基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計

方錦鈺，袁紅偉，安學(xué)廣

(中國人民解放軍63618部隊，新疆 庫爾勒 841000)

0 引言

隨著通信質(zhì)量越來越高，為了提供更優(yōu)質(zhì)、快速的通信服務(wù)，通過架設(shè)通信基站、建設(shè)通信系統(tǒng)，解決了部分的移動通信問題。我國地域遼闊，尤其是地理條件相對偏遠(yuǎn)的地區(qū)，通信效果更差，在抗震救災(zāi)中等特殊情況下，僅依靠地面通信系統(tǒng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。衛(wèi)星移動通信的覆蓋能力更廣，通信過程中不會受到外界干擾，應(yīng)用在以上特殊條件的環(huán)境下，衛(wèi)星能夠通過一定的通信方式與地面進(jìn)行連接，將采集、探測到的信息通過傳輸信號發(fā)送到地面通信系統(tǒng)中，進(jìn)行信息交互。在信息交互過程中，為了保證衛(wèi)星通信的穩(wěn)定性，地面通信系統(tǒng)需要獲取衛(wèi)星實時狀態(tài)信息，由于衛(wèi)星種類較多、所在軌道位置不同，其姿態(tài)信息、軌道信息等變化也相對較大，導(dǎo)致衛(wèi)星跟蹤精度較低，為了提升衛(wèi)星跟蹤精度，需要建立衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)來對其進(jìn)行跟蹤控制。

當(dāng)前已有相關(guān)學(xué)者對衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計做出了研究。文獻(xiàn)[3]提出基于參數(shù)化設(shè)計的衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)，對精、粗兩級子系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計，最大限度地利用系統(tǒng)自由度，實現(xiàn)了階躍干擾解耦、抑制了復(fù)雜干擾、從而提高跟蹤控制精準(zhǔn)度，但該系統(tǒng)的運行效率較差；文獻(xiàn)[4]提出基于DSP控制器的衛(wèi)星通信系統(tǒng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)電機(jī)控制原理以及電源電路的設(shè)計，通過DSP控制器消除船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的噪聲信號和誤差，為艦船的通信及定位提供保障。該系統(tǒng)雖然針對硬件優(yōu)化設(shè)計，但系統(tǒng)運行效率差。

文獻(xiàn)[5]提出基于精密衛(wèi)星跟蹤和測距應(yīng)用的衛(wèi)星系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)。為了克服由于系統(tǒng)動力學(xué)和位置相關(guān)設(shè)備變化引起的性能限制，該系統(tǒng)使用直驅(qū)永磁同步電機(jī) (PMSM) 進(jìn)行高精度定位。該系統(tǒng)對于小擾動狀態(tài)的運動控制精度較好，但對于大擾動狀態(tài)的控制精度較差。文獻(xiàn)[6]提出用于人造衛(wèi)星姿態(tài)控制的參數(shù)化模型預(yù)測控制(MPC)。所提出的控制方案的主要特征包括在每個采樣時刻獲得最佳解決方案，尊重結(jié)構(gòu)衛(wèi)星操作約束，確保穩(wěn)定性、跟蹤性能和操作可靠性。該系統(tǒng)運行效率較好，但控制精度有待提升。

為了解決以上問題，本文設(shè)計了基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)。擴(kuò)張狀態(tài)觀測器作為一種不依賴于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的觀測器，由于算法簡單很容易應(yīng)用在實際工程中。

本文首先設(shè)計控制模塊、傳感器模塊、電源模塊與電機(jī)驅(qū)動模塊，組成衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)的硬件。引入擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，計算天線經(jīng)緯度，比較誤差，根據(jù)計算出的衛(wèi)星相對于天線的俯仰角對衛(wèi)星通信信號進(jìn)行跟蹤控制。

1 基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 控制模塊設(shè)計

控制系統(tǒng)的控制模塊主要對衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)、衛(wèi)星姿態(tài)信息等進(jìn)行控制?？刂颇K的核心芯片選用三星公司生產(chǎn)的SXD320F2784，該控制芯片具有較快的數(shù)據(jù)處理速率，可對衛(wèi)星探測的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理,處理主頻最高能達(dá)到200 MHz，最多可存儲258 Mb的衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)，同時，該款控制芯片具有較多外設(shè)，例如：SPI、ADC、UAB等，為了更好的控制系統(tǒng)的傳感器模塊與電機(jī)驅(qū)動模塊，設(shè)置了大量的控制接口。

控制芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制芯片結(jié)構(gòu)

觀察圖2可知，在模塊內(nèi)的時鐘電路內(nèi)，傳輸時鐘信號與衛(wèi)星通信信號，以低功耗的方式通過SPI接口發(fā)送到控制芯片上，經(jīng)過控制芯片的處理后通過存儲器接口發(fā)送到SRAM Flash上進(jìn)行存儲，存儲完成后，衛(wèi)星通信信號與通信數(shù)據(jù)控制完成，可進(jìn)行下一組通信數(shù)據(jù)的控制。

1.2 電源模塊設(shè)計

電源模塊主要負(fù)責(zé)提供電源，確保電路可以穩(wěn)定、正常工作，可將18 V輸入電壓轉(zhuǎn)化為8 V、4.8 V、3.3 V，其中，8 V電壓給系統(tǒng)的傳感器模塊，3.3 V電壓給控制模塊，4.8 V給電機(jī)驅(qū)動模塊。電源模塊的輸入電壓是12 V，需要采用轉(zhuǎn)換芯片將18 V電壓轉(zhuǎn)換成每個模塊所需的電壓。其中8 V電源需要電壓穩(wěn)定，輸出較小的波紋，8 V電源轉(zhuǎn)換芯片選用TD公司生產(chǎn)的TDG3320，電源芯片從固定電壓轉(zhuǎn)換成可調(diào)電壓，輸出的電流更多，其壓差不超過1.8 V，可隨著電流的增大而增大。

電源模塊電路中，4.8 V電源轉(zhuǎn)換芯片選用三星公司生產(chǎn)的LM7362，該款電源芯片是一種三端線性穩(wěn)壓芯片，在應(yīng)用上較為普遍，可輸出較小的波紋，帶載能力較好，可提供最高1 A的輸出電流，具有較高的負(fù)載調(diào)整能力。3.3 V電源轉(zhuǎn)換芯片具有較低的功耗與較低的靜態(tài)電流，不會隨著負(fù)載的增加而發(fā)生變化，可對電路進(jìn)行有效的保護(hù)。通過對電源模塊的設(shè)計，可實現(xiàn)衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)的正常運行。

1.3 傳感器模塊設(shè)計

傳感器模塊包括AHRS軸向傳感器、GPS、信標(biāo)機(jī)。傳感器模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳感器模塊結(jié)構(gòu)

由圖3可知，軸向傳感器可反映衛(wèi)星的姿態(tài)，GPS負(fù)責(zé)進(jìn)行定位，信標(biāo)機(jī)可采集衛(wèi)星信號并測量信號強度，軸向傳感器與GPS中采集的衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)通過串行通信接口進(jìn)行傳輸，在傳感器信號采集電路中增設(shè)了兩個串行通信接口，分別與軸向傳感器與GPS的信號線連接，軸向傳感器與GPS中的衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后，通過采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對數(shù)據(jù)中的衛(wèi)星姿態(tài)信息進(jìn)行擴(kuò)張?zhí)幚恚瑐鞲衅髂K的輸入電壓為8 V，其中信號采集電路的電壓為4.8 V，電平轉(zhuǎn)換電路的電壓為3.2 V，信號采集電路中含有驅(qū)動器與接收器，驅(qū)動器中的邏輯電平將衛(wèi)星姿態(tài)信息轉(zhuǎn)換成傳感器姿態(tài)信號，通過電路中的SDI接口傳輸?shù)浇邮掌髦?，接收器接收到傳感器姿態(tài)信號后，通過EIA-232電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換并輸出。電平轉(zhuǎn)換電路主要將信標(biāo)機(jī)采集的衛(wèi)星信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，AD引腳輸入的電壓為1.2 V，信標(biāo)機(jī)輸出的電壓為1.8 V。

1.4 電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計

電機(jī)驅(qū)動模塊主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星天線的快速對星。電機(jī)驅(qū)動模塊的核心芯片選用SGS公司生產(chǎn)的L845N，具有較高的電壓與電流，工作電壓最高可達(dá)到56 V，電流最高可達(dá)到4 A，瞬時電流可達(dá)6 A，額定功率為12 W，該款驅(qū)動芯片通過邏輯電平對衛(wèi)星天線信號進(jìn)行控制，具有邏輯輸入端與控制使能端，可在低電阻下檢測電壓。

芯片能夠驅(qū)動多個直流電機(jī)，引腳OUT1，OUT2與電機(jī)的輸出端口進(jìn)行連接，INPUT1，INPUT2控制邏輯電平。直流電機(jī)在進(jìn)行衛(wèi)星天線的對星時，將衛(wèi)星天線信號通過引腳OUT1從電機(jī)中輸出，再經(jīng)過ENB使能端的控制，控制完成后經(jīng)過INPUT1輸入到邏輯電平中，再通過驅(qū)動芯片進(jìn)行驅(qū)動，衛(wèi)星天線的對星操作即完成。

2 基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在上述衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計。在擴(kuò)張狀態(tài)觀測器基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上，通過傳感器采集衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)，應(yīng)用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器預(yù)估天線經(jīng)度緯度值，并通過計算得出準(zhǔn)確的經(jīng)度緯度值，進(jìn)一步計算出得出衛(wèi)星相對于天線的俯仰角，對衛(wèi)星通信信號進(jìn)行跟蹤控制。

2.1 擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的理論基礎(chǔ)

干擾觀測的設(shè)計具體如下：

當(dāng)未知的外部干擾

k

能夠滿足以下假設(shè)時：對于系統(tǒng)的未知時變干擾

k

=[

k

,

k

,

k

]，有常數(shù)向量

J

并且滿足干擾觀測：

(1)

其中：

a

為外部干擾參數(shù)集合；

n

為正整數(shù)。

采用干擾觀測器的干擾估計值定義如下：

(2)

其中：

Δ

到

Δ

是指未知的外部干擾

d

與其各階導(dǎo)數(shù)的對應(yīng)估計值。

2.2 基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的衛(wèi)星通信跟蹤控制實現(xiàn)

基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。

圖4 基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)流程

首先，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。將系統(tǒng)中的控制程序、傳感器進(jìn)行初始化，初始化操作后控制程序的時鐘源頻率為30 MHz，將控制程序中芯片的數(shù)據(jù)處理主頻設(shè)置成最大值，即200 MHz，對GPS傳感器中的衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使程序CPU的時鐘頻率達(dá)到180 MHz，并調(diào)整好外設(shè)時鐘的比例。進(jìn)行直流電動機(jī)的停機(jī)初始化。在中斷初始化過程中，需要對衛(wèi)星天線和使能端的中斷服務(wù)程序進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)行全局中斷與實時中斷，使用級聯(lián)模式對衛(wèi)星通信信號進(jìn)行順序采樣，通過AD轉(zhuǎn)換電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

然后，根據(jù)系統(tǒng)初始化結(jié)果對衛(wèi)星天線進(jìn)行初始對星。衛(wèi)星天線初始對星包括衛(wèi)星粗對準(zhǔn)，在進(jìn)行衛(wèi)星粗對準(zhǔn)時，需要確定天線的大概位置，可通過采用擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器計算天線的經(jīng)緯度，從而計算衛(wèi)星相對于天線的角度，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器預(yù)估天線經(jīng)度值的計算公式為：

(3)

其中：

b

是姿態(tài)控制系統(tǒng)中不確定量和外界干擾的符合量，為數(shù)量矩陣。通過天線經(jīng)度估計值得出天線經(jīng)度

D

的計算公式為：

(4)

式中，

γ

表示天線與衛(wèi)星的經(jīng)度差；

α

表示電機(jī)橫滾角；根據(jù)計算出的天線經(jīng)度值，再利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器計算天線的緯度

B

，其計算公式為：

(5)

式中，

φ

表示天線方位角；

v

表示地心與衛(wèi)星的距離；

r

表示擴(kuò)張狀態(tài)觀測器參數(shù)。根據(jù)計算出的天線經(jīng)緯度獲得衛(wèi)星相對于天線的俯仰角

β

為：

(6)

對于衛(wèi)星的俯仰角進(jìn)行計算，對比估計值，如果誤差較大，需要利用直流電機(jī)在方位軸上進(jìn)行驅(qū)動并掃描。

最后，根據(jù)計算出的衛(wèi)星相對于天線的俯仰角對衛(wèi)星通信信號進(jìn)行跟蹤控制。衛(wèi)星相對于天線的俯仰角計算出后，對衛(wèi)星自身的姿態(tài)信息進(jìn)行識別，如果出現(xiàn)信號擾動情況，可根據(jù)GPS中衛(wèi)星所在軌道位置數(shù)據(jù)計算天線的角速度，并得到衛(wèi)星跟蹤信號，根據(jù)衛(wèi)星跟蹤信號的擾動情況驅(qū)動直流電機(jī)，使天線轉(zhuǎn)動，對衛(wèi)星通信信號進(jìn)行實時跟蹤控制。

3 實驗研究

為了驗證本文設(shè)計的基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)的有效性，選用本文提出的通信系統(tǒng)和文獻(xiàn)[3]系統(tǒng))、文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)進(jìn)行實驗對比。實驗以MATLAB軟件作為仿真平臺，在RarePlanes數(shù)據(jù)集中選取500 MB衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)作為實驗對象，進(jìn)行衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)的有效性測試。為保證實驗結(jié)果的有效性，本文分別從大擾動情形和小擾動情形進(jìn)行實驗。

3.1 大擾動情形

在大擾動情形下，選取單位階躍信號進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)，斜坡信號為1，產(chǎn)生的高斯白噪聲方差為1×10，得到的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 大擾動情形下控制精度實驗結(jié)果

根據(jù)圖5可知，本文提出的控制系統(tǒng)對于衛(wèi)星通信的控制精度要高于文獻(xiàn)對比系統(tǒng)。圖7結(jié)果表明，在動態(tài)響應(yīng)過程中，基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)對于角度的控制能力可以達(dá)到10rad級別，文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)的控制能力僅能達(dá)到10rad級別，文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的跟蹤控制精度為10rad級別。在穩(wěn)態(tài)響應(yīng)過程中，基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)對于角度的控制能力可以達(dá)到10rad級別，文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)的控制能力僅能達(dá)到10rad級別，文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的跟蹤控制精度為10rad級別。本文提出的控制系統(tǒng)控制過程十分平穩(wěn)，由此可見，在大擾動情形下，本文提出的控制系統(tǒng)控制精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)對比系統(tǒng)控制精度。

3.2 小擾動情形

在實際工程中，小擾動情形相對較多，相比較于大擾動情形，小擾動情形受到的干擾量更小。選取單位階躍信號進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)，斜坡信號為0.017，產(chǎn)生的高斯白噪聲方差為1×10，得到的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 小擾動情形下控制精度實驗結(jié)果

根據(jù)圖6可知，在小擾動情形下，本文提出的控制系統(tǒng)對于衛(wèi)星通信的控制精度更高，始終高于文獻(xiàn)對比系統(tǒng)，在動態(tài)響應(yīng)過程中，對于角度的控制能力可以達(dá)到10rad級別，在穩(wěn)態(tài)響應(yīng)過程中，對于角度的控制能力可以達(dá)到10rad級別。而文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)在動態(tài)響應(yīng)過程中，對于角度的控制能力為10rad級別，在穩(wěn)態(tài)響應(yīng)過程中，對于角度的控制能力為10rad級別；文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)在動態(tài)響應(yīng)過程中，對于角度的控制能力為10rad級別，在穩(wěn)態(tài)響應(yīng)過程中，對于角度的控制能力為10rad級別。由此可見，在小擾動情形下，本文提出的控制系統(tǒng)控制精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)對比系統(tǒng)控制精度。

上述實驗結(jié)果表明，在衛(wèi)星跟蹤信號處于大擾動情況下時，本文提出的控制系統(tǒng)控制過程平穩(wěn)，動態(tài)響應(yīng)中對角度的控制能力可以達(dá)到10rad，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)過程中對角度的控制能力可以達(dá)到10rad級別；在衛(wèi)星跟蹤信號處于小擾動情況下時，衛(wèi)星跟蹤信號處于大擾動情況下時，本文提出的控制系統(tǒng)控制過程平穩(wěn)，動態(tài)響應(yīng)中對角度的控制能力可以達(dá)到10rad，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)過程中對角度的控制能力可以達(dá)到10rad級別。本文設(shè)計的基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)無論在何種擾動情況下，在動態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)態(tài)響應(yīng)過程中都能保證穩(wěn)定且高精度的跟蹤控制。本文設(shè)計的跟蹤控制系統(tǒng)拋棄了傳統(tǒng)的跟蹤控制系統(tǒng)利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器分析參數(shù)目標(biāo)要求，提高跟蹤控制的精準(zhǔn)性，除此之外，在控制過程，本文設(shè)計的系統(tǒng)還考慮了階躍干擾解耦和控制增益問題，因此控制精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)對比系統(tǒng)精度，更加適合應(yīng)用到實際的衛(wèi)星通信跟蹤控制工作中。

4 結(jié)束語

衛(wèi)星通信對我國偏遠(yuǎn)地區(qū)的信息交互、抗震救災(zāi)中的遙感檢測具有重要意義，但隨著交互信息數(shù)據(jù)流量的增加，傳統(tǒng)的電信號交換跟蹤方式無法完成衛(wèi)星通信跟蹤任務(wù)，因此本文利用擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器設(shè)計了基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的衛(wèi)星通信跟蹤控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)與地面數(shù)據(jù)的交互，提升了數(shù)據(jù)交互的質(zhì)量，實現(xiàn)了衛(wèi)星通信的跟蹤控制，在衛(wèi)星通信領(lǐng)域具有重要作用。

本系統(tǒng)存在的不足之處：衛(wèi)星通信信號在傳輸過程中會出現(xiàn)一定大小的線性擾動，線性擾動會降低信號的阻抗與損耗，信號傳輸會受到抑制，在下一次的研究中將重點對此進(jìn)行研究。