CN109257085B - 人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得方法及装置，可以获得人造卫星的三维运动参数以及飞行设备的三维运动参数，并确定卫星与飞行设备的相对三维运动参数，进而根据相对三维运动参数计算得到人造卫星与飞行设备间的多普勒频移。由于本发明实施例将人造卫星和飞行设备的三维运动参数都考虑进来用于进行多普勒频移的计算，因此本发明可以准确计算得到人造卫星与高速飞行设备之间的多普勒频移，有效提高了多普勒频移的准确性。本发明计算获得的多普勒频移进行频率补偿可以有效提高通信的准确性，保证了良好的通信效果。

Description

人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得方法及装置
技术领域
本发明涉及通信领域，特别涉及人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得方法及装置。
背景技术
多普勒频移是由多普勒效应造成，当信号发射端或信号接收端移动时，信号发射端发射的信号的频率和信号接收端接收的信号的频率之差即为多普勒频移。多普勒频移会导致无线通信中发射的信号的频率和接收的信号的频率不一致，从而使得加载在频率上的信号无法准确接收，甚至无法接收到。在计算获得多普勒频移后，可以使用多普勒频移进行频率补偿以使得无线信号被准确接收。可见，获得准确的多普勒频移对于通信过程十分重要。
现有的多普勒频移获得方案多应用在地表的两个设备之间，例如：计算在固定在地面的基站与移动中的手机间的多普勒频移。由于基站是固定在地面的，因此现有技术只需要获得手机的运动参数便可计算得到多普勒频移。但现有的多普勒频移获得方案并不适用于三维空间内两个高速运动的物体之间的多普勒频移计算。尤其在卫星通信领域，人造卫星在围绕地球做高速运动，当与人造卫星通信的设备同样在三维空间内高速飞行时，通信双方的运动场景将较为复杂。
因此，如何获得人造卫星与飞行设备间的多普勒频移仍是本领域一个亟待解决的技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得方法及装置，以获得人造卫星与飞行设备间的多普勒频移，方案如下：
本发明提供一种人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得方法，所述方法包括：
获得人造卫星分别在多个时刻的第一三维运动参数，获得与所述人造卫星无线连接的飞行设备分别在多个时刻的第二三维运动参数，其中，所述飞行设备的飞行速度不低于预设速度；
确定所述第一三维运动参数所在的时刻与所述第二三维运动参数所在的时刻中的相同时刻，根据相同时刻的所述第一三维运动参数与所述第二三维运动参数计算在该相同时刻的所述人造卫星与所述飞行设备的相对三维运动参数；
根据所述相对三维运动参数计算得到所述人造卫星与所述飞行设备间的多普勒频移。
优选的，所述获得人造卫星分别在多个时刻的第一三维运动参数，包括：
获得人造卫星的轨道六要素；
根据所述轨道六要素计算得到所述人造卫星分别在多个时刻的第一三维运动参数。
优选的，所述获得与所述人造卫星通信连接的飞行设备分别在多个时刻的第二三维运动参数，包括：
获得与所述人造卫星通信连接的飞行设备分别在第二时刻、第三时刻的第二三维运动参数；
根据所述飞行设备分别在第二时刻、第三时刻的第二三维运动参数计算得到所述飞行设备在第一时刻的第二三维运动参数，其中，所述第一时刻为所述第一三维运动参数所在的时刻中的一个时刻，所述第二时刻与所述第一时刻之间的时间间隔小于预设间隔，所述第三时刻与所述第一时刻之间的时间间隔小于所述预设间隔。
优选的，所述确定所述第一三维运动参数所在的时刻与所述第二三维运动参数所在的时刻中的相同时刻，根据相同时刻的所述第一三维运动参数与所述第二三维运动参数计算在该相同时刻的所述人造卫星与所述飞行设备的相对三维运动参数，包括：
将各所述第一三维运动参数按所在时刻的先后顺序进行排序，获得第一序列，将所述第二运动参数按所在时刻的先后顺序进行排序，获得第二序列；
选取所述第一序列中排列在第一位的所述第一三维运动参数作为第一当前三维运动参数，选取所述第二序列中排列在第一位的所述第二三维运动参数作为第二当前三维运动参数；
判断第一当前三维运动参数所在时刻与第二当前三维运动参数所在时刻是否相同，如果是，则根据第一当前三维运动参数和第二当前三维运动参数计算在第一当前三维运动参数所在的时刻的所述人造卫星与所述飞行设备的相对三维运动参数；否则，判断第一当前三维运动参数所在时刻是否大于第二当前三维运动参数所在时刻，如果是，则判断第二当前三维运动参数是否为所述第二序列中的最后一个，如果是最后一个，则结束处理，如果不是最后一个，则将第二当前三维运动参数在所述第二序列中的下一位第二三维运动参数确定为第二当前三维运动参数并返回执行所述判断第一当前三维运动参数所在时刻与第二当前三维运动参数所在时刻是否相同的步骤；如果第一当前三维运动参数所在时刻不大于第二当前三维运动参数所在时刻，则判断第一当前三维运动参数是否为第一序列中的最后一个，如果是，则结束处理，如果不是最后一个，则将第一当前三维运动参数在所述第一序列中的下一位第一三维运动参数确定为第一当前三维运动参数并返回执行所述判断第一当前三维运动参数所在时刻与第二当前三维运动参数所在时刻是否相同的步骤。
优选的，所述第一三维运动参数和所述第二三维运动参数均包括：所在位置的三维坐标和速度矢量，所述相对三维运动参数包括：所述飞行设备相对于所述人造卫星的相对速度矢量以及所述飞行设备发送至所述人造卫星的无线信号的方向。
优选的，所述根据所述相对三维运动参数计算得到所述人造卫星与所述飞行设备间的多普勒频移，包括：
通过公式：
Figure RE-GDA0001892037090000031
计算得到所述多普勒频移fd(n)，其中，c为光速，
Figure RE-GDA0001892037090000032
为第n时刻下所述飞行设备相对于所述人造卫星的相对速度矢量，f为所述飞行设备发出的无线信号的频率，
Figure RE-GDA0001892037090000041
为所述飞行设备发送至所述人造卫星的无线信号的方向；
Figure RE-GDA0001892037090000042
为
Figure RE-GDA0001892037090000043
和
Figure RE-GDA0001892037090000044
的夹角。
本发明还提供一种人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得装置，所述人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得装置包括：第一三维运动参数获得模块、第二三维运动参数获得模块、时刻确定模块、相对三维运动参数计算模块和多普勒频移计算模块；
所述第一三维运动参数获得模块，用于获得人造卫星分别在多个时刻的第一三维运动参数；
所述第二三维运动参数获得模块，用于获得与所述人造卫星无线连接的飞行设备分别在多个时刻的第二三维运动参数；
所述时刻确定模块，用于确定所述第一三维运动参数所在的时刻与所述第二三维运动参数所在的时刻中的相同时刻；
所述相对三维运动参数计算模块，用于根据相同时刻的所述第一三维运动参数与所述第二三维运动参数计算在该相同时刻的所述人造卫星与所述飞行设备的相对三维运动参数；
所述多普勒频移计算模块，用于根据所述相对三维运动参数计算得到所述人造卫星与所述飞行设备间的多普勒频移。
优选的，所述第一三维运动参数获得模块包括：轨道要素获得子模块和第一三维运动参数计算子模块；
所述轨道要素获得子模块，用于获得人造卫星的轨道六要素；
所述第一三维运动参数计算子模块，用于根据所述轨道六要素计算得到所述人造卫星分别在多个时刻的第一三维运动参数。
优选的，所述第二三维运动参数获得模块包括：第二三维运动参数获得子模块和第二三维运动参数计算子模块；
所述第二三维运动参数获得子模块，用于获得与所述人造卫星通信连接的飞行设备分别在第二时刻、第三时刻的第二三维运动参数；
所述第二三维运动参数计算子模块，用于根据所述飞行设备分别在第二时刻、第三时刻的第二三维运动参数计算得到所述飞行设备在第一时刻的第二三维运动参数，其中，所述第一时刻为所述第一三维运动参数所在的时刻中的一个时刻，所述第二时刻与所述第一时刻之间的时间间隔小于预设间隔，所述第三时刻与所述第一时刻之间的时间间隔小于所述预设间隔。
优选的，所述时刻确定模块包括：时刻判断子模块、第一序列获得子模块、第二序列获得子模块、第一当前参数选取子模块、第二当前参数选取子模块、第一判断子模块和第二判断子模块；
所述第一序列获得子模块，用于将各所述第一三维运动参数按所在时刻的先后顺序进行排序，获得第一序列；
所述第二序列获得子模块，用于将所述第二运动参数按所在时刻的先后顺序进行排序，获得第二序列；
所述第一当前参数选取子模块，用于选取所述第一序列中排列在第一位的所述第一三维运动参数作为第一当前三维运动参数；
所述第二当前参数选取子模块，用于选取所述第一序列中排列在第一位的所述第二三维运动参数作为第二当前三维运动参数。
所述时刻判断子模块，用于判断第一当前三维运动参数所在时刻与第二当前三维运动参数所在时刻是否相同，如果是，则触发所述相对三维运动参数计算模块根据第一当前三维运动参数和第二当前三维运动参数计算在第一当前三维运动参数所在的时刻的所述人造卫星与所述飞行设备的相对三维运动参数；否则，触发所述第一判断子模块判断第一当前三维运动参数所在时刻是否大于第二当前三维运动参数所在时刻，如果是，则触发所述第二判断子模块判断第二当前三维运动参数是否为所述第二序列中的最后一个，如果是最后一个，则结束处理，如果不是最后一个，则触发所述第二当前参数选取子模块将第二当前三维运动参数在所述第二序列中的下一位第二三维运动参数确定为第二当前三维运动参数并触发所述时刻判断子模块；如果所述第一判断子模块判断第一当前三维运动参数所在时刻不大于第二当前三维运动参数所在时刻，则触发所述第二判断子模块判断第一当前三维运动参数是否为第一序列中的最后一个，如果是，则结束处理，如果不是最后一个，则触发所述第一当前参数选取子模块将第一当前三维运动参数在所述第一序列中的下一位第一三维运动参数确定为第一当前三维运动参数并触发所述时刻判断子模块。
本发明实施例提供的一种人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得方法及装置，可以获得人造卫星的三维运动参数以及飞行设备的三维运动参数，并确定卫星与飞行设备的相对三维运动参数，进而根据相对三维运动参数计算得到人造卫星与飞行设备间的多普勒频移。由于本发明实施例将人造卫星和飞行设备的三维运动参数都考虑进来用于进行多普勒频移的计算，因此本发明可以准确计算得到人造卫星与高速飞行设备之间的多普勒频移，有效提高了多普勒频移的准确性。使用本发明实施例计算获得的多普勒频移进行频率补偿可以有效提高通信的准确性，保证了良好的通信效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例提供的一种人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种计算相对运动参数的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得装置中第一三维运动参数获得模块的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得装置中第二三维运动参数获得模块的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得装置中时刻确定模块的结构示意图。
具体实施方式
本发明公开了人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得方法及装置，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
如图1所示，本发明实施例提供的一种人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得方法，可以包括：
S100、获得人造卫星分别在多个时刻的第一三维运动参数，获得与所述人造卫星无线连接的飞行设备分别在多个时刻的第二三维运动参数，其中，所述飞行设备的飞行速度不低于预设速度；
在实际应用中，本发明实施例可以选择一个三维坐标系，将人造卫星和飞行设备的运动均置于该三维坐标系内，然后获得人造卫星和飞行设备在该三维坐标系内的三维运动参数。可选的，本发明实施例选择的三维坐标系可以为地固坐标系。地固坐标系是固定在地球上与地球一起旋转的坐标系，其坐标原点为参考椭球中心或者地心，x轴指向为原点指向地球赤道面与本初子午线的交点，z轴指向与地极方向相同，y轴指向由右手定则确定。
具体的，步骤S100获得人造卫星分别在多个时刻的第一三维运动参数的过程可以包括：
获得人造卫星的轨道六要素；
根据所述轨道六要素计算得到所述人造卫星分别在多个时刻的第一三维运动参数。
其中，人造卫星的轨道六要素包括：人造卫星的轨道的长轴、短轴、交点角、近地点幅角、轨道倾角及过近地点时刻。具体的，所述第一三维运动参数和所述第二三维运动参数均包括：所在位置的三维坐标和速度矢量。
在实际应用中，根据所述轨道六要素计算得到所述人造卫星分别在多个时刻的三维坐标和速度矢量的方法有多种，本发明不再赘述。
具体的，人造卫星在时刻n的三维坐标可以表示为：[X'(n),Y'(n),Z'(n)]，人造卫星在时刻n的速度矢量可以表示为：
Figure RE-GDA0001892037090000071
其中，
Figure RE-GDA0001892037090000072
具体的，V'x(n)、V'y(n)、V'z(n)分别为人造卫星在时刻n的速度矢量在x轴、y轴、 z轴上的速度分量。
在实际应用中，本发明实施例还可以获得人造卫星的加速度矢量。具体的获得方法可以有多种，下面示例性提供其中一种：
假设人造卫星在时刻n与时刻n+1间做匀加速运动(即加速度不变)，则本发明实施例可以通过公式：
Figure RE-GDA0001892037090000081
Figure RE-GDA0001892037090000082
Figure RE-GDA0001892037090000083
计算得到人造卫星在时刻n的加速度矢量
Figure RE-GDA0001892037090000084
分别在x轴、y轴、z轴上的加速度分量A'x(n)、A'y(n)、A'z(n)。其中，
Figure RE-GDA0001892037090000085
可以理解的是，本发明实施例计算获得人造卫星在时刻n的加速度矢量后可以将其与其他三维运动参数一起输出以使用户了解人造卫星与飞行设备的运动参数。
可选的，与人造卫星无线连接的飞行设备的种类可以有多种，例如：飞机、导弹、卫星、空间站、太空飞船等在空中高速飞行的设备。由于这些飞行设备的飞行速度很大，因此如将其视为静止状态则将使得计算得到的多普勒频移的误差较大，进而影响频率补偿结果，使得传输的无线信号无法被准确接收。本发明实施例将人造卫星和飞行设备的三维运动参数都考虑进来并用于进行多普勒频移的计算可以有效解决该问题。
具体的，本发明实施例获得飞行设备的第二三维运动参数的方式有多种，例如：通过地面雷达站对飞行设备进行扫描以获得飞行设备的三维运动参数。可选的，上述地面雷达站可以为多个。
可选的，本发明实施例中的预设速度可以大于700公里/小时。
具体的，飞行设备在时刻n的三维坐标可以表示为：[X(n),Y(n),Z(n)]，飞行设备在时刻n的速度矢量可以表示为：
Figure RE-GDA0001892037090000086
其中，
Figure RE-GDA0001892037090000087
具体的，Vx(n)、Vy(n)、Vz(n)分别为飞行设备在时刻n的速度矢量在x轴、y 轴、z轴上的速度分量。
在实际应用中，本发明实施例还可以获得飞行设备的加速度矢量
Figure RE-GDA0001892037090000088
获得加速度矢量的方式可以和获得飞行设备速度矢量的方式相同，也可以在获得飞行设备的速度矢量后，根据速度矢量计算得到加速度矢量，本发明在此不做限定。
同样，本发明实施例也可以将加速度矢量输出。
可选的，本发明实施例可以将获得的第一三维运动参数和其所在时刻对应存储在人造卫星动态特性文件中。相应的，本发明实施例也可以将获得的第二三维运动参数和其所在时刻对应存储在飞行设备动态特性文件中。步骤 S200只需要从这两个动态特性文件中获取相同时刻的三维运动参数即可计算得到相对三维运动参数。
S200、确定所述第一三维运动参数所在的时刻与所述第二三维运动参数所在的时刻中的相同时刻，根据相同时刻的所述第一三维运动参数与所述第二三维运动参数计算在该相同时刻的所述卫星与所述飞行设备的相对三维运动参数；
可选的，步骤S200可以确定所述第一三维运动参数所在的时刻与所述第二三维运动参数所在的时刻中的所有相同时刻并计算所有相同时刻的相对三维运动参数。
具体的，确定所述第一三维运动参数所在的时刻与所述第二三维运动参数所在的时刻中的相同时刻的方式有多种，例如：将所述第一三维运动参数所在的时刻中的每个时刻均与第二三维运动参数所在的时刻中每个时刻对比，确定第一三维运动参数所在的时刻与所述第二三维运动参数所在的时刻中的相同时刻。
下面本发明实施例示例性提供步骤S200的一种可选实施方式。如图2所示，步骤S200可以具体包括：
S201、将各所述第一三维运动参数按所在时刻的先后顺序进行排序，获得第一序列，将所述第二运动参数按所在时刻的先后顺序进行排序，获得第二序列；
S202、选取所述第一序列中排列在第一位的所述第一三维运动参数作为第一当前三维运动参数，选取所述第二序列中排列在第一位的所述第二三维运动参数作为第二当前三维运动参数；
S203、判断第一当前三维运动参数所在时刻与第二当前三维运动参数所在时刻是否相同，如果是，则执行步骤S204；否则，执行步骤S205；
S204、根据第一当前三维运动参数和第二当前三维运动参数计算在第一当前三维运动参数所在的时刻的所述卫星与所述飞行设备的相对三维运动参数；
S205、判断第一当前三维运动参数所在时刻是否晚于第二当前三维运动参数所在时刻，如果是，则执行步骤S206；如果第一当前三维运动参数所在时刻不晚于第二当前三维运动参数所在时刻，则执行步骤S208；
S206、判断第二当前三维运动参数是否为所述第二序列中的最后一个，如果是最后一个，则结束处理，如果不是最后一个，则执行步骤S207；
S207、将第二当前三维运动参数在所述第二序列中的下一位第二三维运动参数确定为第二当前三维运动参数并返回执行所述步骤S203；
S208、判断第一当前三维运动参数是否为第一序列中的最后一个，如果是，则结束处理，如果不是最后一个，则执行步骤S209；
S209、将第一当前三维运动参数在所述第一序列中的下一位第一三维运动参数确定为第一当前三维运动参数并返回执行所述步骤S203。
本发明实施例通过图2所示方案可以有效降低时刻对比的次数，实现了时刻的快速对比，提高了相对三维运动参数的获得速度。
其中，相对三维运动参数可以包括：所述飞行设备相对于所述人造卫星的相对速度矢量
Figure RE-GDA0001892037090000101
以及所述飞行设备发送至所述人造卫星的无线信号的方向
Figure RE-GDA0001892037090000102
可以理解的是，本发明实施例可以分别通过公式：
Figure RE-GDA0001892037090000103
Figure RE-GDA0001892037090000104
计算获得
Figure RE-GDA0001892037090000105
和
Figure RE-GDA0001892037090000106
当然，在本发明其他实施例中，还可以通过公式
Figure RE-GDA0001892037090000107
计算获得飞行设备相对于所述人造卫星的相对加速度矢量
Figure RE-GDA0001892037090000108
并将
Figure RE-GDA0001892037090000109
输出。当然，本发明实施例还可以进一步通过公式：
Figure RE-GDA00018920370900001010
计算获得相对加速度矢量的模RA(n)并输出，其中，RAx(n)＝Ax(n)-A'x(n)， RAy(n)＝Ay(n)-A'y(n)，RAz(n)＝Az(n)-A'z(n)。
在实际应用中，本发明实施例获得
Figure RE-GDA0001892037090000111
后，可以进一步通过公式：
Figure RE-GDA0001892037090000112
获得飞行设备与人造卫星的距离RD(n)并输出，其中， RX(n)＝X(n)-X'(n)，RY(n)＝Y(n)-Y'(n)，RZ(n)＝Z(n)-Z'(n)。
相应的，本发明实施例也可以通过公式：
Figure RE-GDA0001892037090000113
获得相对速度矢量的模(即相对速率)RV(n)并输出，其中， RVx(n)＝Vx(n)-V′x(n)，RVy(n)＝Vy(n)-V'y(n)，RVz(n)＝Vz(n)-V'z(n)。
S300、根据所述相对三维运动参数计算得到所述人造卫星与所述飞行设备间的多普勒频移。
可选的，本发明即可计算得到人造卫星发送至飞行设备的无线信号的多普勒频移，也可计算得到飞行设备发送至人造卫星的无线信号的多普勒频移。
具体的，步骤S300计算飞行设备发送至所述人造卫星的无线信号的多普勒频移的过程可以具体包括：
通过公式：
Figure RE-GDA0001892037090000114
计算得到所述多普勒频移fd(n)，其中，c为光速，
Figure RE-GDA0001892037090000115
为第n时刻下所述飞行设备相对于所述人造卫星的相对速度矢量，f为所述飞行设备发出的无线信号的频率，
Figure RE-GDA0001892037090000116
为所述飞行设备发送至所述人造卫星的无线信号的方向；
Figure RE-GDA0001892037090000117
为
Figure RE-GDA0001892037090000118
和
Figure RE-GDA0001892037090000119
的夹角。
相应的，步骤S300计算人造卫星发送至飞行设备的无线信号的多普勒频移的过程可以具体包括：
通过公式：
Figure RE-GDA00018920370900001110
计算得到所述多普勒频移fd(n)，其中，c为光速，
Figure RE-GDA00018920370900001111
为第n时刻下所述飞行设备相对于所述人造卫星的相对速度矢量，f为所述飞行设备发出的无线信号的频率，
Figure RE-GDA00018920370900001112
为人造卫星发送至飞行设备的无线信号的方向；
Figure RE-GDA00018920370900001113
为
Figure RE-GDA00018920370900001114
和
Figure RE-GDA00018920370900001115
的夹角。
其中，
Figure RE-GDA0001892037090000121
在本发明其他实施例中，还可以根据飞行设备的至少两个时刻的第二三维运动参数计算得到其他时刻的第二三维运动参数，例如：根据两个时刻的第二三维运动参数计算得到这两个时刻的中间时刻的第二三维运动参数。
因此，本发明实施例中步骤S100中获得与所述人造卫星通信连接的飞行设备分别在多个时刻的第二三维运动参数的过程可以包括：
获得与所述人造卫星通信连接的飞行设备分别在第二时刻、第三时刻的第二三维运动参数；
根据所述飞行设备分别在第二时刻、第三时刻的第二三维运动参数计算得到所述飞行设备在第一时刻的第二三维运动参数，其中，所述第一时刻为所述第一三维运动参数所在的时刻中的一个时刻，所述第二时刻与所述第一时刻之间的时间间隔小于预设间隔，所述第三时刻与所述第一时刻之间的时间间隔小于所述预设间隔。
可以理解的是，当时刻相近时，可以认为飞行设备的运动参数是较为平滑的逐步改变，因此本发明可以通过两个时刻的第二三维运动参数确定第二三维运动参数随时间的变化程度，进而估算出其他时刻的第二三维运动参数。
优选的，所述第二时刻早于所述第一时刻，所述第三时刻晚于所述第一时刻。
可选的，本发明在获得多普勒频移后，可以使用该多普勒频移进行频率补偿。进行频率补偿的具体方案有多种，均为现有技术，本发明在此不再赘述。
本发明实施例提供的一种人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得方法，可以获得人造卫星的三维运动参数以及飞行设备的三维运动参数，并确定卫星与飞行设备的相对三维运动参数，进而根据相对三维运动参数计算得到人造卫星与飞行设备间的多普勒频移。由于本发明实施例将人造卫星和飞行设备的三维运动参数都考虑进来用于进行多普勒频移的计算，因此本发明可以准确计算得到人造卫星与高速飞行设备之间的多普勒频移，有效提高了多普勒频移的准确性。使用本发明实施例计算获得的多普勒频移进行频率补偿可以有效提高通信的准确性，保证了良好的通信效果。
与本发明提供的一种人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得方法对应，本发明实施例还提供了一种人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得装置，下面结合图示对本发明实施例提供的一种人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得装置进行详细说明。
如图3所示，本发明实施例提供的一种人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得装置，可以包括：第一三维运动参数获得模块01、第二三维运动参数获得模块02、时刻确定模块03、相对三维运动参数计算模块04和多普勒频移计算模块05；
所述第一三维运动参数获得模块01，用于获得人造卫星分别在多个时刻的第一三维运动参数；
本发明实施例可以依据地固坐标系建立一个三维坐标系，将人造卫星和飞行设备的运动均置于该三维坐标系内，然后获得人造卫星和飞行设备在该三维坐标系内的三维运动参数。
如图4所示，本发明实施例中所述第一三维运动参数获得模块01可以包括轨道要素获得子模块06和第一三维运动参数计算子模块07。
所述轨道要素获得子模块06，用于获得人造卫星的轨道六要素；
所述第一三维运动参数计算子模块07，用于根据所述轨道六要素计算得到所述人造卫星分别在多个时刻的第一三维运动参数。
具体的，人造卫星的轨迹是一定的，并且可以通过运动轨迹的轨道六要素计算得到该运动轨迹下的人造卫星各时刻的轨道位置和运动参数。由于根据所述轨道六要素计算得到所述人造卫星在各时刻三维坐标和速度矢量的方法为现有的成熟方案，本发明不再赘述。
所述第二三维运动参数获得模块02，用于获得与所述人造卫星无线连接的飞行设备分别在多个时刻的第二三维运动参数；
在实际应用中，本发明实施例可以通过多种方式获得所述飞行设备的第二三维运动参数例如：通过地面雷达站对飞行设备进行扫描以获得飞行设备的三维运动参数。可选的，上述地面雷达站可以为多个。
如图5所示，本发明实施例在实际应用中，所述第二三维运动参数获得模块02可以包括：第二三维运动参数获得子模块08和第二三维运动参数计算子模块09；
所述第二三维运动参数获得子模块08，用于获得与所述人造卫星通信连接的飞行设备分别在第二时刻、第三时刻的第二三维运动参数；
所述第二三维运动参数计算子模块09，用于根据所述飞行设备分别在第二时刻、第三时刻的第二三维运动参数计算得到所述飞行设备在第一时刻的第二三维运动参数，其中，所述第一时刻为所述第一三维运动参数所在的时刻中的一个时刻，所述第二时刻与所述第一时刻之间的时间间隔小于预设间隔，所述第三时刻与所述第一时刻之间的时间间隔小于所述预设间隔。
可选的，当时刻相近时，本发明实施例可以认为飞行设备的运动参数是较为平滑的逐步改变，因此本发明可以通过两个时刻的第二三维运动参数确定第二三维运动参数随时间的变化程度，进而估算出其他时刻的第二三维运动参数。其中，所述第一时刻为所述第一三维运动参数所在的时刻中的一个时刻，所述第二时刻与所述第一时刻之间的时间间隔小于预设间隔，所述第三时刻与所述第一时刻之间的时间间隔小于所述预设间隔。
所述第二时刻早于所述第一时刻，所述第三时刻晚于所述第一时刻。
所述时刻确定模块03，用于确定所述第一三维运动参数所在的时刻与所述第二三维运动参数所在的时刻中的相同时刻；
所述相对三维运动参数计算模块04，用于根据相同时刻的所述第一三维运动参数与所述第二三维运动参数计算在该相同时刻的所述人造卫星与所述飞行设备的相对三维运动参数；
在本发明实施例中计算得到所述人造卫星和所述飞行设备的相对运动参数后，可以将所述相对运动参数进行输出以供用户了解人造卫星与飞行设备的运动参数。
具体的，确定所述第一三维运动参数所在的时刻与所述第二三维运动参数所在的时刻中的相同时刻的方式可以有多种，例如：将所述第一三维运动参数所在的时刻中的每个时刻均与第二三维运动参数所在的时刻中每个时刻对比，确定第一三维运动参数所在的时刻与所述第二三维运动参数所在的时刻中的相同时刻。
所述多普勒频移计算模块05，用于根据所述相对三维运动参数计算得到所述人造卫星与所述飞行设备间的多普勒频移。
可选的，本发明在获得多普勒频移后，可以使用该多普勒频移进行频率补偿。进行频率补偿的具体方案有多种，均为现有技术，本发明在此不再赘述。
本发明实施例通过同时根据所述人造卫星的第一三维运动参数和所述飞行设备的第二三维运动参数计算得到相对运动参数以及多普勒频移，可以获得更加精确的多普勒频移，进而对产生的多普勒频移进行更准确的补偿，提高通信的准确性和通信信号的质量。
如图6所示，本发明实施例所提供的一种人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得装置中，所述时刻确定模块可以包括：时刻判断子模块10、第一序列获得子模块11、第二序列获得子模块12、第一当前参数选取子模块13、第二当前参数选取子模块14、第一判断子模块15和第二判断子模块16；
所述第一序列获得子模块11，用于将各所述第一三维运动参数按所在时刻的先后顺序进行排序，获得第一序列；
所述第二序列获得子模块12，用于将所述第二运动参数按所在时刻的先后顺序进行排序，获得第二序列；
所述第一当前参数选取子模块13，用于选取所述第一序列中排列在第一位的所述第一三维运动参数作为第一当前三维运动参数；
所述第二当前参数选取子模块14，用于选取所述第一序列中排列在第一位的所述第二三维运动参数作为第二当前三维运动参数。
所述时刻判断子模块10判断第一当前三维运动参数所在时刻与第二当前三维运动参数所在时刻是否相同，如果是，则触发所述相对三维运动参数计算模块04根据第一当前三维运动参数和第二当前三维运动参数计算在第一当前三维运动参数所在的时刻的所述人造卫星与所述飞行设备的相对三维运动参数；否则，触发所述第一判断子模块15判断第一当前三维运动参数所在时刻是否大于第二当前三维运动参数所在时刻，如果是，则触发所述第二判断子模块16判断第二当前三维运动参数是否为所述第二序列中的最后一个，如果是最后一个，则结束处理，如果不是最后一个，则触发所述第二当前参数选取子模块14将第二当前三维运动参数在所述第二序列中的下一位第二三维运动参数确定为第二当前三维运动参数并触发所述时刻判断子模块10；如果所述第一判断子模块15判断第一当前三维运动参数所在时刻不大于第二当前三维运动参数所在时刻，则触发所述第二判断子模块16判断第一当前三维运动参数是否为第一序列中的最后一个，如果是，则结束处理，如果不是最后一个，则触发所述第一当前参数选取子模块13将第一当前三维运动参数在所述第一序列中的下一位第一三维运动参数确定为第一当前三维运动参数并触发所述时刻判断子模块10。
其中，在实际应用中，所述第一判断子模块15和所述第二判断子模块16 可以为相同的模块或不同的模块。
可以理解的是，如果所述第一当前三维运动参数和第二当前三维运动参数中至少一个为所在序列中的最后一个，则在将该所述第一当前三维运动参数或该所述第二当前三维运动参数进行对比结束后，如果时刻不同，则不再重复触发所述时刻判断子模块10判断第一当前三维运动参数所在时刻与第二当前三维运动参数所在时刻是否相同，直接退出处理流程。
本发明实施例通过将各所述第一三维运动参数和各按所述第二三维运动参数所在时刻的先后顺序分别进行排序，可以将减少时刻对比的次数，提高计算效率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得方法，其特征在于，所述方法包括：
获得人造卫星分别在多个时刻的第一三维运动参数，获得与所述人造卫星无线连接的飞行设备分别在多个时刻的第二三维运动参数，其中，所述飞行设备的飞行速度不低于预设速度；
确定所述第一三维运动参数所在的时刻与所述第二三维运动参数所在的时刻中的相同时刻，根据相同时刻的所述第一三维运动参数与所述第二三维运动参数计算在该相同时刻的所述人造卫星与所述飞行设备的相对三维运动参数；
根据所述相对三维运动参数计算得到所述人造卫星与所述飞行设备间的多普勒频移；
其中，所述确定所述第一三维运动参数所在的时刻与所述第二三维运动参数所在的时刻中的相同时刻，根据相同时刻的所述第一三维运动参数与所述第二三维运动参数计算在该相同时刻的所述人造卫星与所述飞行设备的相对三维运动参数，包括：
将各所述第一三维运动参数按所在时刻的先后顺序进行排序，获得第一序列，将所述第二三维运动参数按所在时刻的先后顺序进行排序，获得第二序列；
选取所述第一序列中排列在第一位的所述第一三维运动参数作为第一当前三维运动参数，选取所述第二序列中排列在第一位的所述第二三维运动参数作为第二当前三维运动参数；
判断第一当前三维运动参数所在时刻与第二当前三维运动参数所在时刻是否相同，如果是，则根据第一当前三维运动参数和第二当前三维运动参数计算在第一当前三维运动参数所在的时刻的所述人造卫星与所述飞行设备的相对三维运动参数；否则，判断第一当前三维运动参数所在时刻是否大于第二当前三维运动参数所在时刻，如果是，则判断第二当前三维运动参数是否为所述第二序列中的最后一个，如果是最后一个，则结束处理，如果不是最后一个，则将第二当前三维运动参数在所述第二序列中的下一位第二三维运动参数确定为第二当前三维运动参数并返回执行所述判断第一当前三维运动参数所在时刻与第二当前三维运动参数所在时刻是否相同的步骤；如果第一当前三维运动参数所在时刻不大于第二当前三维运动参数所在时刻，则判断第一当前三维运动参数是否为第一序列中的最后一个，如果是，则结束处理，如果不是最后一个，则将第一当前三维运动参数在所述第一序列中的下一位第一三维运动参数确定为第一当前三维运动参数并返回执行所述判断第一当前三维运动参数所在时刻与第二当前三维运动参数所在时刻是否相同的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得人造卫星分别在多个时刻的第一三维运动参数，包括：
获得人造卫星的轨道六要素；
根据所述轨道六要素计算得到所述人造卫星分别在多个时刻的第一三维运动参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得与所述人造卫星通信连接的飞行设备分别在多个时刻的第二三维运动参数，包括：
获得与所述人造卫星通信连接的飞行设备分别在第二时刻、第三时刻的第二三维运动参数；
根据所述飞行设备分别在第二时刻、第三时刻的第二三维运动参数计算得到所述飞行设备在第一时刻的第二三维运动参数，其中，所述第一时刻为所述第一三维运动参数所在的时刻中的一个时刻，所述第二时刻与所述第一时刻之间的时间间隔小于预设间隔，所述第三时刻与所述第一时刻之间的时间间隔小于所述预设间隔。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一三维运动参数和所述第二三维运动参数均包括：所在位置的三维坐标和速度矢量，所述相对三维运动参数包括：所述飞行设备相对于所述人造卫星的相对速度矢量以及所述飞行设备发送至所述人造卫星的无线信号的方向。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述相对三维运动参数计算得到所述人造卫星与所述飞行设备间的多普勒频移，包括：
通过公式：
Figure FDA0002660949670000021
计算得到所述多普勒频移fd(n)，其中，c为光速，
Figure FDA0002660949670000031
为第n时刻下所述飞行设备相对于所述人造卫星的相对速度矢量，f为所述飞行设备发出的无线信号的频率，
Figure FDA0002660949670000032
为所述飞行设备发送至所述人造卫星的无线信号的方向；
Figure FDA0002660949670000033
为
Figure FDA0002660949670000034
和
Figure FDA0002660949670000035
的夹角。
6.一种人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得装置，其特征在于，所述人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得装置包括：第一三维运动参数获得模块、第二三维运动参数获得模块、时刻确定模块、相对三维运动参数计算模块和多普勒频移计算模块；
所述第一三维运动参数获得模块，用于获得人造卫星分别在多个时刻的第一三维运动参数；
所述第二三维运动参数获得模块，用于获得与所述人造卫星无线连接的飞行设备分别在多个时刻的第二三维运动参数；
所述时刻确定模块，用于确定所述第一三维运动参数所在的时刻与所述第二三维运动参数所在的时刻中的相同时刻；
所述相对三维运动参数计算模块，用于根据相同时刻的所述第一三维运动参数与所述第二三维运动参数计算在该相同时刻的所述人造卫星与所述飞行设备的相对三维运动参数；
所述多普勒频移计算模块，用于根据所述相对三维运动参数计算得到所述人造卫星与所述飞行设备间的多普勒频移；
其中，所述时刻确定模块包括：时刻判断子模块、第一序列获得子模块、第二序列获得子模块、第一当前参数选取子模块、第二当前参数选取子模块、第一判断子模块和第二判断子模块；
所述第一序列获得子模块，用于将各所述第一三维运动参数按所在时刻的先后顺序进行排序，获得第一序列；
所述第二序列获得子模块，用于将所述第二三维运动参数按所在时刻的先后顺序进行排序，获得第二序列；
所述第一当前参数选取子模块，用于选取所述第一序列中排列在第一位的所述第一三维运动参数作为第一当前三维运动参数；
所述第二当前参数选取子模块，用于选取所述第一序列中排列在第一位的所述第二三维运动参数作为第二当前三维运动参数；
所述时刻判断子模块，用于判断第一当前三维运动参数所在时刻与第二当前三维运动参数所在时刻是否相同，如果是，则触发所述相对三维运动参数计算模块根据第一当前三维运动参数和第二当前三维运动参数计算在第一当前三维运动参数所在的时刻的所述人造卫星与所述飞行设备的相对三维运动参数；否则，触发所述第一判断子模块判断第一当前三维运动参数所在时刻是否大于第二当前三维运动参数所在时刻，如果是，则触发所述第二判断子模块判断第二当前三维运动参数是否为所述第二序列中的最后一个，如果是最后一个，则结束处理，如果不是最后一个，则触发所述第二当前参数选取子模块将第二当前三维运动参数在所述第二序列中的下一位第二三维运动参数确定为第二当前三维运动参数并触发所述时刻判断子模块；如果所述第一判断子模块判断第一当前三维运动参数所在时刻不大于第二当前三维运动参数所在时刻，则触发所述第二判断子模块判断第一当前三维运动参数是否为第一序列中的最后一个，如果是，则结束处理，如果不是最后一个，则触发所述第一当前参数选取子模块将第一当前三维运动参数在所述第一序列中的下一位第一三维运动参数确定为第一当前三维运动参数并触发所述时刻判断子模块。
7.根据权利要求6所述的人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得装置，其特征在于，所述第一三维运动参数获得模块包括：轨道要素获得子模块和第一三维运动参数计算子模块；
所述轨道要素获得子模块，用于获得人造卫星的轨道六要素；
所述第一三维运动参数计算子模块，用于根据所述轨道六要素计算得到所述人造卫星分别在多个时刻的第一三维运动参数。
8.根据权利要求6所述的人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得装置，其特征在于，所述第二三维运动参数获得模块包括：第二三维运动参数获得子模块和第二三维运动参数计算子模块；
所述第二三维运动参数获得子模块，用于获得与所述人造卫星通信连接的飞行设备分别在第二时刻、第三时刻的第二三维运动参数；
所述第二三维运动参数计算子模块，用于根据所述飞行设备分别在第二时刻、第三时刻的第二三维运动参数计算得到所述飞行设备在第一时刻的第二三维运动参数，其中，所述第一时刻为所述第一三维运动参数所在的时刻中的一个时刻，所述第二时刻与所述第一时刻之间的时间间隔小于预设间隔，所述第三时刻与所述第一时刻之间的时间间隔小于所述预设间隔。
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