一種基于先驗(yàn)?zāi)Ｐ偷纳羁仗綔y(cè)器三向多普勒測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多普勒頻率測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于先驗(yàn)?zāi)Ｐ偷纳羁仗綔y(cè)器 三向多普勒測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 深空探測(cè)是指脫離地球引力場(chǎng)，進(jìn)入太陽系空間和宇宙空間的探測(cè)，主要包括兩 個(gè)方面的測(cè)量：一是對(duì)太陽系的各個(gè)行星、彗星等進(jìn)行深入探測(cè)，二是對(duì)太陽系外的銀河系 乃至整個(gè)宇宙的探測(cè)。多普勒效應(yīng)是指：當(dāng)波源和觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接受到波的 頻率與波源發(fā)出的頻率并不相同的現(xiàn)象。三向多普勒是指：地面上行測(cè)站發(fā)射穩(wěn)定的信號(hào) 至深空探測(cè)器，探測(cè)器接收該信號(hào)并以一定的相干轉(zhuǎn)發(fā)比轉(zhuǎn)發(fā)至地面下行接收測(cè)站；由于 探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)、地球的自轉(zhuǎn)，相對(duì)于上行測(cè)站的發(fā)射頻率，下行測(cè)站接收的信號(hào)的頻率將發(fā) 生頻移。
[0003] 圖1為三向多普勒測(cè)量原理示意圖，其中，I\(t)為具有發(fā)射信號(hào)功能的上行測(cè)站 (例如國(guó)內(nèi)深空站佳木斯/喀什站），ι\α)為下行測(cè)站（例如甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量天馬站）， S(t)表示探測(cè)器。上行測(cè)站發(fā)射信號(hào)的頻率標(biāo)準(zhǔn)鎖定于地面原子鐘，穩(wěn)定性在10 15s/day 量級(jí)。上行測(cè)站發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過上行傳播鏈路，被探測(cè)器S接收并轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)過下行傳播鏈 路，被下行測(cè)站接收。P up(t)和P d(t)分別為上行和下行信號(hào)傳播的距離值。假設(shè)上行測(cè) 站發(fā)射信號(hào)的頻率為&，探測(cè)器相干轉(zhuǎn)發(fā)比為M，轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的頻率為Mf。，下行測(cè)站接收信號(hào) 的頻率為f(t)。f(t)將隨著地球自轉(zhuǎn)以及探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)而變化。下行測(cè)站接收信號(hào)的頻 率f(t)即為本專利待測(cè)量的三向多普勒頻率。
[0004] 現(xiàn)有三向多普勒頻率的測(cè)量方法有以下幾種：
[0005] 文獻(xiàn)1【三向測(cè)量技術(shù)在深空探測(cè)中的應(yīng)用研究.黃磊，王宏，樊敏.飛行器測(cè)控 學(xué)報(bào)，2012年，31卷第3期：6-10頁】提供了一種主動(dòng)式測(cè)量多普勒頻率的方法，即，已知上 行站發(fā)射信號(hào)的詳細(xì)信息，通過數(shù)周數(shù)的方法，獲得計(jì)數(shù)起點(diǎn)和終點(diǎn)的相位周數(shù)變化，從而 獲得三向距離，再對(duì)三向距離求其時(shí)間微商，以獲得三向測(cè)速數(shù)據(jù)。然而，由于主動(dòng)式測(cè)量 方法需要了解上行站的詳細(xì)，對(duì)設(shè)備要求較高。
[0006] 文獻(xiàn)2【深空探測(cè)用數(shù)字開環(huán)多普勒技術(shù)初步研制及其在嫦娥一號(hào)探測(cè)任務(wù)中的 應(yīng)用.簡(jiǎn)念川，尚堃，張素軍，等.中國(guó)科學(xué)，2009年第39卷第10期：1400-1409】和文獻(xiàn)3 【用于YH_1無線電科學(xué)探測(cè)的軟件開環(huán)多普勒測(cè)量技術(shù)一一初步研發(fā)和應(yīng)用.張素軍，簡(jiǎn) 念川，尚堃，等。測(cè)繪通報(bào)：1_14】提供了一種開環(huán)多普勒測(cè)量方法，包括以下步驟：（1)對(duì)測(cè) 站接收的信號(hào)進(jìn)行FFT變換，以獲得初步多普勒頻率；(2)對(duì)測(cè)站接收的多普勒信號(hào)在時(shí)域 進(jìn)行帶通濾波；（3)設(shè)置合適的參考頻率，對(duì)帶通濾波后的信號(hào)進(jìn)行下變頻；(4)對(duì)下變頻 后的信號(hào)進(jìn)行低通濾波；（5)對(duì)低通濾波后的信號(hào)進(jìn)行多普勒計(jì)數(shù)，獲得相位信息；(6)對(duì) 一段時(shí)間內(nèi)的相位平均，即得到多普勒頻率；或者，利用多項(xiàng)式對(duì)相位進(jìn)行擬合，對(duì)擬合的 相位進(jìn)行平均，也獲得多普勒頻率。然而，該方法具有以下缺點(diǎn)：（1)由于探測(cè)器接收的信 號(hào)包含主載波、測(cè)距調(diào)制信號(hào)等，因而為了將主載波與測(cè)距調(diào)制信號(hào)分離，該方法所使用的 濾波器必須為高階濾波器，如文獻(xiàn)中描述的50階、100階、1000階濾波器，但是應(yīng)該理解，階 數(shù)越高，計(jì)算量越大；（2)當(dāng)多普勒頻率變化較快（如Is變化50Hz，5s變化250Hz)時(shí)，要 求濾波器的帶寬不得少于250Hz，限制了濾波效果；（3)積分時(shí)間越長(zhǎng)，由于多普勒展寬，多 普勒信號(hào)的頻譜越寬，不易于測(cè)量，即不能輸出任意積分時(shí)間的頻率測(cè)量值。
[0007] 文獻(xiàn)4【深空探測(cè)器被動(dòng)式高精度多普勒測(cè)量方法與應(yīng)用.鄭為民，馬茂莉，王文 彬.宇航學(xué)報(bào)，2013年第34卷第11期：1462-1467】提供了一種三向瞬時(shí)多普勒測(cè)量方法， 包括以下步驟：（1)對(duì)測(cè)站接收的信號(hào)進(jìn)行FFT頻譜分析，獲得粗估的多普勒頻率；（2)利 用粗估的多普勒頻率構(gòu)造參考信號(hào)，再與實(shí)際的信號(hào)共輒相乘，獲得參考信號(hào)與實(shí)際信號(hào) 的相位差；(3)對(duì)相位差進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，獲得相位差隨時(shí)間的變化關(guān)系式；(4)對(duì)相位變 化關(guān)系式進(jìn)行求導(dǎo)，獲得頻率差隨時(shí)間的變化關(guān)系式，通過內(nèi)插，獲得實(shí)際信號(hào)相對(duì)于參考 信號(hào)的任意時(shí)刻的殘余頻率；（5)結(jié)合參考頻率與殘余頻率，獲得實(shí)測(cè)多普勒頻率。然而， 為了避免相位模糊度，構(gòu)造的參考模型只適用于"某一段時(shí)間"（通常為l-l〇s)，這一段時(shí) 間由探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)速度決定，但在不使用初始光行時(shí)的前提下，這一段時(shí)間只能猜測(cè)，使系 統(tǒng)不穩(wěn)定，并且該方法也不能輸出任意積分時(shí)間的頻率。
[0008] 文獻(xiàn)5【孟令鵬，鄭為民.采用軟件鎖相環(huán)技術(shù)提取深空探測(cè)器高精度多普勒頻 率.中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)年刊，2012第0期P83-91】提供了一種多普勒的鎖相環(huán)測(cè)量方 法，包括以下步驟：（1)通過對(duì)測(cè)站接收的信號(hào)進(jìn)行FFT變換，獲得粗估的多普勒頻率；（2) 利用粗估的多普勒頻率作為鎖相環(huán)的中心頻率，利用反正弦鑒相器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤測(cè)量， 獲得相對(duì)于中心頻率的殘余頻率和相位；（3)結(jié)合殘余頻率和中心頻率，獲得實(shí)測(cè)多普勒 頻率。該方法在測(cè)量過程中，鎖相環(huán)中心頻率不變，上一個(gè)bit的相位數(shù)據(jù)用來跟蹤下一 bit，因而對(duì)于探測(cè)器信號(hào)突然跳動(dòng)，或者消失后又出現(xiàn)的現(xiàn)象，鎖相環(huán)極易失鎖，導(dǎo)致測(cè)量 失敗；此外，鎖相環(huán)的濾波效果與環(huán)路帶寬有關(guān)，環(huán)路帶寬越窄，濾波效果越好。測(cè)站接收信 號(hào)較大的多普勒頻移，需要環(huán)路帶寬設(shè)置在幾百Hz，避免失鎖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于先驗(yàn)?zāi)Ｐ偷纳羁仗綔y(cè)器三向多普 勒測(cè)量方法，以根據(jù)先驗(yàn)光行時(shí)模型構(gòu)建下行測(cè)站接收到的下行信號(hào)的模型信號(hào)，再將模 型信號(hào)與下行信號(hào)進(jìn)行共輒相乘，以移走絕大部分的多普勒頻率，只剩下緩變的殘余頻率 需要測(cè)量，從而利于濾波、積分、微弱信號(hào)的處理，利于系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠。
[0010] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0011] -種基于先驗(yàn)?zāi)Ｐ偷纳羁仗綔y(cè)器三向多普勒測(cè)量方法，包括以下步驟：
[0012] 步驟1，假設(shè)上行測(cè)站發(fā)射信號(hào)的頻率為f。，探測(cè)器相干轉(zhuǎn)發(fā)比為M，下行測(cè)站接收 的信號(hào)Sig_down(t)表示為：
[0013] Sig_down (t) = A (t) expi [2 π f (t) t+ Φ 0] +Hoise1 (1)，
[0014] 式⑴中，f(t)為待測(cè)的三向多普勒頻率，A(t)、Civnoise1分別為所述下行測(cè)站 接收的信號(hào)的幅度、初始相位和噪聲，t為地心坐標(biāo)系的坐標(biāo)時(shí)；
[0015] 步驟2,根據(jù)所述探測(cè)器的先驗(yàn)軌道以及所述上行測(cè)站和下行測(cè)站的地理坐標(biāo)計(jì) 算光行時(shí)模型(t): υ?Ν 丄丄ου丄λ _/·?·? 〇/ υ
[0016] (2)，
[0017] 在式（2)中，Pup⑴表示信號(hào)在所述上行測(cè)站與所述探測(cè)器之間傳輸?shù)木嚯x， P d(t)表示信號(hào)在所述探測(cè)器與所述下行測(cè)站之間傳輸?shù)木嚯x，c表示光速；
[0018] 步驟3,根據(jù)所述先驗(yàn)光行時(shí)模型TgM(t)構(gòu)建如式（3)所示的模型信號(hào)Sig_ mod(t)：
[0019] Sig_mod (t) = expi [2 π Mf0 (t- τ geo (t)) ] (3)，
[0020] 其中，該模型信號(hào)的模型頻率為： _
⑷，
[0022] 步驟4,將式（1)與式（3)共輒相乘得到多普勒補(bǔ)償信號(hào)sigYt):
[0023] sig*(t) = A (t) exp [ j Δ Φ (t) ]+noise2 (5)，
[0024] 其中，Iioise2為信號(hào)sig *(t)的噪聲，
[0025] Δ Φ (t) = 2 π f (t) t+ Φ 〇-2 π Mf〇t+2 n Mf0 τ geo (t) (6)，
[0026] 步驟5,對(duì)所述多普勒補(bǔ)償信號(hào)sigYt)進(jìn)行分段積分濾波；
[0027] 步驟6,利用鎖相環(huán)對(duì)多普勒補(bǔ)償信號(hào)進(jìn)行跟蹤，以估算其殘余頻率Af⑴；以及
[0028] 步驟7,根據(jù)所述殘余頻率Δ f(t)及所述模型頻率fMd(t)獲取所述三向多普勒頻 率 f(t):
[0029]
(7)
[0030] 綜上所述，本發(fā)明通過先驗(yàn)光行時(shí)模型移走了較大的多普勒頻率偏移，因此只需 測(cè)量很小的殘余頻率，容易實(shí)現(xiàn)濾波，使測(cè)量系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單和穩(wěn)定，并且相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)帶 來以下技術(shù)效果：
[0031] (1)容易獲得高精度的多普勒頻率；
[0032] (2)適用于探測(cè)器視向速度較大的情況；
[0033] (3)測(cè)量方法穩(wěn)定；
[0034] (4)精確的模型補(bǔ)償與濾波，使該方法能夠處理弱信號(hào)；
[0035] (5)能夠獲得任意積分時(shí)間段的頻率。
【附圖說明】
[0036] 圖1為三向多普勒頻率測(cè)量的原理示意圖；
[0037] 圖2為本發(fā)明的基于先驗(yàn)?zāi)Ｐ偷纳羁仗綔y(cè)器三向多普勒測(cè)量方法的流程圖；
[0038] 圖3為本發(fā)明的實(shí)例中下行測(cè)站接收信號(hào)的主載波頻譜圖；
[0039] 圖4為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例中的先驗(yàn)光行時(shí)模型的波形圖；
[0040] 圖5為根據(jù)圖4的先驗(yàn)光行時(shí)模型獲得的模型信號(hào)的頻譜圖；
[0041] 圖6為圖5中的模型信號(hào)與圖3中的信號(hào)共輒相乘并分段積分后的頻譜圖；
[0042] 圖7為利用鎖相環(huán)對(duì)圖6中積分后的信號(hào)進(jìn)行跟蹤濾波后的信號(hào)波形圖；
[0043] 圖8為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例在一段時(shí)間內(nèi)的殘