AET座架伺服控制系統(tǒng)的設計分析

【摘要】分析了天線過頂跟蹤出現(xiàn)"盲區(qū)”的原因及解決方法.介紹了極軌衛(wèi)星遙感

地面站天線跟蹤伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、伺服控制系統(tǒng)設計.描述了天線控制單元、

天線驅動單元、軸角編碼單元和安全保護單元的組成.探討了坐標轉換和控制算法

公式等.實際跟蹤衛(wèi)星的結果和仿真計算結果吻合，證實了該控制系統(tǒng)的正確性.

【期刊名稱】《無線電工程》

【年倦)，期】2011(041)005

【總頁數(shù)】4頁(P32-35)

【關鍵詞】直流伺服系統(tǒng);盲區(qū);過頂跟蹤;AET座架

【作者】劉會鋒;喬建江

【作者單位】中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊,050081;中國電

子科技集團公司第五十四研究所，河北，石家莊,050081

【正文語種】中文

【中圖分類】TN820.3

0引言

隨著空間電子技術的飛速發(fā)展，地球同步衛(wèi)星系統(tǒng)得到了廣泛的應用，與此同時，國內

外也都在大力發(fā)展極軌衛(wèi)星系統(tǒng),使衛(wèi)星遙感技術服務于科學試驗、地球資源探測、

環(huán)境監(jiān)測、海洋及氣象情報、災情探測等各種業(yè)務。在地面站設備中，對于遙感遙

測、測控測角而言，伺服控制系統(tǒng)都是重要的組成部分。

極軌衛(wèi)星的運行軌跡與赤道有很大的夾角，與南北極夾角較小，極軌衛(wèi)星根據(jù)地球自

轉及其自身的運行規(guī)律，一般每隔數(shù)日將地球表面掃描一遍。由于存在每一周的掃

描軌跡不盡相同,因此作為對衛(wèi)星跟蹤與信息交換的地面站，無論怎樣布站都會存在

極軌衛(wèi)星通過天線頂空的情況。對傾斜軌道航天器來說同樣存在這一問題［1］。

極軌衛(wèi)星或傾斜軌道的骯天器在通過地面站天線頂空時，離地面站最近，星上和坨面

信息交換信號最強，研究人員希望在此時接收到信息數(shù)據(jù)。有些極軌衛(wèi)星的信息傳

輸是定時的,也有些過境衛(wèi)星在通過境內時不傳送信息，因此想要獲得更多的信息，地

面站天線跟蹤控制系統(tǒng)接收范圍越大越好。

1天線過頂跟蹤分析

方位-俯仰型天線座在天頂附近存在一個跟蹤"盲區(qū)"。當目標經過這一“盲區(qū)"

時，地面站天線方位軸就會瞬時調轉180。,這對方位軸有一個很大的速度要求（理論

上為無窮大），所以實際上是不能實現(xiàn)的，這樣必然造成目標的丟失，這就給地面站的

跟蹤系統(tǒng)帶來了一定的困難。為保證衛(wèi)星在通過地面站天頂時跟蹤系統(tǒng)不丟失目標,

地面站必須采取有效措施解決過頂跟蹤問題。這里采用了AET（可預置方位軸傾斜

方向的AE式三軸座架）形式的座架來實現(xiàn)遙感衛(wèi)星的過頂跟蹤［2］。

2伺服控制系統(tǒng)組成

伺服控制系統(tǒng)主要由天線控制單元、天繳區(qū)動單元、軸角編碼單元和安全保護單元

等組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1伺服控制系統(tǒng)組成

3伺服控制系統(tǒng)設計

3.1天線控制單元

天線控制單元（ACU）由數(shù)據(jù)采集卡、D/A（數(shù)字/模擬）轉換卡、網卡、通用工業(yè)控制

計算機和自己設計的電路板組成,天線控制軟件安裝于ACU內。

ACU是跟蹤控制系統(tǒng)的核心部分，主要完成跟蹤任務的自動化監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、協(xié)

調控制系統(tǒng)內的設備完成對目標的精確跟蹤、完成天線的運動姿態(tài)控制以及各種控

制策略的實時計算和實施，同時對各測量信息進行記錄、分析和顯示,向站控管理子

系統(tǒng)上報設備狀態(tài)和天線角度等信息。環(huán)路控制采用增量式數(shù)字PI(比例、積分)控

制算法來保證跟蹤系統(tǒng)達到良好的跟蹤精度和控制效果。

3.2天線9區(qū)動單元

天線驅動單元分為方位鼬驅動單元、俯仰軸驅動單元和傾斜驅動單元3個部分，分

別驅動天線的方位軸、俯仰軸和傾斜軸。

在高精度天線系統(tǒng)中，齒隙對系統(tǒng)的定位精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性等指標有很大的影響，

因此一般都采用不同的消隙措施，以保證系統(tǒng)的指標，雙電機消隙是一種很好的方法。

雙電機消隙的基本原理是用2個相同的電機通過各自的減速裝置驅動同一個負載，

通過力矩偏置和力矩均衡電路去控制電機的工作狀態(tài)，在負載轉矩較小時,2個電機

輸出方向相反的力矩。一個電機的工作狀態(tài)為主動電動機狀態(tài)，另一個電機的狀態(tài)

為被動制動狀態(tài)，這2種狀態(tài)隨著負載力矩的方向變化而發(fā)生轉變，并且這種變化是

平滑連續(xù)的,這樣就保證負載的低速運轉平滑且無齒隙出現(xiàn)。隨著負載力矩的增大

被動狀態(tài)的電機也變?yōu)橹鲃訝顟B(tài),2個電機共同拖動負載。

33軸角編碼單元

軸角編碼單元主要是將天線的角度位置量轉換為數(shù)字量，采用旋轉變壓器和軸角轉

換器(RDC)組合電路方案這種方案的優(yōu)點是轉換精度高，直接產生數(shù)字信號，使用方

便，并且不易受到干擾，角度的精度根據(jù)實際要求選擇。

試驗中旋轉變壓器采用國產高精度套軸1：32對極雙通道旋轉變壓器,RDC采用

14位編碼器，經過雙通道粗精結合得到17位精度的數(shù)據(jù)。

3.4安全保護單元

安全保護單元由鎖定機構和限位開關組成，安裝在天線座上相應的位置。

在天線收藏后需要進行入鎖操作,以保證在大風天母下天線不損壞。

限位開關用于限制天線的轉動范圍，當天線轉到限位開關處時，限位開關發(fā)出限位信

號，禁止天線轉動,以保證天線的安全。

3.5坐標轉換

基于AET座架的過頂跟蹤伺服系統(tǒng)是閉環(huán)在座架坐標系(測量坐標系)中的,測角裝

置測出的也是座架坐標系中的實時天線角度，而引導數(shù)據(jù)和要求天線輸出的數(shù)據(jù)是

大地坐標系(地理坐標系)中的數(shù)據(jù)。跟蹤系統(tǒng)獲得目標軌道預報的理論軌道角度是

按大地坐標系來計算的，所以跟蹤系統(tǒng)就必須對大地坐標系中的理論引導角(大地坐

標系中的方位角和俯仰角)通過坐標轉換換算到座架坐標系中彳導到正確的指向角，從

而在座架坐標系中對跟蹤系統(tǒng)進行實際的控制計算:同時由于在終端顯示的是在大

地坐標系中的實際運轉情況，所以還必須對座架坐標系中的實時測量軸角進行坐標

反變換⑶。

3.5.1坐標正變換

把目標大地方位角AD、大地俯仰角ED轉變?yōu)樽蹵j和Ej的這種變換稱為坐標

正變換，坐標正變換公式為：

式中為目標在座架坐_標系中的坐標矢量：

為目標在大地坐標系中的坐標矢量：

MR、MP和MH分別為橫搖、縱搖和航向轉換矩陣［5］，在AET座架中橫搖(Roll)

為0°,縱搖(Pitch)固定為?7。,航向(Heading)為傾斜軸的角度，順時針為正，則可推出:

將式(3)~式⑹代入式⑴可得:

Aj位于哪個像限由yj和xj的符號來確定:

3.5.2坐標反變換

座架坐標系中的角Aj和Ej轉變?yōu)榕c之對應的大地方位角AD和大地俯仰角ED,這

種變換稱之為坐標反變換，坐標反變換式為：

因為坐標轉換矩陣都是正交矩陣，其逆矩陣等于轉置矩陣，所以上式可變?yōu)椋?/p>

由上式可以求出AD和ED。

3.6控制算法

控制算法采用PI控制算法,團算法為二階無靜差體制,其開環(huán)傳遞函數(shù)式為[4]:

式中,K⑸為傳遞函數(shù);Ka為系統(tǒng)增益;T為采樣周期;T為時間常數(shù)期;W阻尼系數(shù)。

開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線如圖2所示。通常在離散化的伺服控制系統(tǒng)中采用增量式

數(shù)字PI控制算法，所謂增量式PI是指數(shù)字調節(jié)器的輸出只是控制量的增量U匕其

表達式為：

式中,Kp為比例放大系數(shù);Ts為采樣周期;Ti為積分時間常數(shù)為當前增量輸出為第k

次偏差。

圖2開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線

增量式數(shù)字PI調節(jié)控制技術在自動控制領域應用已相當廣泛并越來越完善,近年來

的工程都廣泛采用這種調節(jié)技術,并獲得滿意的結果。

4仿真結果分析

大地坐標下的跟蹤曲線如圖3所示,AET三軸座架坐標下的跟蹤曲線如圖4所示。

圖3大地坐標下的跟蹤曲線

圖4AET坐標下的跟蹤曲線

在俯仰角為89.329。時,方位軸速度為4.5（。）/，小于方位軸能達到的速度（20（。）右）,所

以不存在過頂跟蹤〃盲區(qū)〃。

在俯仰角為89.329。時,方位軸速度為49.38O/S,遠大于方位軸能達到的速度

（20（。）/9所以存在過頂跟蹤“盲區(qū)"。

5結束語

基于AET座架伺服控制系統(tǒng)是針對解決天線跟蹤過頂"盲區(qū)”而設計的，整個系統(tǒng)

具有實時性好、系統(tǒng)參數(shù)可調和可靠性高的優(yōu)點。該方法消除了天線跟蹤的‘盲

區(qū)”，保證跟