CN105160153B - 一种基于先验模型的深空探测器三向多普勒测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于先验模型的深空探测器三向多普勒测量方法，包括：1、建立下行测站接收信号Sig_down(t)的表达式；2、根据所述探测器的先验轨道以及上行、下行测站的地理坐标建立先验光行时模型τgeo(t)；3、根据所述先验光行时模型τgeo(t)及上行测站发射频率f0构建下行测站接收信号的模型信号Sig_mod(t)及模型频率fmod(t)；4、将模型信号Sig_mod(t)与下行测站接收信号Sig_down(t)共轭相乘得到补偿信号sig*(t)；5、对所述补偿信号sig*(t)进行分段积分滤波；6、利用锁相环跟踪所述滤波后的补偿信号sig*(t)，以估算其残余频率Δf(t)；7、根据残余频率Δf(t)及模型频率获取三向多普勒频率f(t)。本发明通过光滑的先验光行时模型，移走了较大的多普勒频率，只需测量很小的残余频率，容易实现滤波，能够获得高精度的多普勒频率。
Description
技术领域
本发明涉及多普勒频率测量技术领域，尤其涉及一种基于先验模型的深空探测器三向多普勒测量方法。
背景技术
深空探测是指脱离地球引力场，进入太阳系空间和宇宙空间的探测，主要包括两个方面的测量：一是对太阳系的各个行星、彗星等进行深入探测，二是对太阳系外的银河系乃至整个宇宙的探测。多普勒效应是指：当波源和观察者有相对运动时，观察者接受到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象。三向多普勒是指：地面上行测站发射稳定的信号至深空探测器，探测器接收该信号并以一定的相干转发比转发至地面下行接收测站；由于探测器的运动、地球的自转，相对于上行测站的发射频率，下行测站接收的信号的频率将发生频移。
图1为三向多普勒测量原理示意图，其中，T1(t)为具有发射信号功能的上行测站(例如国内深空站佳木斯/喀什站)，T1(t)为下行测站(例如甚长基线干涉测量天马站)，S(t)表示探测器。上行测站发射信号的频率标准锁定于地面原子钟，稳定性在10-15s/day量级。上行测站发射的信号经过上行传播链路，被探测器S接收并转发，经过下行传播链路，被下行测站接收。ρup(t)和ρd(t)分别为上行和下行信号传播的距离值。假设上行测站发射信号的频率为f0，探测器相干转发比为M，转发信号的频率为Mf0，下行测站接收信号的频率为f(t)。f(t)将随着地球自转以及探测器的运动而变化。下行测站接收信号的频率f(t)即为本专利待测量的三向多普勒频率。
现有三向多普勒频率的测量方法有以下几种：
文献1【三向测量技术在深空探测中的应用研究.黄磊，王宏，樊敏.飞行器测控学报，2012年，31卷第3期：6-10页】提供了一种主动式测量多普勒频率的方法，即，已知上行站发射信号的详细信息，通过数周数的方法，获得计数起点和终点的相位周数变化，从而获得三向距离，再对三向距离求其时间微商，以获得三向测速数据。然而，由于主动式测量方法需要了解上行站的详细，对设备要求较高。
文献2【深空探测用数字开环多普勒技术初步研制及其在嫦娥一号探测任务中的应用.简念川，尚堃，张素军，等.中国科学，2009年第39卷第10期：1400-1409】和文献3【用于YH_1无线电科学探测的软件开环多普勒测量技术——初步研发和应用.张素军，简念川，尚堃，等。测绘通报：1-14】提供了一种开环多普勒测量方法，包括以下步骤：(1)对测站接收的信号进行FFT变换，以获得初步多普勒频率；(2)对测站接收的多普勒信号在时域进行带通滤波；(3)设置合适的参考频率，对带通滤波后的信号进行下变频；(4)对下变频后的信号进行低通滤波；(5)对低通滤波后的信号进行多普勒计数，获得相位信息；(6)对一段时间内的相位平均，即得到多普勒频率；或者，利用多项式对相位进行拟合，对拟合的相位进行平均，也获得多普勒频率。然而，该方法具有以下缺点：(1)由于探测器接收的信号包含主载波、测距调制信号等，因而为了将主载波与测距调制信号分离，该方法所使用的滤波器必须为高阶滤波器，如文献中描述的50阶、100阶、1000阶滤波器，但是应该理解，阶数越高，计算量越大；(2)当多普勒频率变化较快(如1s变化50Hz，5s变化250Hz)时，要求滤波器的带宽不得少于250Hz，限制了滤波效果；(3)积分时间越长，由于多普勒展宽，多普勒信号的频谱越宽，不易于测量，即不能输出任意积分时间的频率测量值。
文献4【深空探测器被动式高精度多普勒测量方法与应用.郑为民，马茂莉，王文彬.宇航学报，2013年第34卷第11期：1462-1467】提供了一种三向瞬时多普勒测量方法，包括以下步骤：(1)对测站接收的信号进行FFT频谱分析，获得粗估的多普勒频率；(2)利用粗估的多普勒频率构造参考信号，再与实际的信号共轭相乘，获得参考信号与实际信号的相位差；(3)对相位差进行多项式拟合，获得相位差随时间的变化关系式；(4)对相位变化关系式进行求导，获得频率差随时间的变化关系式，通过内插，获得实际信号相对于参考信号的任意时刻的残余频率；(5)结合参考频率与残余频率，获得实测多普勒频率。然而，为了避免相位模糊度，构造的参考模型只适用于“某一段时间”(通常为1-10s)，这一段时间由探测器的运动速度决定，但在不使用初始光行时的前提下，这一段时间只能猜测，使系统不稳定，并且该方法也不能输出任意积分时间的频率。
文献5【孟令鹏，郑为民.采用软件锁相环技术提取深空探测器高精度多普勒频率.中国科学院上海天文台年刊，2012第0期P83-91】提供了一种多普勒的锁相环测量方法，包括以下步骤：(1)通过对测站接收的信号进行FFT变换，获得粗估的多普勒频率；(2)利用粗估的多普勒频率作为锁相环的中心频率，利用反正弦鉴相器，对信号进行跟踪测量，获得相对于中心频率的残余频率和相位；(3)结合残余频率和中心频率，获得实测多普勒频率。该方法在测量过程中，锁相环中心频率不变，上一个bit的相位数据用来跟踪下一bit，因而对于探测器信号突然跳动，或者消失后又出现的现象，锁相环极易失锁，导致测量失败；此外，锁相环的滤波效果与环路带宽有关，环路带宽越窄，滤波效果越好。测站接收信号较大的多普勒频移，需要环路带宽设置在几百Hz，避免失锁。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于先验模型的深空探测器三向多普勒测量方法，以根据先验光行时模型构建下行测站接收到的下行信号的模型信号，再将模型信号与下行信号进行共轭相乘，以移走绝大部分的多普勒频率，只剩下缓变的残余频率需要测量，从而利于滤波、积分、微弱信号的处理，利于系统的稳定、可靠。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于先验模型的深空探测器三向多普勒测量方法，包括以下步骤：
步骤1，假设上行测站发射信号的频率为f0，探测器相干转发比为M，下行测站接收的信号Sig_down(t)表示为：
Sig_down(t)＝A(t)expi[2πf(t)t+φ0]+noise1 (1)，
式(1)中，f(t)为待测的三向多普勒频率，A(t)、φ0、noise1分别为所述下行测站接收的信号的幅度、初始相位和噪声，t为地心坐标系的坐标时；
步骤2，根据所述探测器的先验轨道以及所述上行测站和下行测站的地理坐标计算光行时模型τgeo(t)：
在式(2)中，ρup(t)表示信号在所述上行测站与所述探测器之间传输的距离，ρd(t)表示信号在所述探测器与所述下行测站之间传输的距离，c表示光速；
步骤3，根据所述先验光行时模型τgeo(t)构建如式(3)所示的模型信号Sig_mod(t)：
Sig_mod(t)＝expi[2πMf0(t-τgeo(t))] (3)，
其中，该模型信号的模型频率为：
步骤4，将式(1)与式(3)共轭相乘得到多普勒补偿信号sig*(t)：
sig*(t)＝A(t)exp[jΔФ(t)]+noise2 (5)，
其中，noise2为信号sig*(t)的噪声，
ΔФ(t)＝2πf(t)t+φ0-2πMf0t+2πMf0τgeo(t) (6)，
步骤5，对所述多普勒补偿信号sig*(t)进行分段积分滤波；
步骤6，利用锁相环对多普勒补偿信号进行跟踪，以估算其残余频率Δf(t)；以及
步骤7，根据所述残余频率Δf(t)及所述模型频率fmod(t)获取所述三向多普勒频率f(t)：
综上所述，本发明通过先验光行时模型移走了较大的多普勒频率偏移，因此只需测量很小的残余频率，容易实现滤波，使测量系统比较简单和稳定，并且相对于现有技术带来以下技术效果：
(1)容易获得高精度的多普勒频率；
(2)适用于探测器视向速度较大的情况；
(3)测量方法稳定；
(4)精确的模型补偿与滤波，使该方法能够处理弱信号；
(5)能够获得任意积分时间段的频率。
附图说明
图1为三向多普勒频率测量的原理示意图；
图2为本发明的基于先验模型的深空探测器三向多普勒测量方法的流程图；
图3为本发明的实例中下行测站接收信号的主载波频谱图；
图4为本发明的一个实例中的先验光行时模型的波形图；
图5为根据图4的先验光行时模型获得的模型信号的频谱图；
图6为图5中的模型信号与图3中的信号共轭相乘并分段积分后的频谱图；
图7为利用锁相环对图6中积分后的信号进行跟踪滤波后的信号波形图；
图8为本发明的一个实例在一段时间内的残余频率的分布图；
图9为本发明的一个实例中的模型频率、残余频率、多普勒频率的对比示意图。
具体实施方式
为使进一步深入了解本发明的技术手段与特征，谨配合附图再予举例进一步具体说明于后：
根据图1所示，本发明基于的信号传播链路原理如下：
上行测站T0(t)向探测器S(t)发射上行信号Sig_up(t)，表示为：
Sig_up(t)＝A1(t)expi(2πf0t+φ1)] (1′)，
其中，f0为上行信号的初始频率(其频率标准由上行测站地面原子钟提供，稳定性在10-15s/day量级)，φ1为上行信号的初始相位，A1(t)为上行信号的幅度。
由于地球自转以及探测器S(t)运动产生的多普勒效应，探测器S(t)接收到的信号为：
其中，c为光速，k1为上行信号从上行测站T0(t)到探测器S(t)的波矢量大小，ρup(t)为沿着该波矢量方向传输的距离，式(2′)可简化为：
探测器S(t)接收到上行信号后对其进行锁频，并以相干转发比M(相干转发比M是指：如果上行测站T0(t)发射频率为f，则探测器S(t)转发的频率为Mf)转发给地面下行测站T1(t)。由于多普勒效应，下行测站T1(t)接收到的下行信号为：
其中，k2为下行信号从探测器S(t)到下行测站的波矢量大小，ρd(t)为沿着该波矢量方向传输的距离。式(4′)可简化为：
令先验光行时模型则式(5′)可进一步简化为：
Sig_down(t)＝A1(t)expi[2πMf0(t-τgeo(t))+φ1] (6′)；
在式(4′)～(6′)中，ρup(t)表示上行测站发送的信号传输的距离，ρd(t)表示探测器转发的信号的传输距离，c为光速。其中，由于地球的自转运动参数以及探测器沿轨迹运动的参数是已知的，因而可以根据探测器先验运动轨道、以及上行测站、下行测站的地理坐标计算得到先验光行时模型τgeo(t)。
本发明在上述原理的基础上提供了一种三向多普勒频率测量方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤1，假设上行测站发射信号的频率为f0，探测器相干转发比为M，则下行站接收信号Sig_down(t)可简单表示为：
Sig_down(t)＝A(t)expi[2πf(t)t+φ0]+noise1 (1)，
式(1)中，f(t)为待测的三向多普勒频率，A(t)、φ0、noise1分别为下行测站接收信号的幅度、初始相位与噪声，t为地心坐标系的坐标时。
步骤2，根据探测器的先验轨道、上行测站和下行测站的地理坐标建立先验光行时模型τgeo(t)：
在式(2)中，ρup(t)表示信号在上行测站与探测器之间传输的距离，ρd(t)表示信号在探测器与下行测站之间传输的距离。
步骤3，根据先验光行时模型τgeo(t)构建如式(3)所示的模型信号Sig_mod(t)以及模型频率fmod(t)：
Sig_mod(t)＝expi[2πMf0(t-τgeo(t))] (3)，
步骤4，将式(1)与式(3)共轭相乘得到多普勒补偿信号sig*(t)：
sig*(t)＝A(t)exp[jΔФ(t)]+noise2 (5)，
其中，noise2为多普勒信号sig*(t)的噪声，
ΔФ(t)＝2πf(t)t+φ0-2πMf0t+2πMf0τgeo(t) (6)；
本步骤体现了本发明的核心思想，即，通过共轭相乘实现模型补偿，移走了较大的多普勒频率，从而剩下的残余频率值较小，变化很小，便于后续滤波和残余频率估计，并且能保持系统的稳定性。
步骤5，对多普勒补偿信号sig*(t)进行分段积分滤波，分段时间优选为0.01～0.02s。
步骤6，采用锁相环对积分后的信号跟踪滤波，以估算其残余频率Δf(t)；以及
步骤7，根据以下公式(7)即可获取三向多普勒频率f(t)：
实例
以图3所示的VLBI天马站接收的信号为例进一步证实本发明的可行性。在该实例中，采样率为4MHz，带宽为2MHz，上行测站为佳木斯站，上行测站发射频率f0为7209.125MHz，相干转发比为880/749，Mf0为8470.0MHz。
图4为根据探测器的轨迹、以及上行测站下行测站的地理坐标计算的先验光行时模型τgeo(t)。
图5中虚线为根据先验光行时模型获得的模型信号的频谱图，从图中可以看出，模型信号与实际信号的主载波基本重合。
将模型信号与实际信号共轭相乘。由于两者频率接近，相乘后得到的信号频率值较小，其积分后的频谱图如图6所示。图6中，在06:17-06:23共6分钟的时间内，信号的残余频率集中在[-4，-2]Hz间。
利用锁相环对积分后的信号跟踪，图7为PLL跟踪滤波后的信号，可见PLL输出的滤波信号基本上无噪声。
图8为06:17-06:23时间段内的残余频率，对其进行5次多项式拟合，残差约8.8mHz。
图9为s3c09a(2013年12月9日的嫦娥三号观测任务代码)模型频率、残余频率、多普勒频率。其中，第1与10个观测弧段的开始，由于上行测站未发射信号，因此三向多普勒有明显偏差。
以上的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。
Claims (1)
1.一种基于先验模型的深空探测器三向多普勒测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，假设上行测站发射信号的频率为f0，探测器相干转发比为M，下行测站接收的信号Sig_down(t)表示为：
Sig_down(t)＝A(t)expi[2πf(t)t+φ0]+noise1 (1)，
式(1)中，f(t)为待测的三向多普勒频率，A(t)、φ0、noise1分别为所述下行测站接收的信号的幅度、初始相位和噪声，t为地心坐标系的坐标时；
步骤2，根据所述探测器的先验轨道以及所述上行测站和下行测站的地理坐标计算先验光行时模型τgeo(t)：
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在式(2)中，ρup(t)表示信号在所述上行测站与所述探测器之间传输的距离，ρd(t)表示信号在所述探测器与所述下行测站之间传输的距离，c表示光速；
步骤3，根据所述先验光行时模型τgeo(t)构建如式(3)所示的模型信号Sig_mod(t)：
Sig_mod(t)＝expi[2πMf0(t-τgeo(t))] (3)，
其中，该模型信号的模型频率为：
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步骤4，将式(1)与式(3)共轭相乘得到多普勒补偿信号sig*(t)：
sig*(t)＝A(t)exp[iΔΦ(t)]+noise2 (5)，
其中，noise2为信号sig*(t)的噪声，
ΔΦ(t)＝2πf(t)t+φ0-2πMf0t+2πMf0τgeo(t) (6)，
步骤5，对所述多普勒补偿信号sig*(t)进行分段积分滤波；
步骤6，利用锁相环对多普勒补偿信号进行跟踪，以估算其残余频率Δf(t)；以及
步骤7，根据所述残余频率Δf(t)及所述模型频率fmod(t)获取所述三向多普勒频率f(t)：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |