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(shù)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(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)途徑。此研究結(jié)果已應用于高分專項北極衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站的系統(tǒng)設(shè)計及工程建設(shè)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)谋厝悔厔輀1，2]。采用Ka頻段可用帶寬傳輸數(shù)據(jù)是解決數(shù)據(jù)傳輸頻帶資源緊張的有效技術(shù)途徑，已成為星地數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(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(shù)據(jù)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(guān)鍵技術(shù)，提出了技術(shù)可行、工程可實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)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(shù)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(gòu)天線系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高。而天線系統(tǒng)在設(shè)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(xiàn)，伺服系統(tǒng)的加速度誤差系數(shù)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(guān)鍵技術(shù)及解決方案

2.1 指向精度

要實現(xiàn)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(guān)鍵。因此，系統(tǒng)設(shè)計時除需要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(chǔ)。Ka頻段天線的波束寬度只有0.064 8°，編碼精度達到10''以內(nèi)，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(jié)構(gòu)安裝達到高精度要求外（旋變安裝精度≤5''），電氣性能設(shè)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(shè)計中，旋變采用320XFS001，精度可以保證在5''以內(nèi)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)換精度。

軸角編碼總精度為8.004''，滿足10''以內(nèi)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(shù)據(jù)丟失。因此，系統(tǒng)投入使用前必須經(jīng)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(nèi)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(gòu)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(shù)據(jù)

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(shù)據(jù)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(guān)鍵。在進行衛(wèi)星軌道預報時，需用最新的軌道參數(shù)及預報精度高的軌道預報模型，且軌道參數(shù)與軌道預報模式匹配（盡可能不做軌道參數(shù)的格式轉(zhuǎn)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(diào)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(shù)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(xiàn)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(shù)，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(shù)，降低動態(tài)滯后誤差[6]，實現(xiàn)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(shù)據(jù)，或依據(jù)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(jù)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(shù)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(shù)據(jù)刷新率

通常，12 m左右天線系統(tǒng)中天線控制單元的數(shù)據(jù)刷新率為20 Hz，按照天線位置環(huán)路帶寬1.0 Hz計算，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shè)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(shù)據(jù)交換，每個數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)交換時間小于300 ns；天線驅(qū)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(qū)動器進行控制，可以在2 ms內(nèi)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(nèi)，數(shù)據(jù)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(diào)永遠是矛盾的。盡管采用優(yōu)良的PID調(diào)節(jié)器，設(shè)置了合理的參數(shù)，在獲得較小的響應時間的同時，超調(diào)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(diào)。

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(diào)降低到10%以下，提高系統(tǒng)的控制精度。

2.3 數(shù)字控制技術(shù)

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(shù)字控制技術(shù)，選用高精度數(shù)字模塊組合，使模塊之間的信息傳遞數(shù)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(shù)字控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

在設(shè)計伺服系統(tǒng)時，馬達控制器選用PARK公司設(shè)計的Compax3高精度數(shù)字驅(qū)動器，電機選用與之配套的帶數(shù)字反饋的AC伺服力矩電機，這種組合的特點是調(diào)速范圍寬、精度高、低速性能好。Compax3數(shù)字驅(qū)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(shù)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(shù)字信號。速度指令以數(shù)字信號形式傳遞，交流伺服電機的寬調(diào)速范圍不受噪聲影響，同時，驅(qū)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(nèi)計算完成后送給數(shù)字驅(qū)動器。

天線控制單元采用高速同步串口（SSI）接收數(shù)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(zhuǎn)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(nèi)。編碼結(jié)果以數(shù)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(diào)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(nèi)，且當副反射面的位置在測試、調(diào)試方向圖時，對標校塔先調(diào)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(nèi)以疊加掃描搜索的方式[8]實現(xiàn)Ka直接捕獲衛(wèi)星信號。結(jié)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(shè)計掃描速度、掃描步距，實現(xiàn)窄波束、低軌的高動態(tài)衛(wèi)星目標的直接捕獲。

3 結(jié) 語

低軌遙感衛(wèi)星使用Ka頻段下傳衛(wèi)星數(shù)據(jù)對地面接收系統(tǒng)提出了更高、更新的技術(shù)要求。本文結(jié)合國內(nèi)相關(guān)工程建設(shè)需求，分析研究了低軌Ka頻段衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)捕獲跟蹤的關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑，此研究結(jié)果已用于相關(guān)項目的立項論證、系統(tǒng)設(shè)計及工程建設(shè)中，并通過了模擬測試驗證。

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