一種基于先驗?zāi)Ｐ偷纳羁仗綔y器三向多普勒測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多普勒頻率測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于先驗?zāi)Ｐ偷纳羁仗綔y器 三向多普勒測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 深空探測是指脫離地球引力場，進(jìn)入太陽系空間和宇宙空間的探測，主要包括兩 個方面的測量：一是對太陽系的各個行星、彗星等進(jìn)行深入探測，二是對太陽系外的銀河系 乃至整個宇宙的探測。多普勒效應(yīng)是指：當(dāng)波源和觀察者有相對運動時，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：地面上行測站發(fā)射穩(wěn)定的信號 至深空探測器，探測器接收該信號并以一定的相干轉(zhuǎn)發(fā)比轉(zhuǎn)發(fā)至地面下行接收測站；由于 探測器的運動、地球的自轉(zhuǎn)，相對于上行測站的發(fā)射頻率，下行測站接收的信號的頻率將發(fā) 生頻移。
[0003] 圖1為三向多普勒測量原理示意圖，其中，I\(t)為具有發(fā)射信號功能的上行測站 (例如國內(nèi)深空站佳木斯/喀什站），ι\α)為下行測站（例如甚長基線干涉測量天馬站）， S(t)表示探測器。上行測站發(fā)射信號的頻率標(biāo)準(zhǔn)鎖定于地面原子鐘，穩(wěn)定性在10 15s/day 量級。上行測站發(fā)射的信號經(jīng)過上行傳播鏈路，被探測器S接收并轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)過下行傳播鏈 路，被下行測站接收。P up(t)和P d(t)分別為上行和下行信號傳播的距離值。假設(shè)上行測 站發(fā)射信號的頻率為&，探測器相干轉(zhuǎn)發(fā)比為M，轉(zhuǎn)發(fā)信號的頻率為Mf。，下行測站接收信號 的頻率為f(t)。f(t)將隨著地球自轉(zhuǎn)以及探測器的運動而變化。下行測站接收信號的頻 率f(t)即為本專利待測量的三向多普勒頻率。
[0004] 現(xiàn)有三向多普勒頻率的測量方法有以下幾種：
[0005] 文獻(xiàn)1【三向測量技術(shù)在深空探測中的應(yīng)用研究.黃磊，王宏，樊敏.飛行器測控 學(xué)報，2012年，31卷第3期：6-10頁】提供了一種主動式測量多普勒頻率的方法，即，已知上 行站發(fā)射信號的詳細(xì)信息，通過數(shù)周數(shù)的方法，獲得計數(shù)起點和終點的相位周數(shù)變化，從而 獲得三向距離，再對三向距離求其時間微商，以獲得三向測速數(shù)據(jù)。然而，由于主動式測量 方法需要了解上行站的詳細(xì)，對設(shè)備要求較高。
[0006] 文獻(xiàn)2【深空探測用數(shù)字開環(huán)多普勒技術(shù)初步研制及其在嫦娥一號探測任務(wù)中的 應(yīng)用.簡念川，尚堃，張素軍，等.中國科學(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)探測的軟件開環(huán)多普勒測量技術(shù)一一初步研發(fā)和應(yīng)用.張素軍，簡 念川，尚堃，等。測繪通報：1_14】提供了一種開環(huán)多普勒測量方法，包括以下步驟：（1)對測 站接收的信號進(jìn)行FFT變換，以獲得初步多普勒頻率；(2)對測站接收的多普勒信號在時域 進(jìn)行帶通濾波；（3)設(shè)置合適的參考頻率，對帶通濾波后的信號進(jìn)行下變頻；(4)對下變頻 后的信號進(jìn)行低通濾波；（5)對低通濾波后的信號進(jìn)行多普勒計數(shù)，獲得相位信息；(6)對 一段時間內(nèi)的相位平均，即得到多普勒頻率；或者，利用多項式對相位進(jìn)行擬合，對擬合的 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：（1)由于探測器接收的信 號包含主載波、測距調(diào)制信號等，因而為了將主載波與測距調(diào)制信號分離，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，要 求濾波器的帶寬不得少于250Hz，限制了濾波效果；（3)積分時間越長，由于多普勒展寬，多 普勒信號的頻譜越寬，不易于測量，即不能輸出任意積分時間的頻率測量值。
[0007] 文獻(xiàn)4【深空探測器被動式高精度多普勒測量方法與應(yīng)用.鄭為民，馬茂莉，王文 彬.宇航學(xué)報，2013年第34卷第11期：1462-1467】提供了一種三向瞬時多普勒測量方法， 包括以下步驟：（1)對測站接收的信號進(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，再與實際的信號共輒相乘，獲得參考信號與實際信號 的相位差；(3)對相位差進(jìn)行多項式擬合，獲得相位差隨時間的變化關(guān)系式；(4)對相位變 化關(guān)系式進(jìn)行求導(dǎo)，獲得頻率差隨時間的變化關(guān)系式，通過內(nèi)插，獲得實際信號相對于參考 信號的任意時刻的殘余頻率；（5)結(jié)合參考頻率與殘余頻率，獲得實測多普勒頻率。然而， 為了避免相位模糊度，構(gòu)造的參考模型只適用于"某一段時間"（通常為l-l〇s)，這一段時 間由探測器的運動速度決定，但在不使用初始光行時的前提下，這一段時間只能猜測，使系 統(tǒng)不穩(wěn)定，并且該方法也不能輸出任意積分時間的頻率。
[0008] 文獻(xiàn)5【孟令鵬，鄭為民.采用軟件鎖相環(huán)技術(shù)提取深空探測器高精度多普勒頻 率.中國科學(xué)院上海天文臺年刊，2012第0期P83-91】提供了一種多普勒的鎖相環(huán)測量方 法，包括以下步驟：（1)通過對測站接收的信號進(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，對信號進(jìn)行跟蹤測量， 獲得相對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，獲得實測多普勒 頻率。該方法在測量過程中，鎖相環(huán)中心頻率不變，上一個bit的相位數(shù)據(jù)用來跟蹤下一 bit，因而對于探測器信號突然跳動，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。測站接收信 號較大的多普勒頻移，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] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于先驗?zāi)Ｐ偷纳羁仗綔y器三向多普 勒測量方法，以根據(jù)先驗光行時模型構(gòu)建下行測站接收到的下行信號的模型信號，再將模 型信號與下行信號進(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 需要測量，從而利于濾波、積分、微弱信號的處理，利于系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠。
[0010] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0011] -種基于先驗?zāi)Ｐ偷纳羁仗綔y器三向多普勒測量方法，包括以下步驟：
[0012] 步驟1，假設(shè)上行測站發(fā)射信號的頻率為f。，探測器相干轉(zhuǎn)發(fā)比為M，下行測站接收 的信號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)為待測的三向多普勒頻率，A(t)、Civnoise1分別為所述下行測站 接收的信號的幅度、初始相位和噪聲，t為地心坐標(biāo)系的坐標(biāo)時；
[0015] 步驟2,根據(jù)所述探測器的先驗軌道以及所述上行測站和下行測站的地理坐標(biāo)計 算光行時模型(t): υ?Ν 丄丄ου丄λ _/·?·? 〇/ υ
[0016] (2)，
[0017] 在式（2)中，Pup⑴表示信號在所述上行測站與所述探測器之間傳輸?shù)木嚯x， P d(t)表示信號在所述探測器與所述下行測站之間傳輸?shù)木嚯x，c表示光速；
[0018] 步驟3,根據(jù)所述先驗光行時模型TgM(t)構(gòu)建如式（3)所示的模型信號Sig_ mod(t)：
[0019] Sig_mod (t) = expi [2 π Mf0 (t- τ geo (t)) ] (3)，
[0020] 其中，該模型信號的模型頻率為： _
⑷，
[0022] 步驟4,將式（1)與式（3)共輒相乘得到多普勒補償信號sigYt):
[0023] sig*(t) = A (t) exp [ j Δ Φ (t) ]+noise2 (5)，
[0024] 其中，Iioise2為信號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,對所述多普勒補償信號sigYt)進(jìn)行分段積分濾波；
[0027] 步驟6,利用鎖相環(huán)對多普勒補償信號進(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)明通過先驗光行時模型移走了較大的多普勒頻率偏移，因此只需 測量很小的殘余頻率，容易實現(xiàn)濾波，使測量系統(tǒng)比較簡單和穩(wěn)定，并且相對于現(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)適用于探測器視向速度較大的情況；
[0033] (3)測量方法穩(wěn)定；
[0034] (4)精確的模型補償與濾波，使該方法能夠處理弱信號；
[0035] (5)能夠獲得任意積分時間段的頻率。
【附圖說明】
[0036] 圖1為三向多普勒頻率測量的原理示意圖；
[0037] 圖2為本發(fā)明的基于先驗?zāi)Ｐ偷纳羁仗綔y器三向多普勒測量方法的流程圖；
[0038] 圖3為本發(fā)明的實例中下行測站接收信號的主載波頻譜圖；
[0039] 圖4為本發(fā)明的一個實例中的先驗光行時模型的波形圖；
[0040] 圖5為根據(jù)圖4的先驗光行時模型獲得的模型信號的頻譜圖；
[0041] 圖6為圖5中的模型信號與圖3中的信號共輒相乘并分段積分后的頻譜圖；
[0042] 圖7為利用鎖相環(huán)對圖6中積分后的信號進(jìn)行跟蹤濾波后的信號波形圖；
[0043] 圖8為本發(fā)明的一個實例在一段時間內(nèi)的殘