陳元偉 張國梁 戎景會

(航天恒星科技有限公司,北京 100095)

目前,國外的船載遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)使用較多的主要是美國和法國,多用于接收中低碼速率的極軌氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù),頻段多設(shè)定在X、L、S頻段,用于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收和解調(diào)。由于遙感衛(wèi)星分辨率和數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提高,這種船載小型接收站已經(jīng)不能滿足數(shù)據(jù)接收需求,國外大型艦船已經(jīng)開始著手建設(shè)可以接收多種遙感衛(wèi)星的大型接收系統(tǒng)。

由于海上環(huán)境惡劣,船的航行、搖擺、旋回、振動和顛簸等都會使船的位置和姿態(tài)不斷地變化[1],造成天線跟蹤精度下降,甚至造成跟蹤目標(biāo)丟失。此前,我國建設(shè)的移動衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)主要是車載站,天線口徑一般不超過6 m,并且在跟蹤接收衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)時,左右搖擺適應(yīng)范圍較小。我國的遠(yuǎn)洋測量船安裝了衛(wèi)星測控天線,主要接收衛(wèi)星下傳的S頻段遙測數(shù)據(jù)。由于X頻段比S頻段的波束窄,對天線指向精度要求更高。我國雪龍?zhí)柨茖W(xué)考察船每年往返南北極進(jìn)行科學(xué)考察,航行過程中需要及時了解氣候和海況變化。尤其航行經(jīng)過的西風(fēng)帶海域臺風(fēng)頻發(fā),需要依據(jù)接收到的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),選擇合適的航線來規(guī)避潛在的風(fēng)險。在極地地區(qū)的海冰分布不斷變化,雪龍?zhí)栃杓皶r根據(jù)海冰分布情況不斷調(diào)整優(yōu)化航線。此前,在海上和極地地區(qū)航行,主要利用通信衛(wèi)星接收地面系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,不但成本高,而且實效性不強,難以滿足應(yīng)用需要。在雪龍?zhí)柹辖ㄔ齑笮瓦b感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)(7.3 m天線),可以實時接收過境衛(wèi)星下傳的X頻段高分辨率遙感影像數(shù)據(jù),實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速落地和應(yīng)用,為極地考察提供服務(wù)。其次,雪龍?zhí)柡叫幸?jīng)過西風(fēng)帶,船行過程接收衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)不但需要克服船行影響,還需要克服左右20°的搖擺。因此船載接收系統(tǒng)建設(shè)需要在天線質(zhì)量大、響應(yīng)慢、環(huán)境惡劣、X頻段跟蹤指向精度要求苛刻條件下,解決對衛(wèi)星穩(wěn)定捕獲跟蹤的難題。

本文介紹的設(shè)計方法主要是利用天線座架靈活性設(shè)計和隔離船搖的天線伺服控制設(shè)計方法解決上述難題,該方法在雪龍?zhí)柦ㄔO(shè)中得到了應(yīng)用和驗證,提升了我國在大型船載遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)建設(shè)的能力。

1 使用環(huán)境要求

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)船載接收系統(tǒng)需要X頻段低軌遙感衛(wèi)星(軌道高度300～1500 km)具有全半球自動跟蹤能力,保證過頂跟蹤不丟失目標(biāo)。在海洋特殊環(huán)境下,船載接收系統(tǒng)須滿足如下使用要求。

(1)搖擺適應(yīng)性。正常航行時,船搖±5°;西風(fēng)帶區(qū)域航行時,船搖(－22～－20)°或(＋20～＋22)°;船搖周期17～18 s。

(2)抗風(fēng)。穩(wěn)態(tài)7級(17 m/s)、瞬態(tài)8級(22 m/s),設(shè)備應(yīng)能正常工作;惡劣海況下,即風(fēng)速12級(≥32 m/s),設(shè)備應(yīng)固定不受損壞。

2 船載衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)接收天線跟蹤精確度改進(jìn)方法

在海洋環(huán)境下進(jìn)行衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收任務(wù)時,船搖對天線指向精度及跟蹤精度影響很大[2]。由于海浪的影響,船載天線在跟蹤和對準(zhǔn)目標(biāo)時,船體的搖擺使得天線座的姿態(tài)發(fā)生變化,導(dǎo)致天線無法實時對準(zhǔn)目標(biāo),影響天線的跟蹤及指向精度[3]。船行過程中,船搖隔離能力是影響船載數(shù)據(jù)跟蹤接收系統(tǒng)對X頻段低軌衛(wèi)星全空域、無盲區(qū)跟蹤和船搖過程中可視區(qū)域內(nèi)的高精度指向跟蹤的主要因素。船搖隔離設(shè)計就是克服船姿擾動對天線跟蹤的影響,使天線可以準(zhǔn)確指向目標(biāo)位置,從而達(dá)到高精度、高速度跟蹤目標(biāo)的目的[4]。

本文的設(shè)計方法是選擇高機動性能力天線,利用控制回路對天線進(jìn)行控制,提升船載天線跟蹤系統(tǒng)的船搖隔離能力,從而提高船載跟蹤接收天線對X頻段遙感衛(wèi)星跟蹤的精確度。

2.1 天線靈活性設(shè)計

在船搖情況下跟蹤快速運動目標(biāo)要求船載天線具有高靈活性,天線座架結(jié)構(gòu)是影響天線跟蹤衛(wèi)星靈活性的主要因素,必須能夠有效地隔離船搖。要實現(xiàn)船載全空域無盲區(qū)跟蹤,還要滿足船平臺對尺寸、質(zhì)量、環(huán)境適應(yīng)性的要求。對目前常用的6種天線座架形式,以7.3 m口徑天線為例進(jìn)行比較(見表1)。

表1 不同類型天線座架對比Table 1 Comparison of different types of antenna mount

續(xù) 表

根據(jù)表1的比較結(jié)果可知,AZ-EL型天線座架不具備過頂跟蹤能力,特別是在船搖情況下,由于復(fù)雜的海況使天頂跟蹤具有不確定性。只能選取AZ-EL＋C型座架。從結(jié)構(gòu)上考慮,AZ-EL＋C型在結(jié)構(gòu)上要復(fù)雜一些,要比X-Y形式多一套轉(zhuǎn)動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)及軸角輸出。從性能上考慮,X-Y型座架跟蹤盲區(qū)在X軸軸向兩頭方向上,不適應(yīng)船載情況,結(jié)構(gòu)也不如A-E座架緊湊。

綜合分析,AZ-EL＋C型座架能夠適應(yīng)船載站對低軌目標(biāo)的連續(xù)過頂跟蹤要求,同時也能適應(yīng)同步衛(wèi)星的跟蹤要求。針對AZ-EL＋C型座架,在最極端情況(衛(wèi)星正過頂)下,伺服指標(biāo)估算統(tǒng)一按目標(biāo)軌道高度300 km,船搖橫搖按±22°,船搖橫搖周期為17s伺服,采樣率為40 Hz計算。將船搖按照正弦曲線進(jìn)行模擬,位置-速度-加速度變化曲線見圖1。

圖1 船搖條件下的速度、加速度仿真曲線Fig.1 Velocity acceleration simulation curve under vessel shook

根據(jù)圖1可知:橫搖最大速度為8.117(°)/s,加速度為3(°)/s2。取目標(biāo)軌道高度h＝300 km,目標(biāo)的線速度為

式中:μ為地球引力常數(shù),μ＝3.986005×1014m3/s2;Re為地球半徑,Re＝6 378.140 km。

正過頂?shù)那闆r下,直接將線速度轉(zhuǎn)換為俯仰或交叉C軸的角速度為

加速度很小,可按1(°)/s2確定。

根據(jù)上述計算結(jié)果,選取的AZ-EL＋C型天線座架的動態(tài)性能見表2,完全能夠滿足低軌衛(wèi)星的跟蹤需求。

表2 選擇天線產(chǎn)品伺服的機動性能指標(biāo)Table 2 Maneuverability indicator of the antenna servo

2.2 船搖隔離設(shè)計方法

目前,常采用陀螺穩(wěn)定和前饋穩(wěn)定兩種策略隔離船搖對天線伺服系統(tǒng)的影響[5]。通過敏感由船搖所產(chǎn)生的俯仰角速度及橫傾角速度,利用穩(wěn)定回路設(shè)計使天線產(chǎn)生一個與船搖相反方向的運動,保持天線在空間的指向不變[6-7]。

本文采用的是使用陀螺穩(wěn)定隔離船搖、船搖前饋補償和自跟蹤控制等多種技術(shù)手段控制天線穩(wěn)定指向的方法。通過將兩個正交速率陀螺安裝在天線俯仰叉臂上,分別平行于俯仰軸和橫傾軸,敏感由船搖所產(chǎn)生的俯仰角速度及橫傾角速度,將這些信息負(fù)反饋到回路中,實現(xiàn)速率陀螺穩(wěn)定控制,以克服船體搖擺對跟蹤的影響。利用船上的光纖陀螺羅經(jīng)測量出船體的3個轉(zhuǎn)動自由度的轉(zhuǎn)角等船姿信息,經(jīng)坐標(biāo)變換計算出在船搖下的天線甲板坐標(biāo)系的控制角度。這些信息經(jīng)計算機處理后提前計算出甲板方位、俯仰軸的船搖角速度,實現(xiàn)對船搖的前饋控制。其中陀螺穩(wěn)定環(huán)和自跟蹤環(huán)的信號處理基于偏差控制,并采用頻率域的方法進(jìn)行設(shè)計校正。陀螺穩(wěn)定環(huán)、自跟蹤環(huán)設(shè)計為典型的2階系統(tǒng),在計算機內(nèi)完成校正運算后對大小信號的模型變化,及調(diào)節(jié)器的積分項進(jìn)行補償。為了減小動態(tài)滯后誤差、提高船搖隔離度指標(biāo),設(shè)計的陀螺穩(wěn)定環(huán)、自跟蹤環(huán)具有較高的開環(huán)放大倍數(shù)和較快的動態(tài)響應(yīng)能力。環(huán)路帶寬做得寬,開環(huán)增益做得高,就能獲得較高的船搖隔離度。采用這種隔離船搖的方法,船搖隔離度是陀螺環(huán)隔離度和跟蹤位置環(huán)隔離度兩項之和,因而比單純的位置環(huán)隔離度要高。此方法適合于要求跟蹤速度快、船搖隔離度高的場合。

船遙隔離度用來衡量回路對于船搖擾動抑制的程度,即沒有船搖穩(wěn)定措施時天線的搖擺角度與有船搖穩(wěn)定措施時天線剩余搖擺角度之比值,度量隔離度用分貝(d B)表示[8]。本方法環(huán)路隔離船搖穩(wěn)定結(jié)構(gòu)如圖2所示[9]。

圖2 環(huán)路隔離船搖穩(wěn)定結(jié)構(gòu)方框圖Fig.2 Structural diagram of vessel stability

對船搖速度擾動量f產(chǎn)生的誤差傳遞函數(shù)可以表示為

式中:D(S)為速率陀螺開環(huán)傳遞函數(shù),D(S)＝B(S)－C(S);E(S)為自跟蹤位置環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)

根據(jù)船搖隔離度定義,可以推導(dǎo)出系統(tǒng)總隔離度為

式中:L1為陀螺環(huán)船搖隔離度,L1＝－20lg[1＋D(S)];L2為位置跟蹤環(huán)船搖隔離度,L2＝－20lg[1＋E(S)]。

當(dāng)船搖為低頻擾動時,船搖隔離度主要與船搖頻率點處的陀螺開環(huán)增益、位置跟蹤環(huán)開環(huán)增益有關(guān),船搖周期為17 s,頻率為0.52 rad/s,根據(jù)前面環(huán)路設(shè)計參數(shù),計算可得:L1＞20 dB,L2＞20 dB。

根據(jù)工程經(jīng)驗,采用船搖速度前饋技術(shù),船搖隔離度(L3船搖速度前饋隔離度)可增加8 dB以上,本方案系統(tǒng)船搖隔離度可以達(dá)到:

3 工程應(yīng)用

3.1 天線控制設(shè)計

船載天線伺服系統(tǒng)以AZ-EL＋C軸座架為控制對象,每軸均可選擇設(shè)置位置環(huán)、陀螺環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán),完成對角位置的閉環(huán)控制。通過船上的光纖陀螺羅經(jīng)測量出船體的3個轉(zhuǎn)動自由度的轉(zhuǎn)角等船姿信息,經(jīng)坐標(biāo)變換計算出在船搖下的天線甲板坐標(biāo)系的控制角度,以實現(xiàn)對同步衛(wèi)星以及低軌遙感衛(wèi)星目標(biāo)全空域的可靠捕獲及穩(wěn)定跟蹤。同時光纖陀螺羅經(jīng)提供的船姿信息,伺服系統(tǒng)編碼器能實時提供目標(biāo)在甲板坐標(biāo)系中的位置,這些信息經(jīng)計算機處理后可提前計算出甲板方位、俯仰軸的船搖角速度,實現(xiàn)對船搖的前饋控制,提高船搖隔離度。

3.2 天線捕獲跟蹤控制流程設(shè)計

天線控制的根本目的就是實現(xiàn)對目標(biāo)的快速捕獲及精確跟蹤,并使之達(dá)到系統(tǒng)要求的跟蹤性能和跟蹤精度。采取合適的控制模式抑制擾動使天線快速、穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)是系統(tǒng)抗擾動設(shè)計的核心[7]。本方法采用復(fù)合控制技術(shù)等,實現(xiàn)大范圍調(diào)轉(zhuǎn)天線、快速展開與捕獲目標(biāo)和高精確跟蹤等功能的控制策略。天線自動跟蹤功能采用“俯仰與交叉C軸跟蹤＋方位隨動”的跟蹤模式,能夠適應(yīng)各種復(fù)雜情況下的衛(wèi)星跟蹤,如隔離船搖、衛(wèi)星過頂跟蹤、低仰角跟蹤等。具體控制流程如下(見圖3):

(1)系統(tǒng)管理計算機根據(jù)衛(wèi)星軌道根數(shù)和實時接收船用慣導(dǎo)設(shè)備送來的船姿船位信息,實時計算天線對過境衛(wèi)星的軌道預(yù)報數(shù)據(jù)(大地系方位、俯仰引導(dǎo)角度),送天線控制單元。

(2)天線控制單元根據(jù)過境衛(wèi)星的實時軌道預(yù)報數(shù)據(jù)、實時船姿船位信息,經(jīng)坐標(biāo)變化后,將大地系引導(dǎo)角度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為甲板測量系角度數(shù)據(jù)(方位角、俯仰角),控制天線3個軸轉(zhuǎn)動到甲板座標(biāo)系的預(yù)置等待點。

(3)目標(biāo)出現(xiàn)后,當(dāng)滿足捕獲門限條件時,實現(xiàn)對衛(wèi)星目標(biāo)的自動捕獲。目標(biāo)捕獲后,轉(zhuǎn)入俯仰與交叉C軸自動跟蹤模式,對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)跟蹤。

(4)在天線對目標(biāo)的連續(xù)跟蹤過程中,天線軸角偏碼設(shè)備對天線軸的轉(zhuǎn)角實時編碼、顯示、處理并送至系統(tǒng)管理計算機,以完成對測量數(shù)據(jù)的處理。

圖3 天線捕獲跟蹤信息流Fig.3 Antenna captures the tracking information flow diagram

3.3 應(yīng)用情況

本文的設(shè)計已在雪龍?zhí)柎d衛(wèi)星遙感接收處理系統(tǒng)得到應(yīng)用,該系統(tǒng)是我國建設(shè)的首個大型船載遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。雪龍?zhí)柎d衛(wèi)星遙感接收處理系統(tǒng)伺服船搖擾動隔離度達(dá)到48 dB。經(jīng)測試在船搖(－22～－20)°或(＋20～＋22)°,船搖周期17～18 s條件下,天線指向誤差≤0.1°,伺服指向誤差≤0.05°(見圖4)。

圖4 雪龍?zhí)柎d衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)實物圖Fig.4 Picture of the shipboard remote sensing data reception system of XUELONG

2015年該系統(tǒng)開始運行,至今已隨雪龍船參加了第32、33次南極考察,第7、8次北極考察。該系統(tǒng)在瞬息萬變、環(huán)境惡劣的極地大洋中提供了最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),結(jié)合航行動態(tài)系統(tǒng),等于為雪龍船量身定做了一套活地圖[10]。在此期間,系統(tǒng)獲取的實時遙感數(shù)據(jù),為“雪龍”船在冰區(qū)航行提供實時云圖和冰情信息,助力“雪龍?zhí)枴笨瓶即晒哪蠘O浮冰圍困中突圍,確保了極地科考任務(wù)按計劃順利完成。通過雪龍船試航和南極考察對船載接收系統(tǒng)效果進(jìn)行了驗證,充分證明了船載接收系統(tǒng)設(shè)計的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)束語

本文提出的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的精準(zhǔn)跟蹤設(shè)計方法,面向艦船特殊需求,采用了AZ-EL＋C軸優(yōu)化設(shè)計的座架,伺服控制采用陀螺穩(wěn)定隔離船搖、船搖前饋補償隔離船搖和自跟蹤隔離船搖等多種手段,使系統(tǒng)船搖隔離度達(dá)45 dB以上,天線指向誤差≤0.1°。經(jīng)過工程驗證,該設(shè)計方法可以實現(xiàn)對X頻段低軌衛(wèi)星全空域無盲區(qū)跟蹤和船搖過程中可視區(qū)域內(nèi)的高精度穩(wěn)定指向跟蹤。本文的設(shè)計方案同樣適用于機載、車載等其他移動設(shè)備裝載的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)跟蹤接收系統(tǒng),具有良好的工程實用價值和較大應(yīng)用前景。