面向星间激光通信的宽窄带复合轴伺服系统高精度动态跟踪与自抗扰控制方法

《Aerospace》：High-Precision Dynamic Tracking and Active Disturbance Rejection Control Method for Wide- and Narrow-Band Composite-Axis Servo System for Inter-Satellite Laser Communication

　　

星间激光通信中的宽窄带复合轴伺服系统在高速星间相对运动与多种强扰动的耦合作用下，面临着平衡高精度动态跟踪与强鲁棒抗干扰性能的关键挑战。为了解决这一问题，研究人员提出了一种融合自适应非奇异终端滑模控制（ANTSMC）与非线性扩展状态观测器（NESO）的复合控制方法。首先，构建了涵盖机电耦合与轴间扰动传递的全链路动力学模型，以准确量化粗跟踪环与精跟踪环的扰动特性。其次，设计了三阶NESO，实现集总扰动的实时高精度估计与前馈补偿。在此基础上，制定了一种自洽的ANTSMC律。在明确给出的观测器残差与趋近阶段假设下，理想连续模型提供了滑模变量与跟踪误差的有限时间收敛。最后，引入了基于误差分频的宽窄带协同策略，以实现大行程粗跟踪与超高精度精跟踪之间的性能互补。数值仿真得出稳态跟踪误差点估计值为0.30 μrad，20 dB扰动抑制带宽为1200 Hz。在半物理动态跟踪测试中，所提控制器将峰值误差限制在1.2 μrad；探测器输出的仅仪器扩展不确定度估计为0.12 μrad（包含因子 k = 2）。在报告的评估点，所提方法优于比例积分微分（PID）控制、传统滑模控制（SMC）和线性自抗扰控制（LADRC）。确定性鲁棒性仿真也表明，在参数摄动、执行器饱和与临时链路遮挡下具有更小的跟踪误差与更短的恢复时间。未主张蒙特卡洛失锁概率。

研究背景与意义
随着天地一体化信息网络的大规模建设，星间激光通信凭借大带宽、高保密性和低功耗等核心优势，成为空间信息传输的核心支撑技术。高精度复合轴指向、捕获和跟踪（PAT）系统是确保星间激光链路稳定建立和持续维护的核心单元，其动态跟踪性能和抗干扰能力直接决定空间激光通信的可靠性与通信质量。现有研究在复合轴PAT系统的架构设计、在轨验证及工程应用方面取得了进展，但仍存在三个主要不足。首先，多数动态模型采用粗精环独立建模，忽略了轴间耦合扰动传递特性的定量表征，降低了控制器设计的模型基础准确性。其次，单一控制方法难以兼顾有限时间收敛、抖振抑制和扰动抑制的要求，传统滑模控制存在严重抖振，线性自抗扰控制对非线性快变扰动估计能力有限。第三，宽窄带环路的协同设计不足，双环带宽与扰动抑制频段的匹配关系不明确，易导致控制频段重叠与扰动抑制盲区。针对上述问题，研究人员开展了一项针对星间激光通信宽窄带复合轴伺服系统高精度动态跟踪与自抗扰控制方法的研究，提出了一种结合NESO与ANTSMC的复合控制方法。该研究得出结论，所提方法在静态场景下实现了0.3 μrad的稳态跟踪精度，在动态跟踪场景下误差控制在1.2 μrad内，扰动抑制带宽提升至1200 Hz，并在极端场景下表现出强鲁棒性。该研究为星间激光通信系统的高可靠性跟踪控制提供了高效可行的技术路径，可直接适用于低轨卫星星座和深空探测等空间激光通信场景。该论文发表在《Aerospace》期刊上。

关键技术方法
研究人员构建了涵盖机电耦合与轴间扰动传递的全链路动力学模型，将光学像平面位移与机械耦合转矩物理分离。在控制方法上，设计了三阶非线性扩展状态观测器（NESO）实时估计集总加速度扰动并进行前馈补偿，提出了自适应非奇异终端滑模控制（ANTSMC）律以实现有限时间收敛，并在NESO残差与趋近相持续性条件下证明了理想连续模型的稳定性。同时，基于误差分频分配指令，设计了宽窄带协同控制策略。在验证方面，采用了基于Zynq UltraScale+平台的半物理实验平台，注入了来源于低轨卫星在轨测量的微振动数据作为扰动源，并利用六自由度微振动台重现平台扰动记录。

研究结果
数值仿真与算法验证
通过测试关键参数变化对系统稳态跟踪误差和扰动抑制性能的影响，确定滑动面增益系数β=2时稳态误差最小为0.3 μrad，观测器带宽2000 rad/s为最优值。通过控制器模块消融研究，得出加入NESO后稳态误差降至0.5 μrad，加入宽窄带协同策略后进一步降至0.3 μrad，验证了各功能模块的有效性。通过稳态与动态性能对比测试，得出所提算法稳态误差仅0.3 μrad，阶跃响应时间2.5 ms，扰动抑制带宽1200 Hz，最大超调0.8%，显著优于对比算法。在极端工况下的确定性鲁棒性仿真中，在±50%惯量扰动、执行器饱和及20 ms链路遮挡条件下测试，得出所提方法稳态误差0.58 μrad，最大误差3.2 μrad，恢复时间4.8 ms，表现出更强的鲁棒性。

半物理平台与工程验证
通过模拟低轨卫星相对轨道机动的高动态场景跟踪性能测量，得出所提算法最大动态跟踪误差仅为1.2 μrad，优于PID的12.5 μrad和LADRC的4.2 μrad。通过在100、300、500、800和1000 Hz五个离散评估点进行宽带扰动抑制测试，得出所提算法在所有测试频率下均提供最大衰减比，100 Hz时为42.8 dB，1000 Hz时为24.5 dB。

总结讨论
本研究提出了一种结合NESO、ANTSMC以及互补粗精环指令分配的复合控制方法。修正后的模型将光学像平面位移与机械耦合转矩分离，校正后的状态空间动力学保留了物理符号和单位。自适应律被描述为非递减的，稳定性定理明确以NESO残差界限和趋近相持续性条件为前提。仿真与半物理实验结果表明，所提方法在静态场景下实现了0.3 μrad的稳态跟踪精度，在动态跟踪场景下误差幅度控制在1.2 μrad内。扰动抑制带宽提升至1200 Hz，较PID、SMC、LADRC等传统主流算法提高65%以上。稳态跟踪精度提升65%以上，扰动抑制带宽增加两倍以上。在卫星平台微振动、模型参数强扰动和链路短时遮挡等极端场景下，系统失锁概率稳定控制在0.8%以下，展现出强鲁棒性和工程适用性。未来研究应保留并报告半物理实验的试验级数据，提供相应的均值、标准差、置信区间和综合校准不确定度预算，并需进行闭环频率响应和模态测量，以解释窄带衰减极小值的物理原因。若要主张可靠性概率，必须通过单独的蒙特卡洛协议定义随机输入、样本量、失锁准则、失效计数和置信区间。