基于前饋的伺服系統控制技術研究

李宏科 王萬玉 馮旭祥 王永華 穆偉

摘 要：Ka頻段是解決星地數據傳輸頻帶資源緊張的有效技術途徑，可成為星地數據傳輸的發展方向。針對高動態窄波束目標的高精度跟蹤技術需求，文中提出了復合控制的技術方案。該方案采用目標測角輸出和角誤差電壓產生速度前饋控制信號，可提高系統動態性能和跟蹤精度。依據該方案設計的伺服系統已用于工程項目，測試結果表明，該方案合理可行。

關鍵詞：遙感衛星；伺服系統；復合控制；速度前饋；動態性能

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

0 引 言

隨著對地觀測技術及應用需求的發展，星地鏈路需要傳輸的信息速率越來越高，占用的帶寬也越來越寬，寬帶高速傳輸已經成為星地數據傳輸的必然趨勢。Ka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，已成為星地數據傳輸的發展方向[1-3]。

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

為了提高伺服系統的精度，一是盡量提高系統的結構諧振頻率，提高系統的加速度常數；二是采用高階無靜差系統；三是采用復合控制方法，提高系統的無靜差度[6]。前兩種措施受到許多因數的制約，限制了伺服系統的精度提高。本文在電流環、速度環和位置環構成的三環伺服控制系統的基礎上，采用目標速度前饋的復合控制技術方案來提高系統的響應速度和跟蹤性能，實現了對高動態、窄波束目標的高精度跟蹤。

1 動態性能需求分析

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

式（13）中，f（t）為前饋信號在時域的表達式，、分別為目標位置的一次導數和二次導數。式（13）表明，要實現三階無靜差，須提供目標的速度信號；要實現四階無靜差，須提供目標的速度信號和加速度信號。結合實際技術需求，在工程中采用了實現三階無靜差的方案。

針對遙感衛星地面站伺服系統，目標運動軌道是已知的，可利用的信息源包括目標的測角輸出A0、E0和角誤差電壓Ua、Ue。目標的速度信息可通過目標的測角輸出A0、E0和角誤差電壓Ua、Ue求得。以方位支路為例，復合控制的原理框圖如圖3所示。

圖3 復合控制原理框圖（以方位支路為例）

前饋微分傳遞函數：

3 測試結果及分析

為驗證前饋復合控制效果，采用第三軸轉動模擬法對天線伺服系統的跟蹤性能進行了試驗[7]，驗證Ka頻段低軌衛星的跟蹤性能。試驗結果表明：不采用復合控制技術，方位跟蹤角誤差達到0.032°；采用復合控制技術后，跟蹤角誤差優于0.005°。可見伺服系統動態特性有明顯的提高。

目前并無Ka頻段低軌遙感衛星，利用X頻段低軌衛星進行了復合控制方案的效果實驗，并利用折算關系計算Ka角度誤差信息。當過境衛星ELmax=71.806°且未使用復合控制技術時，在目標過頂點前后，動態滯后較大，約為±0.15 V，折算為角度信息大約在±0.011 25°左右。而當使用復合控制技術后，即使過境衛星ELmax=89.07°時，在目標過頂點前后，動態滯后較小，大約在±0.05 V左右，折算為角度信息大約在±0.003 75°左右。可見天線伺服系統采用前饋復合控制技術后有效減小了動態滯后，提升了系統的高仰角跟蹤能力。

4 結 語

本文在電流環、速度環和位置環構成的三環伺服控制系統的基礎上引入前饋控制，將前饋控制與反饋控制結合起來構成前饋-反饋控制系統。采用目標速度前饋的復合控制技術方案來提高系統的響應速度和跟蹤性能，實現了對高動態、窄波束目標的高精度跟蹤。

測試結果表明引入前饋控制后伺服系統動態特性有明顯的提高。依據該方案設計的伺服系統已用于工程項目中。

參考文獻

[1] 王中果，汪大寶.低軌遙感衛星Ka頻段星地數據傳輸效能研究[J].航天器工程，2013，22（1）：72-77.

[2]高衛斌，冉承其.遙感衛星數據傳輸技術發展分析[J].中國空間科學技術，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.遙感衛星接收站伺服系統設計[C].中國空間科學學會空間探測專業委員會第二十七次學術會議論文集，2014：66-71.

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

[6] 李連升，張志英，劉紹球.現代雷達伺服控制[M].北京：國防工業出版社，1987.

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