车载低轨卫星测量站跟踪关键技术研究

随着航天技术的发展和应用,各国纷纷对空间目标监视网络进行建设。车载光电测量站部署灵活,是对地基监视网络的有效补充。本文以车载低轨卫星测量站的研制工作为背景,主要对车载光电跟踪设备中的跟踪关键技术进行研究。利用改进差分进化算法获得了准确的跟踪转台传递函数模型;设计了三轴转台的角速度偏差最小控制方法;提出了基于测量方程的三轴跟踪转台静态指向修正方法;并通过搭建三轴跟踪转台伺服控制系统,对上述研究进行了实验验证。

论文主要完成的工作包括:1.对车载低轨卫星测量站的组成进行概述,介绍其工作流程和工作原理。通过分析指出跟踪转台的跟踪精度和跟踪转台的指向精度都决定了测量站的性能。并对跟踪转台的传递函数辨识方法、三轴跟踪转台的控制方法和三轴跟踪转台的静态指向修正方法进行分析。2.通过加强搜索随机性,和对算法参数进行在线调整,提出了改进差分进化算法。

利用基准测试函数将改进差分进化算法和其他启发式算法进行对比测试,证明该算法具备较快的收敛速度和较强的全局寻优能力。使用改进差分进化算法对实验转台轴系进行系统辨识,获得了准确反映实际系统的传递函数参数模型。3.推导地平式和水平式跟踪转台的指向模型,分析跟踪“盲区”问题出现的原因和影响。对三轴跟踪转台的运动模型进行研究,指出三轴转台无法将指向偏差确定地分解到三个轴系中。

为充分利用三轴跟踪转台的特性,提出了一种以三轴角速度偏差最小为指标的控制方法,使用改进差分进化方法和Moor-Penrose广义逆矩阵方法分别进行实现,并通过仿真试验将地平式方法、水平式方法和三轴角速度偏差最小控制方法进行对比,证明三轴角速度偏差最小控制方法可以将指向偏差均匀分配到各个轴系,有效解决了两轴式控制方法中的跟踪“盲区”问题,并可以降低对跟踪转台结构刚度、电机力矩和伺服控制带宽的要求。4.对三轴跟踪转台测量中的多个误差源进行分析,将车载低轨卫星测量站的授时误差、定位误差和定向误差纳入方位轴倾斜和方位轴零位差进行考虑,减少了误差源个数。设计了基于球谐函数的三轴跟踪转台静态指向修正方法。通过推导三轴转台测量方程,提出了基于测量方程的静态指向修正方法。

对两种方法进行了实验验证和比较,认为基于测量方程的三轴转台静态指向

修正方法具有明确物理意义,方便添加测试数据,更适合应用于车载低轨卫星测量站。5.搭建三轴跟踪转台伺服控制系统。以方位轴为例使用改进差分进化算法对传递函数进行辨识,辨识结果可以准确地描述实际系统,为伺服控制器设计提供基础。在伺服控制器中使用三轴角速度偏差最小跟踪方法进行实时计算,分别以旋转靶标和过顶目标对跟踪转台进行引导,获得了相对于地平式方法更高的跟踪精度。

针对车载低轨卫星测量站的实际应用,提出了基于测量方程的静态指向修正简化算法,只对方位轴倾斜和零位差进行计算,缩短车载低轨卫星测量站进行部署后计算指向修正参数的时间。