基于兩軸的小傾角GSO天線跟蹤平臺

潘良勇，楊 祺，張 毅

（南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210000）

1 小傾角GSO衛(wèi)星

隨著在軌運行衛(wèi)星數(shù)量的增多，航天技術的發(fā)展，小傾角GSO衛(wèi)星開始逐步使用。相較于傳統(tǒng)的靜止軌道衛(wèi)星，小傾角衛(wèi)星具備相對運動的特征， 地面衛(wèi)星天線的理論俯仰角、理論方位角一直處于運動狀態(tài)，需要實時跟蹤與修正，對大口徑天線的跟蹤帶來一定的難度。

圖 1 小傾角衛(wèi)星星下點軌跡示意圖

小傾角衛(wèi)星的運行軌道是同步傾斜軌道，軌道傾角為3o，衛(wèi)星的星下點軌跡是以24小時為周期， 在緯度-3o～3o之間，經(jīng)度-0.0393o～0.0393o之間按8字形做周期運動。

天線的波束指向角也隨衛(wèi)星運動軌跡24小時周期變化，其中經(jīng)度相同時俯仰角變化最大，為12小時變化6.8°，經(jīng)度差30°時的方位角變化最大，為12小時變化5.5o。俯仰角和方位角平均變化率都小于0.6o/h。

2 天線跟蹤方案

天線主要用于跟蹤靜止同步軌道，采用指向角計算加信標跟蹤方式，該跟蹤方式對星快、指向準。小傾角衛(wèi)星經(jīng)度、緯度、高度隨地球轉動均發(fā)生變化，通過衛(wèi)星星歷參數(shù)計算指向角，采用這種指向角計算加衛(wèi)星信號跟蹤的方式進行跟蹤，同時增加指向角逆向推導星下點位置以及衛(wèi)星星歷的過程；衛(wèi)星星歷參數(shù)未知，通過指向中心點加掃描的方式跟蹤上小傾角衛(wèi)星，根據(jù)變化率逆向推算出衛(wèi)星星歷參數(shù)。

天線在進行衛(wèi)星的跟蹤時需要額外考慮到衛(wèi)星的位置信息會隨著時間變化，在已知信息不變的條件下需要進行衛(wèi)星位置的預測來進行跟蹤。天線以MEMS導航系統(tǒng)為測量基準做指向控制，采用衛(wèi)星信號閉環(huán)穩(wěn)定跟蹤技術，保證天線具有極高的跟蹤精度，方案原理圖如圖2所示。

圖2 跟蹤控制方案框圖

衛(wèi)星天線根據(jù)星歷參數(shù)計算理論位置后啟動捕獲，在預定空域內(nèi)進行方位、俯仰軸掃描，當掃描過程中衛(wèi)星信號高于門限后自動切換至跟蹤模式。

跟蹤控制模塊包括程序引導和自動跟蹤兩種模式，默認在程序引導模式下自動進行，可發(fā)送命令信息控制伺服控制單元。在自動跟蹤模式下，啟動伺服控制算法中的信號跟蹤環(huán)，對衛(wèi)星信號強度進行自動跟蹤，保證天線的穩(wěn)定跟蹤指向。跟蹤控制處理流程如圖3所示。

圖3 自動跟蹤流程圖

天線伺服跟蹤系統(tǒng)可以通過已知衛(wèi)星星歷計算衛(wèi)星指向角或未知衛(wèi)星星歷時的運行軌跡中心指向及圓錐掃描，實現(xiàn)天線方位、俯仰指向調(diào)整，鎖定衛(wèi)星后進行穩(wěn)定跟蹤。跟蹤誤差可控制在0.2 dB以內(nèi)，對驗證終端通信的連續(xù)性、穩(wěn)定性基本沒有影響。跟蹤過程接受站控設備統(tǒng)一管理，支持低于門限參數(shù)時的自動跟蹤。

3 兩軸穩(wěn)定平臺抗擾動分析

天線伺服控制平臺利用慣性系統(tǒng)提供的姿態(tài)（真航向、橫滾、俯仰），北斗/GPS獲得的地理位置參數(shù)，加上衛(wèi)星位置參數(shù)，經(jīng)控制單元計算得出天線俯仰角和方位角精確數(shù)據(jù)。通過伺服系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)天線系統(tǒng)的方位、俯仰與極化角，實現(xiàn)天線對衛(wèi)星的快速捕獲和跟蹤，使天線波束始終對準衛(wèi)星。

當天線所處位置不再水平，載體姿態(tài)發(fā)生變化時，天線伺服平臺通過慣性組件的反饋能夠實時調(diào)整天線的轉角，從而實現(xiàn)衛(wèi)星的跟蹤。

目前，公司生產(chǎn)的空軍/陸航/陸軍系列動中通天線主要依靠載體的姿態(tài)采集設備（如北斗、慣導、航姿儀等）獲得載體的姿態(tài)數(shù)據(jù)，然后利用編碼器的脈沖反饋實時更新天線的轉角位置信息，最終實現(xiàn)天線控制平臺的閉環(huán)控制。該伺服控制方案嚴重依賴于載體的姿態(tài)采集設備，使得目前生產(chǎn)的天線通用性較差，且由于閉環(huán)控制屬于反饋調(diào)節(jié)， 實時性較差，載體姿態(tài)數(shù)據(jù)和天線轉角信息的滯后都將導致天線控制平臺產(chǎn)生較大的控制誤差。

為了盡量減小系統(tǒng)延時帶來的控制誤差，本次項目中除了提高慣性單元的刷新頻率外，還采用了雙饋（前饋加后饋）模型來獲得更快的控制相應。同時，為了消除慣導漂移帶來的影響，平臺通過圓錐掃描跟蹤來補償穩(wěn)定平臺跟蹤的不足之處。

4 仿真及跟蹤精度對標

穩(wěn)定平臺使用中國電科58所的國產(chǎn)芯片JDSP28335+M4芯片搭建，ARM主要針對外部接口的輸入及邏輯處理，DSP部分負責模型的推導與電機的控制。

根據(jù)應用領域來確定外部角速度輸入的硬件配置方案：微機電系統(tǒng)（MEMS）陀螺儀與北斗/ GPS結合的方案。在此MEMS IMU中使用的核心傳感器具有固有的振動抑制能力和線性度，不僅使得它們的性能適合高動態(tài)應用，而且還在極端環(huán)境條件下具有穩(wěn)定性和可預測性。對測量三軸數(shù)據(jù)進行卡爾曼濾波后的角位移、加速度值，經(jīng)過模型計算后由DSP伺服系統(tǒng)計算的角偏移并對信號放大后輸出到執(zhí)行單位，對載體運動進行隔離。

運動控制算法使用目前較為成熟的PID位置環(huán)、速度環(huán)和信號跟蹤環(huán)三級閉環(huán)穩(wěn)定跟蹤算法。首先通過MATLAB仿真確定PID初始參數(shù)，再通過實際系統(tǒng)聯(lián)調(diào)進行參數(shù)微調(diào)最終達到一個理想的控制效果。仿真分階躍響應和正弦曲線響應兩種條件進行仿真，如圖4、圖5所示。

圖4 階躍響應仿真圖

圖5 正弦響應仿真圖

基于MEMS的方案在小型化，高性價比等方面具有先天優(yōu)勢，同時穩(wěn)定的跟蹤技術使設備能夠實 時跟蹤并修正天線設備的理論指向，并對理論角進行反推；同時根據(jù)仿真結果，目前的跟蹤算法可以彌補MEMS的慣導的漂移使得這方案被廣泛應用于GSO衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

5 結束語

基于載體角速度的穩(wěn)定平臺可以隔離載體的擾動，借助信標的跟蹤算法融合修正，同時根據(jù)實時跟蹤的角度偏差反向修正衛(wèi)星理論角，可以極大提高天線指向準確性及響應速度，有效地隔離運動載體的姿態(tài)變化，提高了天線系統(tǒng)的指向精度，保證設備能在高動態(tài)環(huán)境下進行精準的指向傾斜軌道的衛(wèi)星，保障設備通信穩(wěn)定，有很好工程及技術價值。