卫星轨道跟踪系统的设计

【22】 第39卷 第11期

2017-11

收稿日期：2017-06-21

基金项目：中科院战略性先导科技专项基金（XDA04077402）

作者简介：万敏辉（1993 -），男，江西南昌人，硕士研究生，研究方向为天文仪器的自动控制技术。

卫星轨道跟踪系统的设计

Designed of satellite orbit tracing systerm

万敏辉1,2，朱庆生1，薛华建3

WAN Min-hui 1,2, ZHU Qing-sheng 1, XUE Hua-jian 3

（1.中科院南京天文仪器研制中心，南京 210042；2.中国科学院大学，北京 100039；

3.中科院南京天文仪器有限公司，南京 210042）

摘 要：准确利用激光测量目标卫星距离的关键在于提高望远镜跟踪目标卫星的准确度。本系统采用多

项式系数求解法与前馈补偿的PID控制算法相结合的卫星轨道跟踪方法构造位置环控制器。针对“中国科学院测量与地球物理研究所1米人卫激光测距望远镜”，进行卫星跟踪实验，结果表明：7阶多项式插值能够准确地获取卫星实时坐标，插值精度在0.1''；前馈补偿的PID控制算法能够保证望远镜快速有效地跟踪目标卫星，跟踪精度优于2''。

关键词：卫星跟踪；望远镜控制；复杂PID控制

中图分类号：TH751 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2017)11-0022-050 引言

人卫激光测距系统的主要任务是精确测量激光脉冲

的往返时间，其原理是望远镜上的激光发射机发出激光

脉冲到达卫星，然后由卫星上的激光反射器反射回到接

收机/探测器，根据发送接收的时间差计算得到卫星距

地面的距离。因此望远镜能否准确跟踪卫星直接影响接

收机/探测器的接收，从而影响激光测距的准确性。

目前，望远镜控制方法和控制策略一般采用位置

PID 控制算法[1,2]，或者根据位置误差范围发送设置的不

同等级的恒动速度的控制方法[3]。这些控制方法一般用

于跟踪恒星，对于不同高度下、速度变化快的卫星目

标，达不到高精度的跟踪要求。为了准确地、高精度地

跟踪卫星，本文提出了一种多项式拟合插值与前馈补偿

的PID 控制算法相结合的卫星轨道跟踪方法方法，其跟

踪稳定性、高效性在项目——“中国科学院测量与地球

物理研究所1米人卫激光测距望远镜”中得以验证。1 卫星轨道跟踪系统设计

1.1 望远镜闭环检测系统

在项目“1米人卫激光测距望远镜”中，望远镜采

用Copley 驱动器控制直流伺服电机驱动的方案。赤经赤

纬的位置采集装置为RENESHAW 光栅编码器，采集到

的位置信息分别反馈给赤经赤纬的Copley 驱动器和主控

计算机。

Copley 驱动器内嵌电流环与速度环。电流环完全在

驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流环PID 控制器，进行调节达到输出电流尽量等于设定电流。速度环中，编码器反馈的值经过差分运算得到直流电机的速度，速度引导值与直流电机反馈的速度值之差作为速度控制器的输入，环内PID 输出直接就是电流环的设定。上位机负责望远镜的坐标计算和位置检测，然后向驱动器发送速度控制命令，构成位置环，环内的PID 输出直接就是速度环的设定，形成三环控制的卫星轨道跟踪系统。望远镜的闭环检测系统如图1

所示。

图1 望远镜的闭环检测系统万方数据