遙感衛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）

本文提出了遙感衛星高精度指向跟蹤控制策略，闡述了具體實現方法，實現了對高仰角、高動態目標的全空域無盲區可靠捕獲及穩定跟蹤。

指向；跟蹤；控制；高精度

1 引言

隨著遙感衛星在資源探測、天氣預測、海洋觀察、減災等方面的廣泛應用，對天線伺服系統在實現目標全空域搜索、捕獲、自動跟蹤、過頂跟蹤等方面提出了更高的要求。本文研究遙感衛星高精度指向跟蹤控制策略，實現目標的高精度指向控制、快速捕獲及高精度高動態全空域無盲區穩定跟蹤。

2 需求分析

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

太陽同步軌道衛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、，目標和觀測站的關系如圖1所示。

圖1 觀測站與運動目標位置關系

則：

式中：Rc=測站天線離目標飛行地面軌跡的最近距離；

設：衛星軌道高度：h=300Km，地球半徑：Re=6378.14Km

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

3 方案設計

天線伺服控制系統主要包括天線控制單元（ACU）、天線驅動單元（ADU）、軸角編碼單元（PDU）、驅動電機、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。

天線驅動單元（ADU）主要由驅動功放、環路控制與保護電路及安裝在天線上的執行電機、傳感器等構成，主要完成功率放大、能量轉換，最終驅動天線轉動。

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，該精度的編碼精度才能滿足控制系統指向精度以及捕獲跟蹤的要求。

旋變采用高精度，全范圍內可以保證在5"以內，該旋變為雙通道旋變發射機精粗比為64：1。編碼芯片采用高精度RDC轉換器，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制了的交流信號轉換成二進制數字角度值。

4.2 精確的引導數據計算

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

計算好的引導數據在用于天線引導前，還要進行軸系誤差的反修正，反向修正的內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系統誤差模型：

穩定跟蹤低頻段過境衛星，通過計算的衛星指向數據和實際的軸角編碼數據進行對比求差。經過多次的跟蹤，獲得大量的誤差數據，依據系統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。求出各誤差系數后，采用該系數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，能夠使位置環路的超調明顯減小，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、跟蹤接收機的數據交換，每個數據通道的數據交換時間小于300ns；通過以上措施的采用，控制系統的控制周期可以控制在10ms以內，數據刷新率可以達到100Hz，提高了位置環路帶寬，有效減小跟蹤目標時的動態滯后，使對動態目標的跟蹤更可靠有效。

4.4 使用目標前饋的位置復合控制

傳統的位置環路調節器采用PID算法進行環路控制，根據工程經驗，在沒有復合控制（FF）的前提下，某口徑天線系統的加速度誤差系數（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合控制，實際上是PID調節器的一種改進形式，在PID調節器的環路之外，將目標位置進行微分等處理，提取速度分量信息，使PID調節器能夠適應目標速度的變化，實現穩定、精確的指向控制。采用目標前饋復合控制算法后，系統的加速度誤差系數大大提高，顯著提高了位置控制精度。

5 結論

采取以上控制策略的高精度指向跟蹤控制系統已廣泛應用在遙感衛星全空域捕獲跟蹤系統中，實現了對高仰角、高動態衛星的保精度跟蹤，取得了預期成果，可在我國新一代低軌遙感衛星天線伺服系統中推廣應用。

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［2]陳伯時.自動控制系統［M].機械工業出版社，1981年.

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［4]蔣力.目標過頂的程序跟蹤控制技術［J].電子技術應用2005-9.