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衛星

隨著在軌運行衛星數量的增多，航天技術的發展，小傾角GSO衛星開始逐步使用。相較于傳統的靜止軌道衛星，小傾角衛星具備相對運動的特征， 地面衛星天線的理論俯仰角、理論方位角一直處于運動狀態，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 小傾角衛星星下點軌跡示意圖

小傾角衛星的運行軌道是同步傾斜軌道，軌道傾角為3o，衛星的星下點軌跡是以24小時為周期， 在緯度-3o～3o之間，經度-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星運動軌跡24小時周期變化，其中經度相同時俯仰角變化最大，為12小時變化6.8°，經度差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。小傾角衛星經度、緯度、高度隨地球轉動均發生變化，通過衛星星歷參數計算指向角，采用這種指向角計算加衛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星星歷的過程；衛星星歷參數未知，通過指向中心點加掃描的方式跟蹤上小傾角衛星，根據變化率逆向推算出衛星星歷參數。

天線在進行衛星的跟蹤時需要額外考慮到衛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星位置的預測來進行跟蹤。天線以MEMS導航系統為測量基準做指向控制，采用衛星信號閉環穩定跟蹤技術，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

衛星天線根據星歷參數計算理論位置后啟動捕獲，在預定空域內進行方位、俯仰軸掃描，當掃描過程中衛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，對衛星信號強度進行自動跟蹤，保證天線的穩定跟蹤指向。跟蹤控制處理流程如圖3所示。

圖3 自動跟蹤流程圖

天線伺服跟蹤系統可以通過已知衛星星歷計算衛星指向角或未知衛星星歷時的運行軌跡中心指向及圓錐掃描，實現天線方位、俯仰指向調整，鎖定衛星后進行穩定跟蹤。跟蹤誤差可控制在0.2 dB以內，對驗證終端通信的連續性、穩定性基本沒有影響。跟蹤過程接受站控設備統一管理，支持低于門限參數時的自動跟蹤。

3 兩軸穩定平臺抗擾動分析

天線伺服控制平臺利用慣性系統提供的姿態（真航向、橫滾、俯仰），北斗/GPS獲得的地理位置參數，加上衛星位置參數，經控制單元計算得出天線俯仰角和方位角精確數據。通過伺服系統實時調節天線系統的方位、俯仰與極化角，實現天線對衛星的快速捕獲和跟蹤，使天線波束始終對準衛星。

當天線所處位置不再水平，載體姿態發生變化時，天線伺服平臺通過慣性組件的反饋能夠實時調整天線的轉角，從而實現衛星的跟蹤。

目前，公司生產的空軍/陸航/陸軍系列動中通天線主要依靠載體的姿態采集設備（如北斗、慣導、航姿儀等）獲得載體的姿態數據，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，最終實現天線控制平臺的閉環控制。該伺服控制方案嚴重依賴于載體的姿態采集設備，使得目前生產的天線通用性較差，且由于閉環控制屬于反饋調節， 實時性較差，載體姿態數據和天線轉角信息的滯后都將導致天線控制平臺產生較大的控制誤差。

為了盡量減小系統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定平臺跟蹤的不足之處。

4 仿真及跟蹤精度對標

穩定平臺使用中國電科58所的國產芯片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（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應用，而且還在極端環境條件下具有穩定性和可預測性。對測量三軸數據進行卡爾曼濾波后的角位移、加速度值，經過模型計算后由DSP伺服系統計算的角偏移并對信號放大后輸出到執行單位，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、速度環和信號跟蹤環三級閉環穩定跟蹤算法。首先通過MATLAB仿真確定PID初始參數，再通過實際系統聯調進行參數微調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勢，同時穩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衛星通信系統。

5 結束語

基于載體角速度的穩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，同時根據實時跟蹤的角度偏差反向修正衛星理論角，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變化，提高了天線系統的指向精度，保證設備能在高動態環境下進行精準的指向傾斜軌道的衛星，保障設備通信穩定，有很好工程及技術價值。