Ka頻段低軌衛星跟蹤方式研究

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.西安衛星測控中心，陜西 西安 710043)

0 引言

隨著遙感技術的不斷發展，空間相機的分辨率不斷提高，圖像數據量也成倍增加，衛星需要利用有限的空間資源將數據下傳至地面處理系統。目前，低軌衛星大部分通過X頻段(8～9 GHz)傳輸遙感衛星數據至地面處理系統。根據國際電信聯盟(ITU)規定，X頻段的傳輸帶寬一般不得超過250 MHz，數據傳輸速率不超過500 Mbps[1]。而Ka頻段的傳輸帶寬可達3.5 GHz，數據傳輸速率可達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據解決遙感數據量大和傳輸時間短的矛盾[3]。目前，中繼衛星數據的傳輸采用Ka頻段傳輸，數據速率可達1 Gbps以上[4]。中繼衛星飛行高度一般超過20 000 km，地面捕獲跟蹤角速度不高，常規的伺服機構和跟蹤技術可以滿足使用要求。而低軌衛星的高度一般為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。本文針對Ka頻段低軌衛星過頂跟蹤的高跟蹤精度要求，提出跟蹤環路的改進設計思路，并仿真驗證了跟蹤環路控制特性，為低軌Ka頻段衛星跟蹤控制提出關鍵改進思路。

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，一般與天線的結構、天線的口徑和接收信號的波長有關[7]。當天線結構和饋源組裝完畢，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)。可見，波束寬度與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 衛星與觀測點的關系

則

(3)

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

2 跟蹤環路研究

2.1 跟蹤結構設計

天線伺服控制系統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，無法滿足天線系統對高動態目標的可靠跟蹤要求[16]。本方案選用高精度數字模塊組合，模塊之間的信息傳遞也采用數字傳遞。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。數字控制系統結構框圖如圖2所示。

圖2 數字控制系統結構

馬達控制器選用高精度交流伺服驅動器，電機選用與之配套的數字反饋交流伺服力矩電機，特點是調速范圍寬、精度高和低速性能好。交流伺服驅動器對外接口增加現場工業總線接口。通過這個接口實時控制送來的數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字信號形式傳遞，交流伺服電機的寬調速范圍受噪聲影響降低，這樣的調速系統可以實現前述的最小速度要求，最終為實現跟蹤精度奠定必要的基礎。驅動系統采用傳統的多電機消隙技術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，在實時控制單元內計算完后送給數字驅動器。實時控制單元采用高速同步串口(SSI)[17]，接收數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。編碼結果以數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 跟蹤環路設計

傳統的位置環路控制器采用PID控制器進行環路控制，根據工程經驗，在沒有復合控制的前提下，一個12 m天線系統的加速度系數一般能達到10左右，對于工作在較低頻率的天線系統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所示的方法來實現天線復合控制。

圖3 方位復合控制工程實現原理

圖4 俯仰復合控制工程實現原理

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據的速度分量，作為附加控制信號進行前饋校正，提高系統的誤差度，使系統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，實現穩定、精確的指向控制。實驗表明采用目標前饋復合控制算法后，系統的加速度常數K可提高10倍左右，理想情況下，12 m天線系統的等效加速度系數大于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

天線控制系統的響應時間和超調分量永遠是矛盾的。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，又不希望超調過大，在正常收斂后還希望保持較好的動態響應特性，常規的PID控制器無法滿足該要求。

圖5 常規與變積分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，系統約有30%左右的超調，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，環路類似于一型環路，能夠快速、平穩運行，幾乎沒有超調；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；第3階段，控制誤差已足夠小，天線運行已趨于平穩，積分加強到正常值，保證系統有足夠的加速度常數，最小的動態滯后誤差。通過變積分PID控制器可以在保證控制系統的響應時間的前提下，有效降低超調到10%以下，超調的減小可以提高系統的控制精度。

2.4 實驗驗證

根據實際衛星飛行模式，仿真回歸周期內Ka頻段低軌衛星的飛行航跡，并加入空間環境噪聲，模擬實際衛星的衛星航跡(包括運行速度、加速度6個分量)[19]。地面接收系統根據輸入條件，通過跟蹤環路閉環計算出天線波束與衛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，完成天線的穩定捕獲跟蹤，來驗證天線的Ka頻段的跟蹤精度[20]。衛星航跡一般為變加速飛行目標航路，變加速目標航路產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PID控制技術時，天線在上述實驗中會丟失目標，不能實現Ka頻段的穩定跟蹤。當應用復合控制技術后，本系統可以等效為三階PID控制系統，理論上動態滯后僅會由加加速度引起。應用復合控制技術的天線控制系統在上述實驗中能夠實現Ka頻段的穩定跟蹤。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

從上述實驗結果得出，跟蹤系統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控制技術后，本系統已經成為等效三階系統，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果，理論上可以推斷出本系統在目標加速度更高條件下，也能達到上述跟蹤能力。

3 結束語

高頻段低軌衛星的捕獲跟蹤問題是制約Ka頻段工程應用的關鍵。本文從跟蹤環路設計方面論證了解決方案，結果證明積分式PID控制器可以滿足低軌衛星的跟蹤。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定捕獲跟蹤的關鍵，并且低軌衛星的運動速度較快，相應的多普勒頻移也較大，對信號的解調處理帶來了相應難題。總之，Ka頻段低軌衛星的捕獲跟蹤工程化需要綜合考慮各方面因素，根據實際建設環境設計合理有效的接收系統，才能保證穩定準確的捕獲跟蹤，實現Ka頻段高碼速率信號的傳輸和處理。