一種基于多普勒頻移特征的非合作導(dǎo)航衛(wèi)星識(shí)別的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于多普勒頻移特征的非合作導(dǎo)航衛(wèi)星識(shí)別的方法，屬于非合作 航天器定軌技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在通常的衛(wèi)星導(dǎo)航中，是利用偽隨機(jī)碼良好的相關(guān)特性，通過偽碼匹配的方式來 識(shí)別導(dǎo)航衛(wèi)星的。但是在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送加密導(dǎo)航信號(hào)的情況下，無法由捕獲獲得碼相 位，不能完成本地碼振蕩器初始化，從而不能識(shí)別導(dǎo)航衛(wèi)星。
[0003] 現(xiàn)有的衛(wèi)星識(shí)別技術(shù)還有頻譜圖對(duì)比識(shí)別衛(wèi)星。用戶對(duì)接收到通訊衛(wèi)星信號(hào)的作 頻譜分析，根據(jù)頻譜儀的顯示圖形和衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)頻譜圖形作對(duì)比，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行識(shí)別。但是 接收到信號(hào)頻譜會(huì)由于偽碼的不同而發(fā)生變化，所以上述方法在偽碼未知的情況下并不適 用，但卻提供了一種比對(duì)的思想。
[0004] 另外一種衛(wèi)星識(shí)別的方法是星歷參數(shù)對(duì)比識(shí)別衛(wèi)星。預(yù)先獲取已進(jìn)行星歷解析的 衛(wèi)星的星歷參數(shù)，獲取任一待確定衛(wèi)星的星歷參數(shù)，判斷是否滿足已有星歷參數(shù)與待確定 衛(wèi)星的星歷參數(shù)參數(shù)匹配條件；如果否，則確定待確定衛(wèi)星為可用衛(wèi)星；如果是，則確定為 不可用衛(wèi)星。該技術(shù)通過簡(jiǎn)單計(jì)算就能達(dá)到識(shí)別衛(wèi)星的目的，提高了衛(wèi)星識(shí)別的效率。但 是該方法使用的前提是獲取待確定衛(wèi)星的星歷參數(shù)，在偽碼未知的情況下不能實(shí)現(xiàn)。
[0005] 在偽隨機(jī)噪聲碼未知情況下，利用無碼載波估計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)載波的連續(xù)跟 蹤，獲得了一系列的多普勒頻移，但是每個(gè)多普勒頻移對(duì)應(yīng)哪顆導(dǎo)航衛(wèi)星仍然是未知的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提出了一種基于多普勒頻移特征的非合作導(dǎo)航衛(wèi)星識(shí)別的方法，利用含有 接收機(jī)頻差的多普勒頻移的測(cè)量值及先驗(yàn)值，建立易于計(jì)算、誤匹配率低的匹配指標(biāo)，并采 用二分法高效地獲得高精度的頻差估計(jì)值；并根據(jù)各個(gè)多普勒頻移匹配殘差的比重，采用 全局匹配、局部剔除的策略來提高衛(wèi)星識(shí)別的全局可信度。
[0007] 本發(fā)明為解決其技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案： 一種基于多普勒頻移特征的非合作導(dǎo)航衛(wèi)星識(shí)別的方法，包括如下步驟： (1) 低軌用戶衛(wèi)星接收機(jī)的射頻前端將導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)，利用無碼 載波恢復(fù)技術(shù)跟蹤中頻信號(hào)的連續(xù)載波，并得到各個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻移測(cè)量值； (2) 根據(jù)已知的低軌用戶衛(wèi)星的初始軌道參數(shù)及地面周期上注的導(dǎo)航衛(wèi)星星歷，計(jì)算 得到一系列多普勒頻移的先驗(yàn)值； (3) 將步驟（1)得到的多普勒頻移測(cè)量值和步驟（2)得到的多普勒頻移先驗(yàn)值分別按 照高低順序排列成兩組樣本，采用二分法搜索使得兩組頻率一致對(duì)應(yīng)的頻差估計(jì)值； (4) 根據(jù)各個(gè)多普勒頻移匹配殘差的比重，采用全局匹配、局部剔除的方法剔除匹配失 敗的導(dǎo)航衛(wèi)星。
[0008] 所述步驟（1)中導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻移測(cè)量值表示為
式中，i為載波波長(zhǎng)，滿丨為用戶衛(wèi)星至導(dǎo)航衛(wèi)星的偽距率真值，辦為用戶衛(wèi)星接收機(jī) 時(shí)鐘頻率誤差，Λ為多普勒頻移的測(cè)量誤差，A為第別i導(dǎo)航衛(wèi)星。
[0009] 所述步驟（2)中多普勒頻移的先驗(yàn)值表示為：
式中，^*和硿分別為第別i導(dǎo)航衛(wèi)星的位置和速度矢量；&和,分別為用戶衛(wèi)星的位置 和速度矢量;和&分別為用戶衛(wèi)星至導(dǎo)航衛(wèi)星含有誤差的距離和距離率。
[0010] 所述步驟（3)中二分法搜索的頻率范圍為，搜索步長(zhǎng)為/_，亦是連 續(xù)函數(shù)，并且有啦義).而這）<〇。
[0011] 所述步驟（4)中局部剔除多普勒頻移測(cè)量值的條件可表示為：
式中，妓為頻差估計(jì)值，Λι為多普勒頻移測(cè)量，tt:為多普勒頻移的先驗(yàn)值，你 為門限值。
[0012] 本發(fā)明的有益效果如下： 1、本發(fā)明提出的基于多普勒頻移的非合作導(dǎo)航衛(wèi)星識(shí)別方法可以實(shí)現(xiàn)偽碼未知情況 下導(dǎo)航衛(wèi)星的識(shí)別，作為常規(guī)衛(wèi)星識(shí)別方法的補(bǔ)充，提高沖突條件下導(dǎo)航星的識(shí)別能力。
[0013] 2、相比通常的偽碼匹配識(shí)別導(dǎo)航衛(wèi)星的方法僅能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航星的識(shí)別，本發(fā)明提出 的方法不僅可以識(shí)別導(dǎo)航衛(wèi)星，還可以獲得較為精確的接收機(jī)頻差估計(jì)值。
[0014] 3、相比較現(xiàn)有技術(shù)中的逐步搜索獲得頻差估計(jì)值相比，本發(fā)明采用二分法尋找頻 差估計(jì)值，提高了搜索效率及數(shù)值精度；并且本申請(qǐng)考慮到噪聲以及測(cè)量誤差等因素的影 響，提出了全局匹配、局部剔除的策略，并給出了剔除放棄的指標(biāo)，提高了衛(wèi)星識(shí)別的全局 可信度。
【附圖說明】
[0015] 圖1基于多普勒頻移特征的非合作導(dǎo)航衛(wèi)星識(shí)別的設(shè)計(jì)思路框圖。
[0016] 圖2 (a)是零點(diǎn)在右半?yún)^(qū)間的情況；圖（b)是零點(diǎn)在左半?yún)^(qū)間的情況。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0018] 本發(fā)明提出的方法可以在偽碼未知的情況下識(shí)別導(dǎo)航衛(wèi)星：低軌衛(wèi)星接收機(jī)的射 頻前端將導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)，經(jīng)無碼載波恢復(fù)技術(shù)后可獲得不同頻移的載 波信號(hào)并測(cè)量其多普勒頻移；由于低軌用戶衛(wèi)星的初始軌道是已知的，而導(dǎo)航衛(wèi)星的星歷 可以通過地面上注，所以可以計(jì)算得到一系列多普勒頻移的先驗(yàn)值；將含有接收機(jī)頻差的 多普勒頻移測(cè)量值及先驗(yàn)值分別按照高低順序排列成兩組樣本，以實(shí)現(xiàn)兩組頻率一致對(duì)應(yīng) 為準(zhǔn)則，采用二分法高效搜索頻差估計(jì)值；并根據(jù)各個(gè)多普勒頻移匹配殘差的比重，采用全 局匹配、局部剔除的策略來提高衛(wèi)星識(shí)別的全局可信度。
[0019] 基于多普勒頻移特征的非合作導(dǎo)航衛(wèi)星識(shí)別的設(shè)計(jì)基本思路是：如圖1所示，通 過用戶衛(wèi)星射頻前端將導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)，利用無碼載波恢復(fù)技術(shù)跟蹤中 頻信號(hào)的連續(xù)載波并測(cè)量提取出各個(gè)導(dǎo)航星信號(hào)的多普勒頻移；由初始軌道參數(shù)及上注的 導(dǎo)航星星歷計(jì)算多普勒頻移先驗(yàn)值。將多普勒頻移的測(cè)量值與先驗(yàn)值分別按照高低順序排 列成兩組樣本，以實(shí)現(xiàn)兩組頻率一致對(duì)應(yīng)為準(zhǔn)則，采用二分法快速搜索頻差估計(jì)值；并根據(jù) 各個(gè)多普勒頻移匹配殘差的比重，采用全局匹配、局部剔除的策略來提高衛(wèi)星識(shí)別的全局 可信度。
[0020] 1、基于頻移特征的導(dǎo)航星識(shí)別與頻差估計(jì)指標(biāo) 假設(shè)用戶衛(wèi)星接收到第別i導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)，多普勒頻移測(cè)量值可以表示為
式中，』為載波波長(zhǎng)，it:為用戶衛(wèi)星至導(dǎo)航衛(wèi)星的偽距率真值，好為用戶衛(wèi)星接收機(jī) 時(shí)鐘頻率誤差，Λ為多普勒頻移的測(cè)量誤差。
[0021] 已知初始軌道及上注的導(dǎo)航衛(wèi)星星歷，可計(jì)算得到一系列估計(jì)的多普勒頻移先驗(yàn) 值
式中，::??和％分別為導(dǎo)航衛(wèi)星的位置和速度矢量，由上注的導(dǎo)航衛(wèi)星星歷獲得；I和 ，分別為用戶衛(wèi)星的位置和速度矢量，由軌道預(yù)報(bào)獲得；I和&分別為用戶衛(wèi)星至導(dǎo)航衛(wèi) 星含有誤差的距離和距離率。
[0022] 由式（1)、⑵可知，不考慮先驗(yàn)根數(shù)誤差與測(cè)量誤差的影響，測(cè)量的多普勒頻移 與先驗(yàn)估計(jì)的多普勒頻移^之間的頻率差是用戶衛(wèi)星接收機(jī)的時(shí)鐘頻率誤差。
[0023] 假設(shè)某時(shí)刻有肩i可見衛(wèi)星，將可見衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻移測(cè)量值:(A表示第 乂顆可見衛(wèi)星，是€