基于前馈的伺服系统控制技术研究

李宏科 王万玉 冯旭祥 王永华 穆伟

摘 要：Ka频段是解决星地数据传输频带资源紧张的有效技术途径，可成为星地数据传输的发展方向。针对高动态窄波束目标的高精度跟踪技术需求，文中提出了复合控制的技术方案。该方案采用目标测角输出和角误差电压产生速度前馈控制信号，可提高系统动态性能和跟踪精度。依据该方案设计的伺服系统已用于工程项目，测试结果表明，该方案合理可行。

关键词：遥感卫星；伺服系统；复合控制；速度前馈；动态性能

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）05-0-02

0 引 言

随着对地观测技术及应用需求的发展，星地链路需要传输的信息速率越来越高，占用的带宽也越来越宽，宽带高速传输已经成为星地数据传输的必然趋势。Ka频段可用的带宽较宽，可以满足较大的传输带宽和较高码速率的传输需要，已成为星地数据传输的发展方向[1-3]。

Ka频段波束非常窄，且低轨道极轨卫星目标的运动速度很快。而大型天线考虑安全及功率等因素，天线系统的速度、加速度受到一定限制，存在一定的动态滞后，特别是在过顶前后这个问题上更为突出。目前低轨道极轨卫星地面接收站伺服系统大多采用PID算法进行环路控制[4]，这种控制方式已难以满足上述要求。因此，高动态、窄波束目标的高精度跟踪对遥感卫星数据接收站伺服系统提出了更高、更新的技术要求[5]。

为了提高伺服系统的精度，一是尽量提高系统的结构谐振频率，提高系统的加速度常数；二是采用高阶无静差系统；三是采用复合控制方法，提高系统的无静差度[6]。前两种措施受到许多因数的制约，限制了伺服系统的精度提高。本文在电流环、速度环和位置环构成的三环伺服控制系统的基础上，采用目标速度前馈的复合控制技术方案来提高系统的响应速度和跟踪性能，实现了对高动态、窄波束目标的高精度跟踪。

1 动态性能需求分析

低轨遥感卫星其轨道高度一般在300 km～1 000 km之间，对方位-俯仰-7°倾角斜转台的三轴天线座架，目标在正过顶时所需天线方位最大角速度为：

式（13）中，f（t）为前馈信号在时域的表达式，、分别为目标位置的一次导数和二次导数。式（13）表明，要实现三阶无静差，须提供目标的速度信号；要实现四阶无静差，须提供目标的速度信号和加速度信号。结合实际技术需求，在工程中采用了实现三阶无静差的方案。

针对遥感卫星地面站伺服系统，目标运动轨道是已知的，可利用的信息源包括目标的测角输出A0、E0和角误差电压Ua、Ue。目标的速度信息可通过目标的测角输出A0、E0和角误差电压Ua、Ue求得。以方位支路为例，复合控制的原理框图如图3所示。

图3 复合控制原理框图（以方位支路为例）

前馈微分传递函数：

3 测试结果及分析

为验证前馈复合控制效果，采用第三轴转动模拟法对天线伺服系统的跟踪性能进行了试验[7]，验证Ka频段低轨卫星的跟踪性能。试验结果表明：不采用复合控制技术，方位跟踪角误差达到0.032°；采用复合控制技术后，跟踪角误差优于0.005°。可见伺服系统动态特性有明显的提高。

目前并无Ka频段低轨遥感卫星，利用X频段低轨卫星进行了复合控制方案的效果实验，并利用折算关系计算Ka角度误差信息。当过境卫星ELmax=71.806°且未使用复合控制技术时，在目标过顶点前后，动态滞后较大，约为±0.15 V，折算为角度信息大约在±0.011 25°左右。而当使用复合控制技术后，即使过境卫星ELmax=89.07°时，在目标过顶点前后，动态滞后较小，大约在±0.05 V左右，折算为角度信息大约在±0.003 75°左右。可见天线伺服系统采用前馈复合控制技术后有效减小了动态滞后，提升了系统的高仰角跟踪能力。

4 结 语

本文在电流环、速度环和位置环构成的三环伺服控制系统的基础上引入前馈控制，将前馈控制与反馈控制结合起来构成前馈-反馈控制系统。采用目标速度前馈的复合控制技术方案来提高系统的响应速度和跟踪性能，实现了对高动态、窄波束目标的高精度跟踪。

测试结果表明引入前馈控制后伺服系统动态特性有明显的提高。依据该方案设计的伺服系统已用于工程项目中。

参考文献

[1] 王中果，汪大宝.低轨遥感卫星Ka频段星地数据传输效能研究[J].航天器工程，2013，22（1）：72-77.

[2]高卫斌，冉承其.遥感卫星数据传输技术发展分析[J].中国空间科学技术，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] 王万玉，冯旭祥.遥感卫星接收站伺服系统设计[C].中国空间科学学会空间探测专业委员会第二十七次学术会议论文集，2014：66-71.

[5] 王永华，王万玉.S/X/ka频段天伺馈系统关键技术分析[J].电讯技术，2013，53（8）： 1058-1063.

[6] 李连升，张志英，刘绍球.现代雷达伺服控制[M].北京：国防工业出版社，1987.

[7] 朱维祥，穆伟，王万玉，等.Ka频段数据接收系统跟踪性能测试方法[J].电讯技术，2015，55（5）：560-563.