhuǎn)Ka頻段捕獲跟蹤 ；另一種是程序引導(dǎo) + 天線掃描， Ka頻段直接捕獲。

對(duì)于程序引導(dǎo)+S 頻段跟蹤后引導(dǎo)Ka 捕獲、自動(dòng)跟蹤的方案，為確保 S 引導(dǎo)Ka 捕獲，首先使S 和Ka 兩個(gè)頻段的電軸同軸（偏差需小于 0.02），其次 S 頻段跟蹤精度需達(dá)到半功率波束寬度的 1/25[4]。

S/Ka 頻段的電軸一致性取決于兩方面：一是饋源本身的電軸一致性 ；二是反射面精度及副反射面位置調(diào)整。因此， 需嚴(yán)格控制饋源的加工及裝配精度，保證喇叭輻射方向圖的電軸一致性。對(duì)于反射面，要求主反射面的精度在 0.3 mm（RMS）、副反射面的精度在 0.12 mm（RMS）以內(nèi)，且當(dāng)副反射面的位置在測(cè)試、調(diào)試方向圖時(shí)，對(duì)標(biāo)校塔先調(diào)整好 Ka 方向圖，再檢查S 頻段方向圖，確保 S，Ka 頻段方向圖和差零點(diǎn)的一致性。

對(duì)于程序跟蹤 + 天線掃描、Ka 頻段直接捕獲的方案， 因?yàn)橛尚l(wèi)星軌道預(yù)報(bào)的點(diǎn)位可以事先了解目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，所以在程序跟蹤的情況下，可在較小的預(yù)定區(qū)域內(nèi)以疊加掃描搜索的方式[8] 實(shí)現(xiàn)Ka直接捕獲衛(wèi)星信號(hào)。結(jié)合以往的工程實(shí)踐， 本系統(tǒng)中采用程序跟蹤疊加螺旋掃描的方式，優(yōu)化設(shè)計(jì)掃描速度、掃描步距，實(shí)現(xiàn)窄波束、低軌的高動(dòng)態(tài)衛(wèi)星目標(biāo)的直接捕獲。

3 結(jié) 語

低軌遙感衛(wèi)星使用Ka 頻段下傳衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)地面接收系統(tǒng)提出了更高、更新的技術(shù)要求。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)相關(guān)工程建設(shè)需求，分析研究了低軌 Ka 頻段衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)捕獲跟蹤的關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑，此研究結(jié)果已用于相關(guān)項(xiàng)目的立項(xiàng)論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工程建設(shè)中，并通過了模擬測(cè)試驗(yàn)證。