窄波束高动态目标高精度跟踪技术分析

引 言

随着遥感卫星星地链路信息传输速率的增长，宽带高速传输已成为星地数据传输的必然趋势 [1,2]。采用Ka 频段可用带宽传输数据是解决数据传输频带资源紧张的有效技术途径， 已成为星地数据传输的发展方向。但高频率、大口径天线的波束非常窄，且低轨卫星的运动速度较快，为确保快速捕获、高精度跟踪卫星目标，对遥感卫星地面数据接收系统的捕获跟踪能力提出了较高要求[3,4]。

本文分析研究了低轨 Ka 频段卫星快速捕获、高精度跟踪的关键技术，提出了技术可行、工程可实现的关键技术解决方案。

1 需求分析

1.1 快速捕获

低轨 Ka 频段遥感卫星工作频率为 25 ～27.5 GHz。按工作频率 27 GHz，接收天线口径12 m 分析，地面接收系统的半功率波束宽为 0.064 8 。

12 m 天线 Ka 频段捕获卫星的条件为波束中心指向方向与目标方向偏差需小于 0.032 4 。采用两行根数和SGP4 预报当天的卫星轨道，轨道预报误差约为 0.015 ，目前工程系统12 m 天线 Ka 波段静态指向误差约为 0.04 。由此可见，即使不考虑跟踪系统的动态滞后，Ka 频段直接捕获卫星的概率也极低，地面接收系统采用Ka 频段捕获跟踪低轨高动态卫星目标存在极大的技术困难。

1.2 高精度跟踪

12 m 天线 Ka 频段的跟踪精度要求电轴与目标方向偏差小于 0.003 24 。

低轨道极轨卫星目标的运动速度较快，特别在过顶前后， 目标运动对方位 / 俯仰/ 第三轴架构天线系统的动态性能要求较高。而天线系统在设计时由于速度、加速度等方面的制约，存在一定的动态滞后，在过顶前后尤为突出。以跟踪 300 km 轨道高度的卫星为例，为了保证 Ka 频段过顶跟踪的实现，伺服系统的加速度误差系数 K 需达到 36.63（1/s2）以上；相应地，伺服带宽需达到 3.3 Hz[4]。

2 关键技术及解决方案

2.1 指向精度

要实现对低轨Ka频段卫星的高精度指向控制、稳定跟踪， 保证大口径天线的指向控制精度是前提和关键。因此，系统设计时除需要系统结构提供高精度、高性能的天线座架及传动系统外，还需要从以下几个方面考虑。

(1) 高精度轴角编码

高精度轴角编码是高精度控制的基础。Ka 频段天线的波束宽度只有 0.064 8 ，编码精度达到 10'' 以内，才能满足控制系统指向精度以及捕获跟踪的要求。因此，除要求方位、俯仰及第三轴位置传感器的结构安装达到高精度要求外（旋变安装精度≤ 5''），电气性能设计方面仍主要采用高精度旋变以及高精度编码器件。

在本设计中，旋变采用 320XFS001，精度可以保证在 5'' 以内，该旋变为双通道旋变，精粗比为 64∶1。编码芯片采用高精度 RDC 转换器，粗通道选用AD2S80AJD 芯片，精通道选用AD2S80AKD 芯片进行角度编码，配合 64∶1 的旋变， 可以达到 3.75'' 的转换精度。

轴角编码总精度为 8.004''，满足10'' 以内的要求。

(2) 系统误差修正

系统各项误差将导致系统指向精度下降，影响卫星快速可靠捕获，造成卫星数据丢失。因此，系统投入使用前必须经过细致、精确的标定，以提高系统的指向精度，确保系统快速可靠地捕获跟踪目标。

修正的内容包括天线编码器零位误差、天线重力变形误差、天线大盘不水平误差、方位 / 俯仰轴不正交误差、天线光电轴失配误差等。对于方位 / 俯仰/ 第三轴架构的天线系统，具体的误差模型和修正方法参见参考文献[5]。

(3) 精确的引导数据

对于目标的运动轨迹，可通过卫星轨道预报的点位事先了解情况，数据接收系统常采用程序引导加自动捕获跟踪的工作模式。因此，精准的卫星轨道点位预报对高精度指向控制极为关键。在进行卫星轨道预报时，需用最新的轨道参数及预报精度高的轨道预报模型，且轨道参数与轨道预报模式匹配（尽可能不做轨道参数的格式转换），确保达到最好的预报精度。另外，还需修正大气密度的影响。

2.2 动态性能

（1）复合控制

传统的位置环路调节器采用PID 算法进行环路控制，在没有复合控制的情况下，12 m 天线系统的加速度误差系数 K 一般可达到 8，此指标难以满足低轨 Ka 频段卫星高精度跟踪要求。为实现遥感卫星地面接收伺服系统的高动态性能，需采用复合前馈控制技术，通过目标前馈的复合控制，将目标位置进行微分等处理，提取速度分量信息，对伺服控制环路进行校正，使二阶无静差系统等效为三阶无静差系统，提高等效加速度误差常数，降低动态滞后误差[6]，实现对卫星目标的稳定、高精度跟踪。

针对遥感卫星地面站伺服系统，目标运动轨道已知，可利用卫星轨道预报数据，或依据跟踪接收机送来的实时误差电压 Ua，Ue和测角输出 A0，E0，得到方位和俯仰轴向速度分量。

在程序引导方式下，Aj，Ej为卫星轨道预报的方位、俯仰角；在自跟踪模式下，根据跟踪接收机实时输出的角误差电压Ua和 Ue，利用提前标定的定向灵敏度系数 M（偏开目标一个密位对应的方位 /俯仰的电压值）折算为角位置差ΔAj= Ua/M 和ΔEj=Ue/M，然后得到 Aj=A0+ΔAj，Ej=E0+ΔEj。复合前馈控制原理框图如图 1所示。

（2）提高天线控制单元数据刷新率

通常，12 m 左右天线系统中天线控制单元的数据刷新率 为 20 Hz，按照天线位置环路带宽 1.0 Hz 计算，数据刷新的 速率是控制对象带宽的 20 倍，满足使用要求。对于低轨 Ka 频段卫星的高精度控制和自跟踪控制，20 Hz 的采样速率已不 能满足使用要求。提高伺服系统的采样率，缩短采样周期，提高数据刷新率，可增大开环截止频率，扩展闭环带宽[7]，同时降低输入指令误差，提高系统的稳定性和快速响应能力。

在天线控制单元设计中，采用高速同步串口（SSI）完成与轴角编码单元、跟踪接收机的数据交换，每个数据通道的数据交换时间小于 300 ns ；天线驱动单元采用 CAN 总线代替原有的RS 485 接口，由于省略了系统中的通信处理，ACU 可直接通过总线对电机驱动器进行控制，可以在 2 ms 内对一台电机控制器完成控制指令的下发和状态采集。

通过以上措施，控制系统的控制周期在 10 ms 以内，数据刷新率达到 100 Hz，系统位置环路带宽超过 2 Hz。有效减小了跟踪目标时的动态滞后，对高动态目标的高精度跟踪更加可靠有效。

（3）采用变积分PID 控制

控制系统的响应时间和超调永远是矛盾的。尽管采用优良的PID 调节器，设置了合理的参数，在获得较小的响应时间的同时，超调却在一定程度上有所增加。在高精度的指向控制中，期望能够快速完成位置指向，并减小超调。

通过变积分PID 控制可在保证控制系统响应时间的前提下，将超调降低到 10% 以下，提高系统的控制精度。

2.3 数字控制技术

若伺服系统的控制通道或反馈通道采用模拟器件或模拟信号传输，则伺服放大器零点偏移和死区、伺服放大器零漂和噪声、编码器噪声、跟踪接收机噪声等误差项可能超标且难以处理，无法满足天线系统对高动态目标的可靠跟踪要求。采用数字控制技术，选用高精度数字模块组合，使模块之间的信息传递数字化，可降低伺服控制系统的系统误差和随机误差。全数字控制系统框图如图 2 所示。

在设计伺服系统时，马达控制器选用 PARK 公司设计的Compax3 高精度数字驱动器，电机选用与之配套的带数字反馈的AC 伺服力矩电机，这种组合的特点是调速范围宽、精度高、低速性能好。Compax3 数字驱动器对外接口除了常规的模拟接口外，还有一个工业总线（CAN）接口。通过该接口接收天线控制单元送来的数字速度指令，并向天线控制单元实时传送电机速度、电流反馈等数字信号。速度指令以数字信号形式传递，交流伺服电机的宽调速范围不受噪声影响，同时，驱动系统采用传统的双电机电消隙原理进一步减小传动回差， 具有力矩偏置、力矩均分、差速抑制等功能，在 ACU 内计算完成后送给数字驱动器。

天线控制单元采用高速同步串口（SSI）接收数字跟踪接收机送来的误差电压、信号强度指示，控制天线的电轴对准目标完成自动跟踪。机械轴位置编码选用旋转变压器，采用套轴式安装方式将安装精度控制在允许范围内。编码结果以数字量的形式通过高速串行接口向控制计算机实时传输，可有效降低编码噪声。

2.4 跟踪体制

由上述分析可知，Ka频段直接捕获卫星的概率极低。采用Ka频段下传卫星数据的卫星上无 X下传信号。因此，解决窄波束天线的捕获可采取两种方案 ：一种是程序引导 +S频段跟踪后转Ka频段捕获跟踪 ；另一种是程序引导 + 天线扫描， Ka频段直接捕获。

对于程序引导+S 频段跟踪后引导Ka 捕获、自动跟踪的方案，为确保 S 引导Ka 捕获，首先使S 和Ka 两个频段的电轴同轴（偏差需小于 0.02），其次 S 频段跟踪精度需达到半功率波束宽度的 1/25[4]。

S/Ka 频段的电轴一致性取决于两方面：一是馈源本身的电轴一致性 ；二是反射面精度及副反射面位置调整。因此， 需严格控制馈源的加工及装配精度，保证喇叭辐射方向图的电轴一致性。对于反射面，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）以内，且当副反射面的位置在测试、调试方向图时，对标校塔先调整好 Ka 方向图，再检查S 频段方向图，确保 S，Ka 频段方向图和差零点的一致性。

对于程序跟踪 + 天线扫描、Ka 频段直接捕获的方案， 因为由卫星轨道预报的点位可以事先了解目标的运动轨迹，所以在程序跟踪的情况下，可在较小的预定区域内以叠加扫描搜索的方式[8] 实现Ka直接捕获卫星信号。结合以往的工程实践， 本系统中采用程序跟踪叠加螺旋扫描的方式，优化设计扫描速度、扫描步距，实现窄波束、低轨的高动态卫星目标的直接捕获。

3 结 语

低轨遥感卫星使用Ka 频段下传卫星数据对地面接收系统提出了更高、更新的技术要求。本文结合国内相关工程建设需求，分析研究了低轨 Ka 频段卫星数据接收系统捕获跟踪的关键技术及解决途径，此研究结果已用于相关项目的立项论证、系统设计及工程建设中，并通过了模拟测试验证。