ATP系统模型简介

航天器平台是一个运动平台，影响运动平台捕获、跟踪、瞄准（ATP）的因素较多，ATP 系统的设计需要对整个工作过程进行较为系统和全面的研究，而系统不同部分之间的协调控制对系统性能影响很大，所以需要对系统的整体工作过程进行系统研究，而仿真建模是进行系统化研究的有效途径［8］。

根据航天器运动平台捕获、跟踪、瞄准系统的系统组成和工作过程，对三个主要过程及误差模型进行简要介绍［8］。

1.目标捕获模型

航天器平台捕获、跟踪、瞄准空间碎片的第一步就是要实现对空间碎片的目标捕获。由于地面或星上探测系统对空间碎片的预报精度有限，所以需要对空间碎片所在不确定区域进行扫描，以完成对空间碎片的捕获。另外，由于航天器运动平台与空间碎片之间存在相对运动、平台振动和外界环境的干扰等，而且捕获是在开环的情况下进行的，所以需要实现快速、准确的捕获难度很大。

影响空间碎片目标捕获的因素有很多，在建立目标捕获模型时主要应考虑以下因素：不确定区的大小，初始指向误差和期望的指向误差，扫描方式的选择，捕获概率，捕获时间，捕获探测器灵敏度，位置信息和相对运动，捕获的功率要求，平台振动和环境噪声，光束束宽及波长，等等［8-9］。

设某一时刻航天器运动平台和空间碎片目标的位置矢量分别为r1、r2，光束瞄准矢量可表示为

扫描捕获过程中主要考虑光束的方向，对光束方向的控制通常都在运动平台坐标系中研究。设i， j， k 表示运动平台坐标系在三个方向上的单位矢量，则瞄准矢量和运动平台与目标的相对运动速度矢量在运动平台坐标系中可表示为

由式（12-2），运动平台上的天线指向在俯仰和方位两个方向上的分量分别为

其中θE 是俯仰角，θA 是方位角。天线扫描捕获系统在俯仰和方位两个方向对光束进行控制来实现光束对目标的捕获。

由式（12-3），运动平台天线的指向变化的角速度为

对目标的捕获概率可用式（12-8）来表示：

式中：P1 为不确定区对目标的覆盖概率；P2 为信标覆盖不确定区的概率；P3为捕获探测器探测概率。

对目标出现的不确定区的总扫描时间为

式中：t1 为CCD （电荷耦合元件）探测信标光信号的时间；t2 为信标光定位处理时间；t3 为执行扫描动作所需的时间。

2.目标跟踪模型

对空间碎片目标跟踪的实现是通过跟踪探测器得到视轴偏差，跟踪控制器根据偏差控制跟踪执行机构，使视轴误差在要求的精度范围内。在对跟踪系统建模与设计时主要应考虑以下因素：跟踪视场大小，跟踪角度范围，跟踪控制精度，跟踪时间，跟踪探测器灵敏度，相对运动，平台振动频谱特性，跟踪功率要求，捕获和跟踪之间的平衡切换，等等［8，10］。(www.xing528.com)

由于捕获、跟踪与瞄准系统安装于航天器运动平台上，平台的运动及抖动将导致系统视轴存在高频的抖动，而跟踪精度要求又很高，所以跟踪系统与一般导弹、火炮等的跟踪系统有很大差别，必须根据新的跟踪体制研究建立合理的跟踪模型［8，10］。

目前，对精度要求较高的跟踪系统多采用复合轴控制结构，即在大惯量跟踪架的主光路中插入一个高低、方位均可微动的高谐振频率快速倾斜镜，如图12-4 所示。跟踪主系统工作范围大，带宽较窄，精度较低；跟踪子系统工作范围较小，但频率宽，响应快，精度高。两个系统的作用是相加的，所以可以实现大范围的快速高精度跟踪。复合轴控制结构如图12-4 所示。

跟踪主系统承载平台采用两轴常平架与力矩电机固定连接，能够实现方位和俯仰两个方向上的转动。主系统的数学模型为

式中：˙、分别为天线转动的角速度和角加速度；K 为PWM 功率放大器的放大系数；R 为电枢电阻；Km 为电机力矩系数；Ke 为电压反馈系数；J 为框架的转动惯量；d 为系统所受到的干扰。

跟踪子系统主要包括一个两轴快速反射镜，一个跟踪传感器，一套执行机构（压电陶瓷或音圈电机）和位置传感器。其中，快速反射镜采用压电陶瓷驱动，偏转角和力矩之间的传递函数为

图12-4　复合轴控制结构

式中：J 为倾斜镜的转动惯量；K 为驱动器与弹簧的合成刚度；R 为等效阻尼系数；L 为驱动器作用点到转轴的距离；m 为音圈的质量。

3.目标瞄准模型

航天器运动平台捕获、跟踪、瞄准系统中的瞄准技术一般情况都是指超前瞄准技术。由于电子束在运动平台和空间碎片目标之间进行传输需要一定的时间，在这段时间内，运动平台和空间碎片目标都将移动一定的距离，所以，需要根据运动平台和空间碎片目标的轨道信息以及电子束传播延时等信息，研究建立目标的瞄准过程模型，从而补偿由于平台和目标之间的相对运动以及电子束有限传播速度引起的时延影响，使出射电子束相对于空间碎片目标超前偏转一定角度。在对瞄准系统建模与设计时主要应考虑如下因素：平台和空间碎片目标之间的距离，相对运动速度，超前瞄准精度，超前瞄准探测器灵敏度，超前瞄准角度的校准［8，10］。

设电子束速度为c，则电子束往返的传输延时时间为

设运动平台系统的信号处理延迟时间和其他因素的影响时间共为t2，则总的时间延迟为

则在运动平台坐标系中俯仰和方位上的超前瞄准角分别为

4.ATP 系统误差

在实际的运动平台捕获、跟踪、瞄准系统中有许多不确定因素和随机干扰，对系统影响很大，需要建立相应的误差模型来模拟这些实际干扰的影响，以便对实际系统的研制提供有效的参考价值。表12-1 给出了建模中考虑的主要误差［8］。

表12-1　误差模型