空间ATP系统应用简析

ATP 系统在空间中的应用非常普遍，它对测量、激光通信等系统至关重要。光电跟踪系统是一种典型的ATP 系统，它以高于微波频率的光波为信息的载体，具有极高的时域、空域、频域分辨率，以及很强的抗电磁干扰能力，在空间激光通信中应用广泛。这里，从对空间非合作目标的快速捕获跟踪出发，简析光电ATP 技术在空间的应用技术［11］。

1.总体设计考虑

在空间环境下，航天器平台整体不仅受地球引力作用而绕地球运动，同时运行轨迹还会受到其他摄动力影响，可用6 个根轨道数描述；而且航天器自身还可绕内部轴系转动，同时航天器内部一些器件运动会引起平台振动，可用3个姿态角描述，固连在航天器平台上的跟踪架还可绕自身轴系转动，视轴与内轴系重合，并嵌套于外轴系，可用2 个角度脱靶量和2 个轴系转动角度描述。在整个星载ATP 控制过程中，不仅航天器可做调姿变轨运动，而且跟踪架自身也可实时转动，这其中每个环节的变化都会影响到光学视轴的指向。因此，航天器变轨调姿和跟踪架转动均可调整光学视轴指向，采取单一方式，或两者、三者配合方式，在某些条件下均可能实现ATP 能力［11］。

在选择ATP 的实现方式上，需要从不同角度进行考虑。从系统自由度分析角度看，可控自由度越多，工作能力范围越大，但系统控制难度越大，成本越高。因此，从功耗和控制难易程度讲，变轨、调姿和跟踪架轴系调角逐渐容易实现，实际中应该考虑跟踪架调角、航天器调姿、航天器变轨的优先顺序，当跟踪架转角进行快速捕获和稳定跟踪过程中由于机械结构受限时，需要航天器调姿配合，当星载光学系统作用距离受限时，需要航天器变轨配合。

对不同阶段性能要求不同，控制系统有所不同，而且不同阶段之间过渡时，也存在一个切换过程，因此星载ATP 控制系统方案是一种多模控制方案。另外，要成功实现星载ATP 功能，需要解算测量信息，获得视轴指向与目标视线相对夹角，以便指挥控制系统结合星载平台实际情况判断采用何种方式（如判断是否需要卫星变轨和调姿等）实现星载ATP 能力［11］。

快速捕获、跟踪、瞄准，同样还需要有高效能的信息处理及控制系统。要实现快速捕获，需要设计具有高动态性能（调节时间小、超调量低）的控制系统，如最小节拍组合控制、最小拍纹波控制、时间最优控制等；而要实现高精度跟踪瞄准，需要设计具有高稳态性能（跟踪误差小）的控制系统，无论采用何种经典控制方案，如基于信息融合的共轴跟踪控制、基于惯性陀螺方式的前馈式星载平台扰动抑制控制、基于复合轴方式的高精度视轴跟踪瞄准控制等，两轴跟踪架基本上采用电流、速度、位置三闭环高精度控制系统。其中轴系角度传感器可采用高分辨率编码器，电视传感器可采用可见、红外探测器，陀螺可采用光纤陀螺，电流探测器可采用霍尔电流元件，驱动电机可采用无刷直流电机，等等［11］。

2.快速捕获目标

快速捕获是尽可能快地获得目标的大致方位，并且锁定目标区域，通常有以下两种捕获方式。

信息引导捕获：对于合作目标，可利用雷达探测或卫星导航定位系统获得的目标信息；对于非合作目标，同样可通过雷达探测或其他天、地测控组合方式获得的目标信息，将所获信息通过坐标变换解算为相对视轴指向方位的数字引导信息，使得跟踪架将目标快速捕获至视场内，以启动电视自主闭环跟踪过程。从控制学角度理解，快速捕获本质上是一个阶跃响应过程，可用调节时间和超调量等动态性能指标来衡量［11-12］。

自主扫描搜索：若不利用其他测控设备获得的数引信息，按照预先设计的控制规律进行，如矩形、螺旋、矩形螺旋等扫描方式，使电视视轴进行自主扫描搜索，一旦目标进入视场，就将启动电视自主跟踪过程。自主开环扫描搜索常用在激光通信的初始捕获过程中［11，12］。

3.稳定跟踪目标

稳定跟踪是实现目标瞄准的基础，其通常受到平台抖动、目标机动等因素的影响。通过上述天基监视中运动特性分析，可将摄动和振动导致的卫星姿态变化量作为扰动信息。一般而言，扰动幅度越大，扰动频率越低。对低幅高频信号，可采用平台被动隔振技术；对高幅低中频信号，可采用主动稳定跟踪控制技术。若是在所设计的伺服跟踪控制系统带宽范围内，可在星载动基座情况下获得一定的视轴稳定度［11-12］。

1）基于惯性陀螺方式的稳定跟踪控制系统

由于高速旋转陀螺具有保持惯性空间的定轴性、外力矩作用的进动性和动力效应，在车载、舰载、机载、弹载、星载、飞艇等主动稳定跟踪控制系统中获得了广泛应用。这种主动惯性陀螺稳定控制方案根据结构不同主要包括平台式、直接式和捷联式三种方式。

平台式陀螺稳定跟踪控制系统：陀螺位于跟踪架支撑平台，敏感外干扰力矩，可获得跟踪架支撑平台的稳定驱动信号，但这种方式需要比经纬仪外方位轴的控制力矩更大，系统带宽更低，无法对高频信号进行稳定补偿，故此方式不可取。(www.xing528.com)

直接式陀螺稳定跟踪控制系统：陀螺位于跟踪架轴系上，敏感跟踪架方位俯仰轴系信息，可直接获得跟踪架两轴补偿控制信息，目前应用较为普遍。

捷联式陀螺稳定跟踪控制系统：陀螺位于卫星本体或跟踪架平台上，敏感卫星姿态角扰动信息，可间接将陀螺测量信息通过坐标变换解算出相应的跟踪架两轴补偿控制信息，虽然具有体积小、重量轻、功耗小、灵活等优点，但对陀螺和算法处理能力要求较高，目前还不成熟。

从陀螺系统体积质量的角度来讲，无论采用直接式陀螺稳定跟踪系统，还是采用捷联式陀螺稳定跟踪系统，控制元件均为跟踪架轴系，其质量和体积均受光学系统要求限制，且谐振频率也受限于机械结构，因此系统速度环带宽有限，对星载光电跟踪的中高频扰动信号难以抑制，且陀螺存在漂移现象，还需进行标定校准。因此，基于惯性陀螺方式的稳定跟踪控制方案存在一定缺陷。

2）基于光电复合轴方式的稳定跟踪控制系统［11-12］

光电成像是一项成熟的技术，光电监视跟踪系统在空间中也已经有广泛的应用。由于光电成像跟踪过程的本质是系统对目标相对运动的跟踪，因此，星载光电跟踪系统和目标运动特性两个互相独立的过程可通过CCD 成像过程看成相对运动过程，由此可知这种“动中要跟，跟中有扰”的跟踪输入信号，将包括各种特性的输入信号。理论上，只要设计的控制系统性能优良，对于上述的星载光电跟踪模型基本可达到满意的跟踪精度。

如上节所述，目前，基于快反镜、快速精跟踪的复合轴技术在光电跟踪系统中得到了很好的应用。其物理思想为：一级经纬仪主系统对相对运动目标大信号进行大视场粗跟踪；二级快反镜精跟踪系统对主系统粗跟踪残余误差信号进行小视场精跟踪，主系统和子系统均可对俯仰和方位进行跟踪。根据所用探测器数目可分为单探测器和双探测器两种方式，由于前者的主系统和子系统在跟踪视场切换过程中存在图像传感器帧频变化与目标信息丢失的冲突，虽然可通过预测和智能相机控制技术来改善，但是对相机性能和控制算法要求很高，使其应用受限。而后者具有对图像传感器要求较高的限制。

为了满足子系统的高带宽设计，需要高采样频率的精跟踪传感器，子系统带宽越高，采样频率越高，技术难度越大。为此，提出了针对动基座的基于惯性视轴稳定器的复合轴跟踪控制系统方案［13］，并取得了一定试验效果。

4.精确瞄准

与红外电视成像、可见光电视成像相比，激光主动成像技术可实现暗弱背景下目标的高分辨率成像，同时借助于光学系统的激光“猫眼”效应，可增强目标探测概率。另外，利用激光测距获得目标的相对距离信息，并结合跟踪脱靶量获得目标运动的相对角度信息，可获得空间目标的三维运动轨迹，是一种可行的空间目标定轨技术。因此，激光探测将在天基监视中有重要应用。由于激光探测能力受功率、发散角等因素影响，这就要求发射激光具有指向控制精度限制。

若采用复合轴稳定跟踪控制系统方案［4，12］，当快反镜精跟踪精度满足激光发散角要求，则可使发射激光沿快反镜逆向照向目标；若采用跟踪架主系统进行粗跟踪，当目标始终在主系统光学视场内，且跟踪脱靶量满足快反镜控制范围时，通过控制快反镜控制激光光束指向，即使主系统光斑脱靶量与目标脱靶量差值尽可能小，以满足此时光束指向相对目标视线夹角，或激光光斑跟踪精度满足激光发散角要求。与上述成像复合轴稳定跟踪控制系统相比，此激光指向复合轴稳定跟踪控制系统的探测器问题可得到解决，因为光斑的质心提取比成像精跟踪质心或形心相对较为容易。

5.跟踪精度分析

由于电视成像跟踪具有重要应用，电视跟踪精度是光电跟踪设备的一项重要性能指标。跟踪精度有时用一段过程的统计均方根来评价，有时用最大偏差来评价。对于星载光电跟踪瞄准过程，无论采用陀螺稳定控制系统还是采用复合轴控制系统，两轴大体积、大惯量跟踪架主系统的跟踪精度也是成功实现复合轴控制技术的基础［11-12］。

由于整个星载系统的跟踪精度综合效果可等效于视轴指向与目标视线的相对夹角，即体现为电视脱靶量跟踪精度。但是单一的电视脱靶量在信息上难以反映两轴跟踪架各环节的影响，为了较为全面地分析跟踪精度，其系统主要环节误差可主要分解为目标信号跟踪误差（两轴跟踪误差和平台扰动抑制误差）、传感器采集误差（CCD 特征点提取误差和编码器信号采集误差）、机械轴系误差（视准轴系、内轴系、外轴系机械误差）等。目标跟踪误差与目标运动特性有关，通常对于确定的伺服系统而言，跟踪一定机动目标时，可以达到高精度跟踪，而在跟踪极低速运动目标时，静摩擦现象的存在而使跟踪精度较差，在跟踪高机动目标时，可能超出伺服系统响应能力而难以跟踪。

考虑到空间环境应用，与地面环境相比，虽然整个跟踪架的质量未变，但是由于空间微重力（摄动力）的影响使得轴系接触处的应力分布发生变化，而使得轴系刚度和轴系误差发生变化，空间温度的变化会影响跟踪架材料变形，同样会使得轴系刚度和轴系误差发生变化，因此一般需温控设备，而刚度的变化将影响到谐振频率，进而会影响伺服控制系统的跟踪误差。另外，辐射环境和温度变化对光学材料和电子元件同样会造成一定影响，进而影响到光学成像脱靶量和传感器测量信号及伺服电控系统的性能，除了温控措施外，还需要一定的保护措施。