CN107643530A - 一种基于数据聚类的卫星信号处理及跟踪方法 - Google Patents

一种基于数据聚类的卫星信号处理及跟踪方法 Download PDF

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戴红军
陈怀超
丁雨林
吴卫星
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Abstract

本发明公开了一种基于数据聚类的卫星信号处理及跟踪方法，具体包含如下步骤；步骤1，采用信标接收机采集接收到的卫星信号；步骤2，将接收到的卫星信号的一段数据进行聚类算法分类；步骤3，将步骤2聚类算法分类后的数据进行预处理后平均；步骤4，将步骤3获取的多个平均值进行滑动平均值滤波，并将滤波处理后的平均值作为当前卫星信号强度；步骤5，根据当前卫星信号强度，调整天线面姿态，从而实现卫星信号的自动跟踪，通过卫星发射的广播信道，通过信标接收机采集信号经数字处理的方法，极大的降低了器件的成本，通过减少相关器件的类型而缩小体积、重量，运算速度较快，采用卫星真实信号搜索可减少误判，跟踪效果更佳准确。

Description

一种基于数据聚类的卫星信号处理及跟踪方法
技术领域
本发明属于卫星通讯自动控制领域，尤其涉及一种基于数据聚类的卫星信号处理及跟踪方法。
背景技术
通常的通讯卫星为了地面接收终端的搜索、寻星方便，会发射信标信号以辅助表征此卫星的信息。但是卫星带宽非常宝贵，如于2016年发射的我国第一个移动通信卫星——天通一号卫星，其接收信号处于S频段，只有30M带宽，而且其在全国以及周边海域分成点波束进行覆盖，并没有发射信标信号。
针对此类卫星，传统方法无法分析目标卫星信号，一般采取不分析目标卫星信号而进行盲搜索以及跟踪的方式。通常采用的方案为采用双天线，通过板卡实现定向，或依赖于高精度的陀螺敏感地球自转以实现定向。但是存在成本高、体积增大、寻星时间增长、跟踪精度差的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于数据聚类的卫星信号处理及跟踪方法，其通过分析目标卫星发射的广播信号，采用一种基于数据聚类的处理算法进行分析，解决了现有技术中存在的问题。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
一种基于数据聚类的卫星信号处理及跟踪方法，具体包含如下步骤；
步骤1，采用信标接收机采集接收到的卫星信号；
步骤2，将接收到的卫星信号的任一段数据进行聚类算法分类；
步骤3，将步骤2聚类算法分类后的数据进行预处理后平均；
步骤4，将步骤3获取的多个平均值进行滑动平均值滤波，并将滤波处理后的平均值作为当前卫星信号强度；
步骤5，根据当前卫星信号强度，调整天线面姿态，从而实现卫星信号的自动跟踪。
作为本发明一种基于数据聚类的卫星信号处理及跟踪方法的进一步优选方案，所述步骤1具体包含如下步骤；
步骤1.1，采用天线辐射面接收卫星信号的射频信号；
步骤1.2，经过双工器将接收的射频信号分离；
步骤1.3，将分离后的射频信号通过低噪声放大器LNA进行增益放大；
步骤1.4，将增益放大后的射频信号传输至信标接收机，通过信标接收机的处理器预先设定的目标频率进行变频，进而经过数字化处理转换成模拟信号输出。
作为本发明一种基于数据聚类的卫星信号处理及跟踪方法的进一步优选方案，所述步骤2具体包含如下步骤；
步骤2.1，将接收到的卫星信号进行局部放大，进而选取k个种子点，且k为正整数；
步骤2.2，获取卫星信号图中的任一数据点分别到k个种子点的距离，距离的计算公式具体为：
dik＝|yi-yk|
其中，dik表示第i个数据点到第k个种子点的距离，i表示对于此段数据的所有的遍历的第几个，yi表示第i个数据点的大小，yk表示第k个种子点的大小，其中i取正整数；
步骤2.3，将步骤2.2获取的卫星信号图中的任一数据点分别到k个种子点的距离进行对比，如果数据点Pi到种子点Sk的距离最近，则数据点Pi属于种子点Sk的点群；
步骤2.4，计算种子点到它的点群中心的距离，判断种子点是否发生点群移动，如果有则返回步骤2.1继续执行，反之则继续进行步骤3。
作为本发明一种基于数据聚类的卫星信号处理及跟踪方法的进一步优选方案，在步骤2.4中，种子点到它的点群中心的距离具体计算如下；
其中，yk种子点到它的点群中心的距离，N为点群Sk中数据点的个数，yi表示第i个数据点的大小。
作为本发明一种基于数据聚类的卫星信号处理及跟踪方法的进一步优选方案，在步骤3中，预处理具体为：根据信号聚类的连续，分类的结果的峰值信号，去掉中间变换过程的数据点。
作为本发明一种基于数据聚类的卫星信号处理及跟踪方法的进一步优选方案，在步骤1.3中，增益放大后射频信号为10～40dB。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、针对卫星通讯或其他卫星相关应用来说，接收到最强信号具有重要的意义，本发明可以提高设备的使用效率，减少临星干扰，增强设备的稳定性，而针对没有稳定信标信号的卫星，比如天通一号卫星，在类似产品中通常采用依赖相关传感器直接对准的方案；比如，采用支持RTK定位和定向的支持BD/GPS/GLONASS的多系统多频高精度板卡，双天线同时接收卫星定位信息而获取当前系统的定向信号，此种设备难以在短基线内实现高精度的定向效果，而且在受到遮挡情况下恢复时间较长，如果周围有障碍物则由于卫星信号传输的多路径效应而影响定位精度。同时增加设备即增大了体积重量，也增加成本。比如，通过高精度激光/光纤陀螺，经过捷联惯导罗经效应求真北方向。此种方案初始化时间很长，达十几分钟，而且元器件成本很高，在工程中难以应用；
2、本发明采用的聚类算法，并进行相关处理，可极大提高算法的适应性，增强系统的稳定性；噪声信号与波峰信号收地理位置、天气、卫星信号强度等多重因素影响，不能按照普通处理设定为一个常数，这样算法的适应性降低，会存在很多的误判；
3、本发明通过卫星发射的广播信道，通过信标接收机采集信号经数字处理的方法，极大的降低了器件的成本，通过减少相关器件的类型而缩小体积、重量，运算速度较快，采用卫星真实信号搜索可减少误判，跟踪效果更佳准确。此种方法可以广泛应用于此类卫星的自动跟踪设备中，比如动中通、静中通等全自动跟踪设备，方便使用。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明采用信标接收机采集接收到的卫星信号的流程图；
图3是本发明采用信标接收机采集接收到的卫星信号的采样时间及采样频率关系示意图；
图4是本发明采用信标接收机采集接收到的卫星信号的采样时间及采样频率关系局部放大示意图；
图5是本发明经过k-means算法对数据进行分类处理后的信号图；
图6是本发明滑动平均值滤波处理结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明首先采用信标接收机采集接收到的卫星信号，然后针对一段数据进行聚类算法分类，并对聚类内数据经过预处理后平均，之后对多个平均值再进行滤波，而作为当前卫星信号强度。处理器根据此卫星信号强度，通过电机或其他手段调整天线面姿态，从而实现自动跟踪的效果。
如图1所示，一种基于数据聚类的卫星信号处理及跟踪方法，具体如下：
步骤1，采用信标接收机采集接收到的卫星信号；
步骤2，将接收到的卫星信号的任一段数据进行聚类算法分类；
步骤3，将步骤2聚类算法分类后的数据进行预处理后平均；
步骤4，将步骤3获取的多个平均值进行滑动平均值滤波，并将滤波处理后的平均值作为当前卫星信号强度；
步骤5，根据当前卫星信号强度，调整天线面姿态，从而实现卫星信号的自动跟踪。
首先描述如何获得AD采样信号，具体流程如图2所示，
步骤1.1，采用天线辐射面接收卫星信号的射频信号；
步骤1.2，经过双工器将接收的射频信号分离；
步骤1.3，将分离后的射频信号通过低噪声放大器LNA进行增益放大；一般为10～40dB。
步骤1.4，将增益放大后的射频信号传输至信标接收机，通过信标接收机的处理器预先设定的目标频率进行变频，进而经过数字化处理转换成模拟信号输出。
电压经电路的线性处理后，进行AD采样变为数字信号由处理器进行高速采样。
其次描述获得的信号的类型，如图3所示，本发明采用信标接收机采集接收到的卫星信号的采样时间及采样频率关系示意图；
如图4所示，获取的AD采集的信号，其采样频率为2.5k，采样时间为43s。可以看到采集的信号存在不断的跳动，此信号无法直接表征卫星信号的强度；
处理步骤：
通过观察局部放大信号图可发现，信号具有周期性，周期约400ms。按照数据分类，此区间的数据包括信号为两类，波峰信号与噪声信号。当数据采集足够2s的数据之后，进行数据的处理；
按照k-means的数据聚类算法将数据聚类。
步骤2.1，将接收到的卫星信号进行局部放大，进而选取k个种子点，且k为正整数；
步骤2.2，获取卫星信号图中的任一数据点分别到k个种子点的距离，距离的计算公式具体为：
dik＝|yi-yk|
其中，dik表示第i个数据点到第k个种子点的距离，i表示对于此段数据的所有的遍历的第几个，yi表示第i个数据点的大小，yk表示第k个种子点的大小，其中i取正整数；
步骤2.3，将步骤2.2获取的卫星信号图中的任一数据点分别到k个种子点的距离进行对比，如果数据点Pi到种子点Sk的距离最近，则数据点Pi属于种子点Sk的点群；
步骤2.4，计算种子点到它的点群中心的距离，判断种子点是否发生点群移动，如果有则返回步骤2.1继续执行，反之则继续进行步骤3。
种子点到它的点群中心的距离具体计算如下；
其中，yk种子点到它的点群中心的距离，N为点群Sk中数据点的个数，yi表示第i个数据点的大小。
如图5所示，经过k-means算法对数据进行分类，绿色为噪声信号，红色点为固定时隙内的广播信道信号，可代表卫星信号强度。
步骤二：
根据信号聚类的连续，分类的结果的峰值信号，去掉中间变换过程的数据点，进行数据平均；
如图6所示，本发明滑动平均值滤波处理结果示意图。利用步骤3的结果，对于每两端的数据结果进行滑动平均值滤波。
综上所述，针对卫星通讯或其他卫星相关应用来说，接收到最强信号具有重要的意义，本发明可以提高设备的使用效率，减少临星干扰，增强设备的稳定性，而针对没有稳定信标信号的卫星，比如天通一号卫星，在类似产品中通常采用依赖相关传感器直接对准的方案；比如，采用支持RTK定位和定向的支持BD/GPS/GLONASS的多系统多频高精度板卡，双天线同时接收卫星定位信息而获取当前系统的定向信号，此种设备难以在短基线内实现高精度的定向效果，而且在受到遮挡情况下恢复时间较长，如果周围有障碍物则由于卫星信号传输的多路径效应而影响定位精度。同时增加设备即增大了体积重量，也增加成本。比如，通过高精度激光/光纤陀螺，经过捷联惯导罗经效应求真北方向。此种方案初始化时间很长，达十几分钟，而且元器件成本很高，在工程中难以应用；
本发明采用的聚类算法，并进行相关处理，可极大提高算法的适应性，增强系统的稳定性；噪声信号与波峰信号收地理位置、天气、卫星信号强度等多重因素影响，不能按照普通处理设定为一个常数，这样算法的适应性降低，会存在很多的误判；
本发明通过卫星发射的广播信道，通过信标接收机采集信号经数字处理的方法，极大的降低了器件的成本，通过减少相关器件的类型而缩小体积、重量，运算速度较快，采用卫星真实信号搜索可减少误判，跟踪效果更佳准确。此种方法可以广泛应用于此类卫星的自动跟踪设备中，比如动中通、静中通等全自动跟踪设备，方便使用。

Claims (6)

1.一种基于数据聚类的卫星信号处理及跟踪方法，其特征在于：具体包含如下步骤；
步骤1，采用信标接收机采集接收到的卫星信号；
步骤2，将接收到的卫星信号的任一段数据进行聚类算法分类；
步骤3，将步骤2聚类算法分类后的数据进行预处理后平均；
步骤4，将步骤3获取的多个平均值进行滑动平均值滤波，并将滤波处理后的平均值作为当前卫星信号强度；
步骤5，根据当前卫星信号强度，调整天线面姿态，从而实现卫星信号的自动跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种基于数据聚类的卫星信号处理及跟踪方法，其特征在于：所述步骤1具体包含如下步骤；
步骤1.1，采用天线辐射面接收卫星信号的射频信号；
步骤1.2，经过双工器将接收的射频信号分离；
步骤1.3，将分离后的射频信号通过低噪声放大器LNA进行增益放大；
步骤1.4，将增益放大后的射频信号传输至信标接收机，通过信标接收机的处理器预先设定的目标频率进行变频，进而经过数字化处理转换成模拟信号输出。
3.根据权利要求1所述的一种基于数据聚类的卫星信号处理及跟踪方法，其特征在于：所述步骤2具体包含如下步骤；
步骤2.1，将接收到的卫星信号的卫星信号图进行局部放大，进而选取k个种子点，且k为正整数；
步骤2.2，获取卫星信号图中的任一数据点分别到k个种子点的距离，距离的计算公式具体为：
dik＝|yi-yk|
其中，dik表示第i个数据点到第k个种子点的距离，i表示对于此段数据的所有的遍历的第几个，yi表示第i个数据点的大小，yk表示第k个种子点的大小，其中i取正整数；
步骤2.3，将步骤2.2获取的卫星信号图中的任一数据点分别到k个种子点的距离进行对比，如果数据点Pi到种子点Sk的距离最近，则数据点Pi属于种子点Sk的点群；
步骤2.4，计算种子点到它的点群中心的距离，判断种子点是否发生点群移动，如果有则返回步骤2.1继续执行，反之则继续进行步骤3。
4.根据权利要求1所述的一种基于数据聚类的卫星信号处理及跟踪方法，其特征在于：在步骤2.4中，种子点到它的点群中心的距离具体计算如下；
<mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&amp;Element;</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>k</mi> </msub> </mrow> </munder> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow>
其中，yk种子点到它的点群中心的距离，N为点群Sk中数据点的个数，yi表示第i个数据点的大小。
5.根据权利要求1所述的一种基于数据聚类的卫星信号处理及跟踪方法，其特征在于：在步骤3中，预处理具体为：根据信号聚类的连续，分类的结果的峰值信号，去掉中间变换过程的数据点。
6.根据权利要求1所述的一种基于数据聚类的卫星信号处理及跟踪方法，其特征在于：在步骤1.3中，增益放大后射频信号为10～40dB。
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