王衛(wèi)兵,王挺峰,郭 勁

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長春 130033)

星載光電捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)控制技術(shù)分析

王衛(wèi)兵*,王挺峰,郭 勁

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長春 130033)

本文以天基監(jiān)視為研究背景，主要圍繞星載光電捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)(ATP)控制技術(shù)展開研究，針對衛(wèi)星調(diào)姿變軌和跟蹤架轉(zhuǎn)動的多自由度配合控制過程，依次對天基監(jiān)視物理模型、星載光電ATP控制系統(tǒng)方案和電視跟蹤精度進(jìn)行了分析。通過分析，不僅對這種多階段多任務(wù)多模式切換的ATP控制有了較為清晰的理解，而且對其中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)獲得了較為全面的認(rèn)識，對星載光電ATP控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

天基監(jiān)視；星載光電ATP控制系統(tǒng)；衛(wèi)星調(diào)姿變軌；光電跟蹤架

1 引言

隨著航天器和有效載荷的發(fā)展，偵察衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、空間站、航天飛機(jī)等空間應(yīng)用系統(tǒng)研究已成為研究的熱點(diǎn)，同時(shí)空間存在大量的碎片垃圾。無論出于民用，還是軍用，將類似于地面經(jīng)緯儀的光學(xué)成像跟蹤設(shè)備應(yīng)用在天基探測系統(tǒng)中具有重要價(jià)值。在“天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)”(SBSS)、“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”(STSS)、“持續(xù)跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”(PTSS)、天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)及激光應(yīng)用系統(tǒng)中，都出現(xiàn)了這種光電跟蹤設(shè)備。

對光學(xué)成像跟蹤設(shè)備而言，光電捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)(ATP)控制技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)性技術(shù)，對測量、激光等應(yīng)用系統(tǒng)至關(guān)重要。另外，在兩星交會對接的末段過程，常采用光學(xué)相機(jī)導(dǎo)引方式，但這是一個(gè)固連在衛(wèi)星平臺上的靜止測量方式。若將光學(xué)相機(jī)置于跟蹤架上，同時(shí)提高衛(wèi)星機(jī)動能力，則可構(gòu)成一種基于光電跟蹤設(shè)備的天基動能追蹤器，其功能類似于彈載光學(xué)導(dǎo)引頭的目標(biāo)追蹤器，只是應(yīng)用環(huán)境不同而已，且主要包括衛(wèi)星變軌控制、衛(wèi)星調(diào)姿控制、光學(xué)導(dǎo)引頭軸系轉(zhuǎn)角控制等環(huán)節(jié)。

因此，研究星載光電ATP控制技術(shù)對于天基監(jiān)視、測量、追蹤、激光通信等應(yīng)用系統(tǒng)具有重要意義。而目前的研究主要集中在激光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用［1-3］，適用于合作目標(biāo)；只有少量文獻(xiàn)報(bào)道在天基監(jiān)視［4-8］、測量、追蹤等系統(tǒng)中的應(yīng)用，可適用于合作、非合作目標(biāo)。由于天基監(jiān)視、測量、追蹤系統(tǒng)均有類似的電視成像測量能力，本文主要以天基監(jiān)視為背景，對星載光電ATP控制技術(shù)進(jìn)行了簡要而完整的分析。首先，簡要介紹了天基監(jiān)視物理模型，包括衛(wèi)星平臺、跟蹤轉(zhuǎn)臺、目標(biāo)特性；其次，全面分析了星載光電ATP控制系統(tǒng)方案，包括衛(wèi)星變軌調(diào)姿控制系統(tǒng)、兩軸跟蹤架轉(zhuǎn)動控制系統(tǒng)及如何實(shí)現(xiàn)快速捕獲、穩(wěn)定跟蹤和精確瞄準(zhǔn)控制的工作過程；然后，分析了電視跟蹤過程中的跟蹤精度影響因素；最后，總結(jié)了星載光電ATP系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)。

2 天基監(jiān)視物理模型

天基監(jiān)視系統(tǒng)主要由監(jiān)視衛(wèi)星、星載光電跟蹤設(shè)備和輔助測量設(shè)備構(gòu)成。監(jiān)視衛(wèi)星在設(shè)計(jì)的地球軌道運(yùn)動，若知道目標(biāo)運(yùn)動信息或目標(biāo)運(yùn)動區(qū)域時(shí)，且當(dāng)光電跟蹤設(shè)備轉(zhuǎn)動能力受限時(shí)，可配合監(jiān)視衛(wèi)星變軌調(diào)姿，可通過輔助測量設(shè)備解算的數(shù)引信息或自主掃描搜索完成目標(biāo)的快速捕獲過程。當(dāng)運(yùn)動目標(biāo)出現(xiàn)在跟蹤設(shè)備的光學(xué)成像視場內(nèi)后，通過圖像處理和目標(biāo)識別后，切換至電視脫靶量自動穩(wěn)定跟蹤階段。當(dāng)系統(tǒng)做測量設(shè)備用或配合激光應(yīng)用設(shè)備時(shí)，可設(shè)計(jì)相應(yīng)的跟蹤控制系統(tǒng)方案，以實(shí)現(xiàn)視軸的高精度瞄準(zhǔn)。如何使星載光電跟蹤系統(tǒng)完成從快速捕獲到穩(wěn)定跟蹤到精確瞄準(zhǔn)的過程，是本文研究的重點(diǎn)。

表1 不同軌道高度和不同用途的航天器Tab.1 Different usage of spacecraft in different altitude

2.1 衛(wèi)星平臺

航天器可分為無人航天器和載人航天器，其中衛(wèi)星是一種在空間軌道上環(huán)繞地球運(yùn)行的無人航天器，其發(fā)射數(shù)量占航天器發(fā)射總數(shù)的90%以上，按照用途可分為科學(xué)衛(wèi)星、技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星和應(yīng)用衛(wèi)星［9］。目前繞地球運(yùn)行的航天器在不同的軌道高度有不同的用途，如表1所示，因此要實(shí)現(xiàn)對這些區(qū)域航天器以及空間碎片的監(jiān)視，需要設(shè)計(jì)其相應(yīng)軌道附近的天基監(jiān)視衛(wèi)星。美國SBSS設(shè)計(jì)在太陽同步軌道附近，STSS和PTSS均設(shè)計(jì)在低軌部分。SBSS系統(tǒng)在軌示意圖如圖1所示。

圖1 天基監(jiān)視衛(wèi)星在軌運(yùn)行示意圖Fig.1 Skematic diagram of SBSS flying in obits

2.2 跟蹤轉(zhuǎn)臺

跟蹤架可分為兩軸、三軸、四軸結(jié)構(gòu)，目前由于兩軸式跟蹤架結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，應(yīng)用較為普遍。兩軸式根據(jù)跟蹤架結(jié)構(gòu)又可分為地平式和水平式，前者又可分為U型架和T型架，圖1中的SBSS系統(tǒng)采用為地平式U型跟蹤架結(jié)構(gòu)，圖2為水平式跟蹤結(jié)構(gòu)。目前采用U型結(jié)構(gòu)架較多，其中地平式跟蹤時(shí)會存在天頂盲區(qū)，水平式跟蹤時(shí)可避免天頂盲區(qū)。但是由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限位，地平式比水平式的可跟蹤范圍大，前者的外軸系(方位軸)轉(zhuǎn)動范圍為360°，內(nèi)軸系(俯仰軸)轉(zhuǎn)動范圍為180°；而后者的外軸系轉(zhuǎn)動范圍為180°，內(nèi)軸系轉(zhuǎn)動范圍小于180°。SBSS、STSS系統(tǒng)中使用的是U型跟蹤架結(jié)構(gòu)。

2.3 運(yùn)動信號

假設(shè)兩顆共面衛(wèi)星運(yùn)行軌道不受任何控制力和攝動力，地球?yàn)橘|(zhì)量均勻的圓球，則兩顆衛(wèi)星的固定橢圓軌道可近似為圓軌道，即對應(yīng)的兩衛(wèi)星做共面自由圓軌道運(yùn)行。利用幾何關(guān)系對兩共面圓軌衛(wèi)星的相對運(yùn)動角度計(jì)算結(jié)果表明，兩星相對運(yùn)動過程可近似為低速運(yùn)動過程，即監(jiān)視衛(wèi)星對目標(biāo)衛(wèi)星的跟蹤過程可等效為低速跟蹤過程。

圖2 水平式兩軸式跟蹤架結(jié)構(gòu)Fig.2 Two-axis tracking frame structure with horizontal style

通過分析，目標(biāo)衛(wèi)星的攝動和振動對視軸穩(wěn)定的影響可忽略不計(jì)，只考慮監(jiān)視衛(wèi)星的攝動和振動對視軸穩(wěn)定的影響。其中低頻攝動信號主要包括地球非球形引力、月球引力、太陽引力、太陽輻射壓力、太陽反照壓力、大氣阻力和地球潮汐力等因素引起的擾動信號，中高頻振動信號主要包括波導(dǎo)開關(guān)、推進(jìn)器動作、太陽能電池組驅(qū)動等因素引起的擾動信號，具體形式可用功率譜圖描述［10］。

從信號形式上分析，兩星相對運(yùn)動信號為高幅低頻形式(包括其他大機(jī)動跟蹤目標(biāo)情況，可用等效正弦信號描述)，星載平臺振動信號為低幅中高頻形式(由于作用距離較遠(yuǎn)，考慮到監(jiān)視衛(wèi)星視軸跟蹤目標(biāo)視線，可忽略目標(biāo)的攝動振動等擾動影響)。

3 星載光電捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)（ATP）控制系統(tǒng)

衛(wèi)星整體不僅受地球引力作用而繞地球運(yùn)動，同時(shí)運(yùn)行軌跡還會受到其他攝動力影響，可用6個(gè)根軌道數(shù)描述；而且衛(wèi)星自身還可繞內(nèi)部軸系轉(zhuǎn)動，同時(shí)衛(wèi)星內(nèi)部一些器件運(yùn)動會引起平臺振動，可用3個(gè)姿態(tài)角描述，固連在衛(wèi)星平臺上的跟蹤架還可繞自身軸系轉(zhuǎn)動，視軸與內(nèi)軸系重合，并嵌套于外軸系，可用2個(gè)角度脫靶量和2個(gè)軸系轉(zhuǎn)動角度描述。在整個(gè)星載光電ATP控制過程中，不僅衛(wèi)星可做調(diào)姿變軌運(yùn)動，而且跟蹤架自身也可實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動，這其中每個(gè)環(huán)節(jié)的變化都會影響到光學(xué)視軸的指向。因此，衛(wèi)星變軌調(diào)姿和跟蹤架轉(zhuǎn)動均可調(diào)整光學(xué)視軸指向，采取單一方式、或兩者、三者配合方式，在某些條件下均可能實(shí)現(xiàn)ATP能力。

從自由度分析角度看，可控自由度越多，工作能力范圍越大，但系統(tǒng)控制難度越大，成本越高。因此，從功耗和控制難易程度講，變軌、調(diào)姿和跟蹤架軸系逐漸容易，實(shí)際中應(yīng)該考慮跟蹤架調(diào)角、衛(wèi)星調(diào)姿、衛(wèi)星變軌的優(yōu)先順序，當(dāng)跟蹤架轉(zhuǎn)角進(jìn)行快速捕獲和穩(wěn)定跟蹤過程中由于機(jī)械結(jié)構(gòu)受限時(shí)，需要衛(wèi)星調(diào)姿配合，當(dāng)星載光學(xué)系統(tǒng)作用距離受限時(shí)，需要衛(wèi)星變軌配合。由此構(gòu)成的星載ATP控制系統(tǒng)方案如圖3所示，其中針對不同階段性能要求不同，控制系統(tǒng)有所不同，而且不同階段之間過渡時(shí)，也存在一個(gè)切換過程，因此星載ATP控制系統(tǒng)方案是一種多?？刂品桨?。另外，要成功實(shí)現(xiàn)星載ATP功能，需要解算測量信息，獲得視軸指向與目標(biāo)視線相對夾角，以便指揮控制系統(tǒng)結(jié)合星載平臺實(shí)際情況判斷采用何種方式(如判斷是否需要衛(wèi)星變軌和調(diào)姿等)實(shí)現(xiàn)星載ATP能力，而這些解算過程均需要統(tǒng)一標(biāo)定的坐標(biāo)體系，如圖4所示。

圖3 星載光電ATP控制系統(tǒng)Fig.3 Opto-electrical ATP control system on satellite

圖4 星載光電ATP控制系統(tǒng)坐標(biāo)體系Fig.4 Coordinates of opto-electrical ATP control system on satellite

衛(wèi)星調(diào)姿變軌控制系統(tǒng)及其敏感器和執(zhí)行器分別如圖5(a)、(b)所示，兩軸跟蹤架控制系統(tǒng)及其測量傳感器和執(zhí)行器分別如圖6(a)、(b)所示。與有刷直流電機(jī)相比，雖然無刷直流電機(jī)不僅電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子與定子結(jié)構(gòu)機(jī)理不同，而且需要位置傳感器，電子線路較為復(fù)雜，但是沒有電刷，不考慮空間環(huán)境下電刷磨損壽命和高真空中電刷易打火引起的電磁干擾問題，且電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱量容易散發(fā)。

圖5 衛(wèi)星調(diào)姿變軌控制系統(tǒng)、敏感器和執(zhí)行器Fig.5 Control system，sensors and performers of adjusting posture and changing trajectory of satellite

圖6 兩軸跟蹤架控制系統(tǒng)、測量傳感器和執(zhí)行器Fig.6 Control system，measurement sensors and performers of two-axis tracking frame

要實(shí)現(xiàn)快速捕獲，需要設(shè)計(jì)具有高動態(tài)性能(調(diào)節(jié)時(shí)間小、超調(diào)量低)的控制系統(tǒng)，如最小節(jié)拍組合控制、最小拍紋波控制、時(shí)間最優(yōu)控制等；而要實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤瞄準(zhǔn)，需要設(shè)計(jì)具有高穩(wěn)態(tài)性能(跟蹤誤差小)的控制系統(tǒng)，無論采用何種經(jīng)典控制方案，如基于信息融合的共軸跟蹤控制、基于慣性陀螺方式的前饋式星載平臺擾動抑制控制、基于復(fù)合軸方式的高精度視軸跟蹤瞄準(zhǔn)控制等，兩軸跟蹤架基本上采用電流速度位置三閉環(huán)高精度控制系統(tǒng)［11-12］，如圖7所示。其中軸系角度傳感器可采用高分辨率編碼器，電視傳感器可采用可見、紅外探測器，陀螺可采用光纖陀螺，電流探測器可采用霍爾電流元件，驅(qū)動電機(jī)可采用無刷直流電機(jī)。

圖7 單軸系電流速度位置三閉環(huán)高精度控制系統(tǒng)Fig.7 Three closed loop and high precision control system of current，velocity and position for one axis

3.2.1 快速捕獲

數(shù)字引導(dǎo)信息捕獲：對于合作目標(biāo)，可利用雷達(dá)探測或衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)獲得的目標(biāo)信息；對于非合作目標(biāo)，同樣可通過雷達(dá)探測或其他天地測控組合方式獲得的目標(biāo)信息，將所獲信息通過坐標(biāo)變換解算為相對視軸指向方位的數(shù)字引導(dǎo)信息，使得跟蹤架將目標(biāo)快速捕獲至視場內(nèi)，以啟動電視自主閉環(huán)跟蹤過程。從控制學(xué)角度理解，快速捕獲本質(zhì)上是一個(gè)階躍響應(yīng)過程，可用調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等動態(tài)性能指標(biāo)來衡量。

自主開環(huán)掃描搜索：若不利用其他測控設(shè)備獲得的數(shù)引信息，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的控制規(guī)律進(jìn)行，如矩形、螺旋、矩形螺旋等掃描方式［1］，使電視視軸進(jìn)行自主掃描搜索，一旦目標(biāo)進(jìn)入視場，將啟動電視自主跟蹤過程。自主開環(huán)掃描搜索常用在激光通信的初始捕獲過程中。

3.2.2 穩(wěn)定跟蹤

通過上述天基監(jiān)視中運(yùn)動特性分析，可將攝動和振動導(dǎo)致的衛(wèi)星姿態(tài)變化量作為擾動信息。一般而言，擾動幅度越大，擾動頻率越低。對低幅高頻信號，可采用平臺被動隔振技術(shù)；對高幅低中頻信號，可采用主動穩(wěn)定跟蹤控制技術(shù)。若是在所設(shè)計(jì)的伺服跟蹤控制系統(tǒng)帶寬范圍內(nèi)，可在星載動基座情況下獲得一定的視軸穩(wěn)定度。

(1)基于慣性陀螺方式的穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)

由于高速旋轉(zhuǎn)陀螺具有保持慣性空間的定軸性、外力矩作用的進(jìn)動性和動力效應(yīng)，在車載、艦載、機(jī)載、彈載、星載、飛艇等［4-8，13-17］主動穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用。這種主動慣性陀螺穩(wěn)定控制方案根據(jù)結(jié)構(gòu)不同主要包括平臺式、直接式和捷聯(lián)式3種方式。

平臺式陀螺穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)：陀螺位于跟蹤架支撐平臺，敏感外干擾力矩，可獲得跟蹤架支撐平臺的穩(wěn)定驅(qū)動信號，但這種方式需要比經(jīng)緯儀外方位軸的控制力矩更大，系統(tǒng)帶寬更低，無法對高頻信號進(jìn)行穩(wěn)定補(bǔ)償，故此方式不可取。

直接式陀螺穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)：陀螺位于跟蹤架軸系上，敏感跟蹤架方位俯仰軸系信息，可直接獲得跟蹤架兩軸補(bǔ)償控制信息，目前應(yīng)用較為普遍。

捷聯(lián)式陀螺穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)：陀螺位于衛(wèi)星本體或跟蹤架平臺上，敏感衛(wèi)星姿態(tài)角擾動信息，可間接將陀螺測量信息通過坐標(biāo)變換解算出相應(yīng)的跟蹤架兩軸補(bǔ)償控制信息，雖然具有體積、重量、功耗、靈活等方面有點(diǎn)，但對陀螺和算法處理能力要求較高，目前還不成熟。

(2)基于光電復(fù)合軸方式的穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)

從物理學(xué)角度分析，控制元件質(zhì)量越重、體積越大，慣性越大，越難控制，導(dǎo)致控制系統(tǒng)帶寬越低；相反，系統(tǒng)帶寬越高。無論采用直接式陀螺穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)，還是采用捷聯(lián)式陀螺穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)，控制元件均為跟蹤架軸系，其質(zhì)量和體積均受光學(xué)系統(tǒng)要求限制，且諧振頻率也受限于機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此系統(tǒng)速度環(huán)帶寬有限，對星載光電跟蹤的中高頻擾動信號難以抑制，且陀螺存在漂移現(xiàn)象，還需進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)。因此，基于慣性陀螺方式的穩(wěn)定跟蹤控制方案存在一定缺陷。

由于光電成像跟蹤過程的本質(zhì)是系統(tǒng)對目標(biāo)相對運(yùn)動的跟蹤，因此，星載光電跟蹤系統(tǒng)和目標(biāo)運(yùn)動特性兩個(gè)互相獨(dú)立的過程可通過CCD成像過程看成相對運(yùn)動過程，即穩(wěn)定也是跟蹤。由此可知這種“動中要跟，跟中有擾”的跟蹤輸入信號，將包括各種特性的輸入信號。理論上，只要設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)性能優(yōu)良，基本可對上述的星載光電跟蹤模型達(dá)到滿意的跟蹤精度。目前，基于快反鏡快速精跟蹤的復(fù)合軸技術(shù)在光電跟蹤系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用［1-3，17-18］。其物理思想為：一級經(jīng)緯儀主系統(tǒng)對相對運(yùn)動目標(biāo)大信號進(jìn)行大視場粗跟蹤，二級快反鏡精跟蹤系統(tǒng)對主系統(tǒng)粗跟蹤殘余誤差信號進(jìn)行小視場精跟蹤，主系統(tǒng)和子系統(tǒng)均可對俯仰和方位進(jìn)行跟蹤。根據(jù)所用探測器數(shù)目可分為單探測器和雙探測器兩種方式，分別如圖8(a)、(b)所示［17-18］。由于前者的主系統(tǒng)與子系統(tǒng)在跟蹤視場切換過程中存在圖像傳感器幀頻變化與目標(biāo)信息丟失的沖突，雖然可通過預(yù)測和智能相機(jī)控制技術(shù)來改善，但是將對相機(jī)性能和控制算法要求很高，使其應(yīng)用受限。而后者具有對圖像傳感器要求較高。

為了滿足子系統(tǒng)的高帶寬設(shè)計(jì)，需要高采樣頻率的精跟蹤傳感器，子系統(tǒng)帶寬越高，采樣頻率越高，技術(shù)難度越大。為此，國內(nèi)胡浩軍、劉澤金、馬佳光提出了針對動基座的基于慣性視軸穩(wěn)定器的復(fù)合軸跟蹤控制系統(tǒng)方案［17］，并取得了一定實(shí)驗(yàn)效果。

圖8 復(fù)合軸控制系統(tǒng)Fig.8 Compound-axis control system

3.2.3 精確瞄準(zhǔn)

與紅外電視成像、可見光電視成像相比，激光主動成像技術(shù)可實(shí)現(xiàn)暗弱背景下目標(biāo)的高分辨率成像，同時(shí)借助于光學(xué)系統(tǒng)的激光“貓眼”效應(yīng)，可增強(qiáng)目標(biāo)探測概率。另外，利用激光測距獲得目標(biāo)的相對距離信息，并結(jié)合跟蹤脫靶量獲得目標(biāo)運(yùn)動的相對角度信息，可獲得空間目標(biāo)的三維運(yùn)動軌跡，是一種可行的空間目標(biāo)定軌技術(shù)。因此，激光探測將在天基監(jiān)視中有重要應(yīng)用。由于激光探測能力受功率、發(fā)散角等因素影響，這要求發(fā)射激光具有指向控制精度限制。

若采用上述復(fù)合軸穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)方案，當(dāng)快反鏡精跟蹤精度滿足激光發(fā)散角要求，則可使發(fā)射激光沿快反鏡逆向照向目標(biāo)；若采用跟蹤架主系統(tǒng)進(jìn)行粗跟蹤，當(dāng)目標(biāo)始終在主系統(tǒng)光學(xué)視場內(nèi)，且跟蹤脫靶量滿足快反鏡控制范圍時(shí)，通過控制快反鏡控制激光光束指向，即使主系統(tǒng)光斑脫靶量與目標(biāo)脫靶量差值盡可能小，以滿足此時(shí)光束指向相對目標(biāo)視線夾角，或激光光斑跟蹤精度滿足激光發(fā)散角要求，如圖8(c)所示［1］。與上述成像復(fù)合軸穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)相比，此激光指向復(fù)合軸穩(wěn)定跟蹤控制系統(tǒng)的探測器問題可得到解決，因?yàn)楣獍叩馁|(zhì)心提取比成像精跟蹤質(zhì)心或形心較為容易。文獻(xiàn)［1］已對這種潛望式激光通訊型復(fù)合軸跟蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

4 跟蹤精度分析

由于電視成像跟蹤具有重要應(yīng)用，電視跟蹤精度是光電跟蹤設(shè)備的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)［5，7］。跟蹤精度有時(shí)用一段過程的統(tǒng)計(jì)均方根來評價(jià)，有時(shí)用最大偏差來評價(jià)。對于星載光電跟蹤瞄準(zhǔn)過程，無論采用陀螺穩(wěn)定控制系統(tǒng)還是采用復(fù)合軸控制系統(tǒng)，兩軸大體積大慣量跟蹤架主系統(tǒng)的跟蹤精度也是成功實(shí)現(xiàn)復(fù)合軸控制技術(shù)的基礎(chǔ)。

由于整個(gè)星載系統(tǒng)的跟蹤精度綜合效果可等效于視軸指向與目標(biāo)視線的相對夾角，即體現(xiàn)為電視脫靶量跟蹤精度。但是單一的電視脫靶量信息上難以反映兩軸跟蹤架各環(huán)節(jié)的影響，為了較為全面地分析跟蹤精度，其系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)誤差可主要分解為目標(biāo)信號跟蹤誤差(兩軸跟蹤誤差和平臺擾動抑制誤差)、傳感器采集誤差(CCD特征點(diǎn)提取誤差和編碼器信號采集誤差)、機(jī)械軸系誤差(視準(zhǔn)軸系、內(nèi)軸系、外軸系機(jī)械誤差)等。目標(biāo)跟蹤誤差與目標(biāo)運(yùn)動特性有關(guān)，通常對于確定的伺服系統(tǒng)而言，跟蹤一定機(jī)動目標(biāo)時(shí)，可以達(dá)到高精度跟蹤，而在跟蹤極低速運(yùn)動目標(biāo)時(shí)，靜摩擦現(xiàn)象的存在而使跟蹤精度較差，在跟蹤高機(jī)動目標(biāo)時(shí)，可能超出伺服系統(tǒng)響應(yīng)能力而難以跟蹤。

考慮到空間環(huán)境應(yīng)用，與地面環(huán)境相比，雖然整個(gè)跟蹤架的質(zhì)量未變，但是由于空間微重力(攝動力)的影響使得軸系接觸處的應(yīng)力分布發(fā)生變化，而使得軸系剛度和軸系誤差發(fā)生變化，空間溫度的變化會影響跟蹤架材料變形，同樣會使得軸系剛度和軸系誤差發(fā)生變化，一般需溫控設(shè)備，而剛度的變化將影響到諧振頻率，進(jìn)而會影響伺服控制系統(tǒng)的跟蹤誤差。另外，輻射環(huán)境和溫度變化對光學(xué)材料和電子元件同樣會造成一定影響，進(jìn)而影響到光學(xué)成像脫靶量和傳感器測量信號及伺服電控系統(tǒng)的性能，除了溫控措施外，還需要一定的保護(hù)措施。

5 關(guān)鍵技術(shù)

本文主要研究了天基監(jiān)視中的星載光電ATP控制系統(tǒng)方案，但這是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及到光、機(jī)、電、算等多學(xué)科，包括很多的關(guān)鍵技術(shù)［1-8］，總結(jié)如下：

(1)光、機(jī)、電一體化設(shè)計(jì)：為了對目標(biāo)進(jìn)行成像觀測，需要有可調(diào)光、調(diào)焦和成像能力的光學(xué)系統(tǒng)；為了提高系統(tǒng)的機(jī)動范圍和諧振頻率，需要對衛(wèi)星本體、光電跟蹤架和輔助設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理布局；為了保證系統(tǒng)正常工作，數(shù)據(jù)流能順利傳輸和計(jì)算，需要有可靠的電子學(xué)系統(tǒng)；因此優(yōu)良的光機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)星載光電ATP控制技術(shù)的基礎(chǔ)。

(2)空間環(huán)境中星載設(shè)備的保護(hù)：由于空間環(huán)境屬于高真空微重力、溫差變化大環(huán)境，且存在大量的太陽、宇宙射線等高能輻射粒子及太空碎片垃圾等危害性物體，將對整個(gè)系統(tǒng)性能影響很大。因此對空間特殊環(huán)境而言，不僅需要選取特種材料，還需要采取保護(hù)膜、溫控等措施。

(3)傳感器測量信息數(shù)據(jù)融合：從控制系統(tǒng)原理分析，控制系統(tǒng)輸入信息的準(zhǔn)確性對控制效果影響很大。分析可知，星載光電ATP控制系統(tǒng)需要采集多種信息(主要包括目標(biāo)引導(dǎo)信息、監(jiān)視衛(wèi)星軌跡信息、監(jiān)視衛(wèi)星姿態(tài)信息、跟蹤架軸角信息、CCD圖像信息等)，這些信息可通過相應(yīng)的測量傳感器來獲取，而且對同一種信息的獲取可能來源于多種測量傳感器，因此需要采用數(shù)據(jù)融合方式獲得準(zhǔn)確有效的信息。

(4)星載光電ATP指揮控制策略：分析可知星載光電ATP控制需根據(jù)數(shù)據(jù)融合的有效信息，結(jié)合衛(wèi)星調(diào)姿變軌和跟蹤架轉(zhuǎn)動情況，采取多階段多任務(wù)多模式切換控制策略(分析、判斷、決策)，這需要高性能控制算法和主控系統(tǒng)來處理，即需要設(shè)計(jì)高性能C4ISR自動化指揮系統(tǒng)。

(5)應(yīng)用系統(tǒng)拓展：一方面，可將光電跟蹤架設(shè)計(jì)成光電導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)，應(yīng)用在天基動能追蹤器上(如交會對接過程中)；另一方面，作為一種光電觀測設(shè)備，或聯(lián)合其它天基、地基測控網(wǎng)，以獲得更全面的空間目標(biāo)態(tài)勢感知信息。

6 結(jié)束語

將類似于地面經(jīng)緯儀結(jié)構(gòu)的光電跟蹤架應(yīng)用在衛(wèi)星動基座平臺上對空間運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行天基監(jiān)視、測量、追蹤將成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文以天基監(jiān)視為研究背景，主要圍繞天基監(jiān)視中的星載光電ATP控制技術(shù)展開研究。由于實(shí)際應(yīng)用場合不同，衛(wèi)星變軌調(diào)姿和跟蹤架轉(zhuǎn)動側(cè)重點(diǎn)不同，從星載光電ATP控制技術(shù)分析，衛(wèi)星變軌主要是為了解決作用距離或作用方位不滿足問題，一般應(yīng)用較少，而衛(wèi)星調(diào)姿主要是為了擴(kuò)大視軸指向范圍(跟蹤架機(jī)械結(jié)構(gòu)限制)，一般在變軌、捕獲或過頂跟蹤時(shí)配合使用。因此，本文簡要分析了衛(wèi)星變軌調(diào)姿控制方案，詳細(xì)分析了星載跟蹤架的控制方案，并將二者結(jié)合分析了完整的星載ATP控制系統(tǒng)。由此可知，星載光電ATP控制不僅是一個(gè)多模切換控制，而且涉及到光機(jī)電一體化設(shè)計(jì)、傳感器測量信息融合、指揮控制決策等關(guān)鍵技術(shù)，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。對其所涉及的科學(xué)、技術(shù)和工程問題，今后須進(jìn)行更深入系統(tǒng)地研究。

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Analysis for opto-electrical acquisition tracking and pointing control technology on satellite

WANG Wei-bing*，WANG Ting-feng，GUO Jin
(State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Science，Changchun 130033，China)

In this paper，we take for space-based surveillance as research background，and mainly focus on opto-electrical acquisition tracking and pointing(ATP)control technology.For multi degree of freedom control process including adjusting posture and changing trajectory control of satellite and opto-electrical tracking frame control，physics model of spaced surveillance，opto-electrical ATP control system scheme on satellite and television tracking precision are analyzed respectively.By these analyses，we not only have a clearer understanding of multi stage，multi task and multi mode switching control，but also obtain a more comprehensive understanding of key technologies involved.These analyses have a certain guiding role for design of opto-electrical ATP control system on satellite.

space-based surveillance；opto-electrical acquisition tracking and pointing(ATP)control system on satellite；adjusting posture and changing trajectory of satellite；opto-electrical tracking

V529

A

10.3788/CO.20140706.0879

2095-1531(2014)06-0879-10

王衛(wèi)兵(1986—)，男，陜西楊凌人，碩士，研究實(shí)習(xí)員，2013年于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得碩士學(xué)位，主要從事星載光電跟蹤控制技術(shù)與空間目標(biāo)定軌技術(shù)方面的研究。E-mail：wangweibing10@126.com

王挺峰(1977—)，男，山東文登人，博士，研究員，碩士生導(dǎo)師，2005年于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事激光應(yīng)用技術(shù)與光電探測總體技術(shù)方面的研究。E-mail：wtfeng@sina.com

郭 勁(1964—)，男，吉林長春人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，2007年于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事光電測控技術(shù)與光電總體技術(shù)方面的研究。E-mail：guojin1964@126.com

2014-10-15；

2014-11-12

激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(No.SKLLIM0902-01)

*Corresponding author，E-mail：wangweibing10@126.com