窄波束高動態(tài)目標高精度跟蹤技術分析

王小妹 王萬玉 毛偉 何元春

摘 要：針對窄波束高動態(tài)衛(wèi)星目標捕獲跟蹤技術難度大的問題，文中分析了低軌Ka頻段衛(wèi)星快速捕獲的關鍵技術及實現途徑。此研究結果已應用于高分專項北極衛(wèi)星數據接收站的系統(tǒng)設計及工程建設。

關鍵詞：數據接收系統(tǒng)；低軌衛(wèi)星；Ka頻段；動態(tài)性能；跟蹤

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-03

0 引 言

隨著遙感衛(wèi)星星地鏈路信息傳輸速率的增長，寬帶高速傳輸已成為星地數據傳輸的必然趨勢[1，2]。采用Ka頻段可用帶寬傳輸數據是解決數據傳輸頻帶資源緊張的有效技術途徑，已成為星地數據傳輸的發(fā)展方向。但高頻率、大口徑天線的波束非常窄，且低軌衛(wèi)星的運動速度較快，為確?？焖俨东@、高精度跟蹤衛(wèi)星目標，對遙感衛(wèi)星地面數據接收系統(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、高精度跟蹤的關鍵技術，提出了技術可行、工程可實現的關鍵技術解決方案。

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方向偏差需小于0.032 4°。采用兩行根數和SGP4預報當天的衛(wèi)星軌道，軌道預報誤差約為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態(tài)衛(wèi)星目標存在極大的技術困難。

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方向偏差小于0.003 24°。

低軌道極軌衛(wèi)星目標的運動速度較快，特別在過頂前后，目標運動對方位/俯仰/第三軸架構天線系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高。而天線系統(tǒng)在設計時由于速度、加速度等方面的制約，存在一定的動態(tài)滯后，在過頂前后尤為突出。以跟蹤300km軌道高度的衛(wèi)星為例，為了保證Ka頻段過頂跟蹤的實現，伺服系統(tǒng)的加速度誤差系數K需達到36.63（1/s2）以上；相應地，伺服帶寬需達到3.3 Hz[4]。

2 關鍵技術及解決方案

2.1 指向精度

要實現對低軌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鍵。因此，系統(tǒng)設計時除需要系統(tǒng)結構提供高精度、高性能的天線座架及傳動系統(tǒng)外，還需要從以下幾個方面考慮。

（1）高精度軸角編碼

高精度軸角編碼是高精度控制的基礎。Ka頻段天線的波束寬度只有0.064 8°，編碼精度達到10''以內，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構安裝達到高精度要求外（旋變安裝精度≤5''），電氣性能設計方面仍主要采用高精度旋變以及高精度編碼器件。

在本設計中，旋變采用320XFS001，精度可以保證在5''以內，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轉換器，粗通道選用AD2S80AJD芯片，精通道選用AD2S80AKD芯片進行角度編碼，配合64∶1的旋變，可以達到3.75''的轉換精度。

軸角編碼總精度為8.004''，滿足10''以內的要求。

（2）系統(tǒng)誤差修正

系統(tǒng)各項誤差將導致系統(tǒng)指向精度下降，影響衛(wèi)星快速可靠捕獲，造成衛(wèi)星數據丟失。因此，系統(tǒng)投入使用前必須經過細致、精確的標定，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。

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

（3）精確的引導數據

對于目標的運動軌跡，可通過衛(wèi)星軌道預報的點位事先了解情況，數據接收系統(tǒng)常采用程序引導加自動捕獲跟蹤的工作模式。因此，精準的衛(wèi)星軌道點位預報對高精度指向控制極為關鍵。在進行衛(wèi)星軌道預報時，需用最新的軌道參數及預報精度高的軌道預報模型，且軌道參數與軌道預報模式匹配（盡可能不做軌道參數的格式轉換），確保達到最好的預報精度。另外，還需修正大氣密度的影響。

2.2 動態(tài)性能

（1）復合控制

傳統(tǒng)的位置環(huán)路調節(jié)器采用PID算法進行環(huán)路控制，在沒有復合控制的情況下，12 m天線系統(tǒng)的加速度誤差系數K一般可達到8，此指標難以滿足低軌Ka頻段衛(wèi)星高精度跟蹤要求。為實現遙感衛(wèi)星地面接收伺服系統(tǒng)的高動態(tài)性能，需采用復合前饋控制技術，通過目標前饋的復合控制，將目標位置進行微分等處理，提取速度分量信息，對伺服控制環(huán)路進行校正，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，降低動態(tài)滯后誤差[6]，實現對衛(wèi)星目標的穩(wěn)定、高精度跟蹤。

針對遙感衛(wèi)星地面站伺服系統(tǒng)，目標運動軌道已知，可利用衛(wèi)星軌道預報數據，或依據跟蹤接收機送來的實時誤差電壓Ua，Ue和測角輸出A0，E0，得到方位和俯仰軸向速度分量。

在程序引導方式下，Aj，Ej為衛(wèi)星軌道預報的方位、俯仰角；在自跟蹤模式下，根據跟蹤接收機實時輸出的角誤差電壓Ua和Ue，利用提前標定的定向靈敏度系數M（偏開目標一個密位對應的方位/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。復合前饋控制原理框圖如圖1所示。

（2）提高天線控制單元數據刷新率

通常，12 m左右天線系統(tǒng)中天線控制單元的數據刷新率為20 Hz，按照天線位置環(huán)路帶寬1.0 Hz計算，數據刷新的速率是控制對象帶寬的20倍，滿足使用要求。對于低軌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，提高數據刷新率，可增大開環(huán)截止頻率，擴展閉環(huán)帶寬[7]，同時降低輸入指令誤差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速響應能力。

在天線控制單元設計中，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300 ns；天線驅動單元采用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可直接通過總線對電機驅動器進行控制，可以在2 ms內對一臺電機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，數據刷新率達到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時的動態(tài)滯后，對高動態(tài)目標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)的響應時間和超調永遠是矛盾的。盡管采用優(yōu)良的PID調節(jié)器，設置了合理的參數，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，并減小超調。

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

2.3 數字控制技術

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傳輸，則伺服放大器零點偏移和死區(qū)、伺服放大器零漂和噪聲、編碼器噪聲、跟蹤接收機噪聲等誤差項可能超標且難以處理，無法滿足天線系統(tǒng)對高動態(tài)目標的可靠跟蹤要求。采用數字控制技術，選用高精度數字模塊組合，使模塊之間的信息傳遞數字化，可降低伺服控制系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和隨機誤差。全數字控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

在設計伺服系統(tǒng)時，馬達控制器選用PARK公司設計的Compax3高精度數字驅動器，電機選用與之配套的帶數字反饋的AC伺服力矩電機，這種組合的特點是調速范圍寬、精度高、低速性能好。Compax3數字驅動器對外接口除了常規(guī)的模擬接口外，還有一個工業(yè)總線（CAN）接口。通過該接口接收天線控制單元送來的數字速度指令，并向天線控制單元實時傳送電機速度、電流反饋等數字信號。速度指令以數字信號形式傳遞，交流伺服電機的寬調速范圍不受噪聲影響，同時，驅動系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的雙電機電消隙原理進一步減小傳動回差，具有力矩偏置、力矩均分、差速抑制等功能，在ACU內計算完成后送給數字驅動器。

天線控制單元采用高速同步串口（SSI）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將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實時傳輸，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)星數據的衛(wèi)星上無X下傳信號。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+S頻段跟蹤后轉Ka頻段捕獲跟蹤；另一種是程序引導+天線掃描，Ka頻段直接捕獲。

對于程序引導+S頻段跟蹤后引導Ka捕獲、自動跟蹤的方案，為確保S引導Ka捕獲，首先使S和Ka兩個頻段的電軸同軸（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整。因此，需嚴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，且當副反射面的位置在測試、調試方向圖時，對標校塔先調整好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的一致性。

對于程序跟蹤+天線掃描、Ka頻段直接捕獲的方案，因為由衛(wèi)星軌道預報的點位可以事先了解目標的運動軌跡，所以在程序跟蹤的情況下，可在較小的預定區(qū)域內以疊加掃描搜索的方式[8]實現Ka直接捕獲衛(wèi)星信號。結合以往的工程實踐，本系統(tǒng)中采用程序跟蹤疊加螺旋掃描的方式，優(yōu)化設計掃描速度、掃描步距，實現窄波束、低軌的高動態(tài)衛(wèi)星目標的直接捕獲。

3 結 語

低軌遙感衛(wèi)星使用Ka頻段下傳衛(wèi)星數據對地面接收系統(tǒng)提出了更高、更新的技術要求。本文結合國內相關工程建設需求，分析研究了低軌Ka頻段衛(wèi)星數據接收系統(tǒng)捕獲跟蹤的關鍵技術及解決途徑，此研究結果已用于相關項目的立項論證、系統(tǒng)設計及工程建設中，并通過了模擬測試驗證。

參考文獻

[1] ROSELL? J， MARTELLUCCI A，ACOSTA R， et al. 26-GHz data downlink for LEO satellites[C].The 6th european conference on antennas and propagation， 2012：111-115.

[2] 王萬玉，毛偉，何元春.遙感衛(wèi)星星地鏈路數據傳輸技術分析[J]. 物聯(lián)網技術，2017，7（7）：33-36.

[3] 劉云閣.S/Ka頻段測控通信系統(tǒng)設計及關鍵技術分析[J].電訊技術，2011，51（6）：6-11.

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

[5] 王永華，王萬玉.三軸天線角度標校方法[J].現代電子技術，2014，37（13）：81-84.

[6] 李宏科，王萬玉，馮旭祥，等.基于前饋的伺服系統(tǒng)控制技術研究[J].物聯(lián)網技術，2016，6（5）：104-105.

[7] 馮興強，楊文淑.提高采樣控制系統(tǒng)帶寬的方法研究[J].光電工程，2003，30（4）：20-23.

[8] 袁剛，王萬玉，陸和建.程序跟蹤下一種誤差修正的方法[J].現代雷達， 2008，30（1）：12-15.