低轨飞行跟踪控制的算法模型.docVIP

低轨飞行器跟踪控制的算法模型 摘要：低轨飞行跟踪控制有二种模式，已知运行轨迹的运行情况跟踪和随动飞行器跟踪。对已知飞行轨迹的飞行器跟踪，主要是获取飞行器的运行轨迹参数，用以判断飞行轨迹是否偏离原来的设定或者调节地面接收器的跟踪位置以获取传输的数据。随动跟踪的运行轨迹未知，跟踪算法和设备状况有关，控制过程算法要求高。本文就一跟踪系统对已知轨迹的跟踪算法进行了设计，在应用上取得了较好的效果。 关键词：低轨；跟踪；控制；算法 1.引言 一个跟踪控制系统，用于对低空飞行器的飞行轨迹进行跟踪，通过天线的方位变化，使跟踪天线的运行轨迹与低空飞行器的飞行轨迹一致。跟踪天线的控制具有一定的惯性而控制信号在处理和传输过程中具有一定的滞后效应，在控制过程中要保证跟踪精度，除了要解决控制信号的提前量，更重要的是要形成一套有效的算法，才能有效的控制跟踪天线，得到符合要求的跟踪效果。 在控制系统中采用交流伺服电机对接收天线进行控制，交流伺服电机的控制是由变频器根据控制主机的输出确定，控制主机的控制信号取决于算法控制的输出。整个控制算法的输入参数来源于伺服电机端的动态数据采集。数据采集系统设置在跟踪天线下的电机控制端，该数据采集系统为动态数据采集，要求能记录起始位置，在停止后能保存当前位置并在下一次启动时给出提示。数据采集源设置在带动跟踪天线的电机转轴上，电机转动带动数据采集系统，数据采集系统对采集到的数据进行预处理，以相应的编码方式传送到中央控制室，经过对数据的分析和处理后，中控室的主机按照算法模型的要求，输出相应的控制信号，该控制信号送至变频器，通过变频器对电机进行控制。整过控制过程的控制精度，是根据跟踪天线接收到的信号增益度，只要跟踪天线接收到的信号符合要求，就可以确定跟踪轨迹是否与飞行器的轨迹一致。 2.控制模型的分析 控制模型的图示如图1所示： 图1. 跟踪天线与卫星运动示意图 低轨飞行器在空间的运行轨迹，可以看最是位置的移动，即： （1） S(t)：飞行器在轨道上的当前时刻t的位置； S（t1）：飞行器在轨道上时刻t1的位置； ΔS：飞行器在t1-t时刻产生的轨道位置变化 低轨飞行器在空间的运动轨迹，其位置变化不是直线型的，运行轨道为一个弧形轨道。对跟踪天线的跟踪而言，可以把空间的一个弧形轨道的投影看作是一个平面，这样就把跟踪天线的控制变成了平面控制。跟踪天线有电机带动，电机只能按照二个方向转动，展开来看就是直线运动。要对应空间的户型轨道进行跟踪，只能用二组电机同时在二个方向的变化进行，把转换为和。由（1）可得： （2） （3） 弧形轨道投影到平面上，转换为和是很容易的，模型如图2所示： 图2.运行轨道投影与控制轨迹示意图 但是这样得到的控制轨迹会呈现锯齿形，对跟踪精度会带来影响。若利用数字积分原理，可以采用插补方式进行处理，只是必须考虑的是低轨飞行器的速度不是恒定的，也就是说轨道的圆弧半径不是常数。采用线性插补方式，可有： （4） 按照这样的模型处理出来的跟踪轨迹，存在二个问题。由4可知为正值，当轨道变化使为负值的时候，需要考虑的符号问题，这可以通过和的符号考虑，在算法处理是分别对和进行判断。另外当和的数据采集间距过大时，使接收信号的增益不稳定而，从而对跟踪精度产生影响。基于这样的考虑，可以增大采样频率和控制频次，对和取半值后再进行考虑。就有： （5） 采用这种算法处理后，跟踪效果得到了一定的改善，但是精度仍不能达到要求，经过分析后，考虑到跟踪过程中的滞后，需要增大跟踪控制量，但是在跟踪控制量增大的同时需要结合驱动设备的特性，不使跟踪天线的惯性打来负面影响。综合考虑后，在跟踪控制算法上进行调整。 对模型而言，设原模型控制方式为： （6） 由图2可知，在控制模式中，对单一方向的电机而言，这是一种线性控制，在X和Y方向上，电机的轨迹实际上是线性的。增加控制量后，要求不能改变电机轨迹的线性变化，但是高次项增加后，相当于增加了控制量的强度。由于变量取值的特点，X和Y变量取出的值一定是小于1的，所以在变量处理后的2次量及多次量一定是大大小于1次量的，累计的结果在不改变方向的前提下，只是增加了控制量的幅度，控制量幅度的增加没有出现突变，而是起到了平稳加强的作用。由图2的模式，增大控制量后的位置变化： （7） （8） 根据这样的控制模式，取得了较好的控制效果。 3.控制模式对控制精度的影响 跟踪控制系统的算法与数据采集有