基于前饋的伺服系統(tǒng)控制技術(shù)研究

李宏科 王萬玉 馮旭祥 王永華 穆偉

摘 要：Ka頻段是解決星地?cái)?shù)據(jù)傳輸頻帶資源緊張的有效技術(shù)途徑，可成為星地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展方向。針對高動(dòng)態(tài)窄波束目標(biāo)的高精度跟蹤技術(shù)需求，文中提出了復(fù)合控制的技術(shù)方案。該方案采用目標(biāo)測角輸出和角誤差電壓產(chǎn)生速度前饋控制信號，可提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和跟蹤精度。依據(jù)該方案設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)已用于工程項(xiàng)目，測試結(jié)果表明，該方案合理可行。

關(guān)鍵詞：遙感衛(wèi)星；伺服系統(tǒng)；復(fù)合控制；速度前饋；動(dòng)態(tài)性能

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）05-0-02

0 引 言

隨著對地觀測技術(shù)及應(yīng)用需求的發(fā)展，星地鏈路需要傳輸?shù)男畔⑺俾试絹碓礁撸加玫膸捯苍絹碓綄?，寬帶高速傳輸已?jīng)成為星地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)谋厝悔厔荨a頻段可用的帶寬較寬，可以滿足較大的傳輸帶寬和較高碼速率的傳輸需要，已成為星地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展方向[1-3]。

Ka頻段波束非常窄，且低軌道極軌衛(wèi)星目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度很快。而大型天線考慮安全及功率等因素，天線系統(tǒng)的速度、加速度受到一定限制，存在一定的動(dòng)態(tài)滯后，特別是在過頂前后這個(gè)問題上更為突出。目前低軌道極軌衛(wèi)星地面接收站伺服系統(tǒng)大多采用PID算法進(jìn)行環(huán)路控制[4]，這種控制方式已難以滿足上述要求。因此，高動(dòng)態(tài)、窄波束目標(biāo)的高精度跟蹤對遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站伺服系統(tǒng)提出了更高、更新的技術(shù)要求[5]。

為了提高伺服系統(tǒng)的精度，一是盡量提高系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振頻率，提高系統(tǒng)的加速度常數(shù)；二是采用高階無靜差系統(tǒng)；三是采用復(fù)合控制方法，提高系統(tǒng)的無靜差度[6]。前兩種措施受到許多因數(shù)的制約，限制了伺服系統(tǒng)的精度提高。本文在電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)構(gòu)成的三環(huán)伺服控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用目標(biāo)速度前饋的復(fù)合控制技術(shù)方案來提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和跟蹤性能，實(shí)現(xiàn)了對高動(dòng)態(tài)、窄波束目標(biāo)的高精度跟蹤。

1 動(dòng)態(tài)性能需求分析

低軌遙感衛(wèi)星其軌道高度一般在300 km～1 000 km之間，對方位-俯仰-7°傾角斜轉(zhuǎn)臺的三軸天線座架，目標(biāo)在正過頂時(shí)所需天線方位最大角速度為：

式（13）中，f（t）為前饋信號在時(shí)域的表達(dá)式，、分別為目標(biāo)位置的一次導(dǎo)數(shù)和二次導(dǎo)數(shù)。式（13）表明，要實(shí)現(xiàn)三階無靜差，須提供目標(biāo)的速度信號；要實(shí)現(xiàn)四階無靜差，須提供目標(biāo)的速度信號和加速度信號。結(jié)合實(shí)際技術(shù)需求，在工程中采用了實(shí)現(xiàn)三階無靜差的方案。

針對遙感衛(wèi)星地面站伺服系統(tǒng)，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌道是已知的，可利用的信息源包括目標(biāo)的測角輸出A0、E0和角誤差電壓Ua、Ue。目標(biāo)的速度信息可通過目標(biāo)的測角輸出A0、E0和角誤差電壓Ua、Ue求得。以方位支路為例，復(fù)合控制的原理框圖如圖3所示。

圖3 復(fù)合控制原理框圖（以方位支路為例）

前饋微分傳遞函數(shù)：

3 測試結(jié)果及分析

為驗(yàn)證前饋復(fù)合控制效果，采用第三軸轉(zhuǎn)動(dòng)模擬法對天線伺服系統(tǒng)的跟蹤性能進(jìn)行了試驗(yàn)[7]，驗(yàn)證Ka頻段低軌衛(wèi)星的跟蹤性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：不采用復(fù)合控制技術(shù)，方位跟蹤角誤差達(dá)到0.032°；采用復(fù)合控制技術(shù)后，跟蹤角誤差優(yōu)于0.005°?？梢娝欧到y(tǒng)動(dòng)態(tài)特性有明顯的提高。

目前并無Ka頻段低軌遙感衛(wèi)星，利用X頻段低軌衛(wèi)星進(jìn)行了復(fù)合控制方案的效果實(shí)驗(yàn)，并利用折算關(guān)系計(jì)算Ka角度誤差信息。當(dāng)過境衛(wèi)星ELmax=71.806°且未使用復(fù)合控制技術(shù)時(shí)，在目標(biāo)過頂點(diǎn)前后，動(dòng)態(tài)滯后較大，約為±0.15 V，折算為角度信息大約在±0.011 25°左右。而當(dāng)使用復(fù)合控制技術(shù)后，即使過境衛(wèi)星ELmax=89.07°時(shí)，在目標(biāo)過頂點(diǎn)前后，動(dòng)態(tài)滯后較小，大約在±0.05 V左右，折算為角度信息大約在±0.003 75°左右?？梢娞炀€伺服系統(tǒng)采用前饋復(fù)合控制技術(shù)后有效減小了動(dòng)態(tài)滯后，提升了系統(tǒng)的高仰角跟蹤能力。

4 結(jié) 語

本文在電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)構(gòu)成的三環(huán)伺服控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入前饋控制，將前饋控制與反饋控制結(jié)合起來構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng)。采用目標(biāo)速度前饋的復(fù)合控制技術(shù)方案來提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和跟蹤性能，實(shí)現(xiàn)了對高動(dòng)態(tài)、窄波束目標(biāo)的高精度跟蹤。

測試結(jié)果表明引入前饋控制后伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性有明顯的提高。依據(jù)該方案設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)已用于工程項(xiàng)目中。

參考文獻(xiàn)

[1] 王中果，汪大寶.低軌遙感衛(wèi)星Ka頻段星地?cái)?shù)據(jù)傳輸效能研究[J].航天器工程，2013，22（1）：72-77.

[2]高衛(wèi)斌，冉承其.遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)發(fā)展分析[J].中國空間科學(xué)技術(shù)，2005（6）：30-36.

[3] J. Roselló， A. Martellucci， R. Acosta， et al. 26-GHz Data Downlink for LEO Satellites[C]. 6th European Conference on Antennas and Propagation， 2012：111-115.

[4] 王萬玉，馮旭祥.遙感衛(wèi)星接收站伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)[C].中國空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測專業(yè)委員會(huì)第二十七次學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2014：66-71.

[5] 王永華，王萬玉.S/X/ka頻段天伺饋系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析[J].電訊技術(shù)，2013，53（8）： 1058-1063.

[6] 李連升，張志英，劉紹球.現(xiàn)代雷達(dá)伺服控制[M].北京：國防工業(yè)出版社，1987.

[7] 朱維祥，穆偉，王萬玉，等.Ka頻段數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)跟蹤性能測試方法[J].電訊技術(shù)，2015，55（5）：560-563.