CN109470884B - 一种星间相对角度测量的系统及方法 - Google Patents

一种星间相对角度测量的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种星间相对姿态精确测量的系统和方法。本发明主要是将被测星(从星)发射的伪码调制BPSK信号通过主星上不共线的三根天线接收后分别由三条相同的信号处理通道对信号做以下处理：通过FFT捕获获取信号多普勒频偏值与伪码偏移量，再通过载波恢复环和伪码恢复环得到载波相位值与伪码相位值，使用伪码相位值求解载波相位整周模糊，结合载波相位值得到准确的无模糊载波相位值，最后解算出从星相对于主星的方位角和俯仰角。本发明提供了一种精确测量星间相对姿态的系统和方法，使用较少的天线数量，克服了载波相位整周模糊的影响，不借助GSNN信号完成自主测量，可以应用于深空测量，同时可以降低卫星成本，减小卫星体积，具有重要的工程应用价值。

Description

一种星间相对角度测量的系统及方法
技术领域
本发明涉及卫星编队飞行相对姿态测量领域，尤其涉及一种星间相对角度测量(方位角与俯仰角)的系统及方法。
背景技术
卫星编队飞行或者说多星协同作业可以实现传统单颗大卫星无法实现的功能，比如，能够在同一时刻对同一目标实现多维度探测，能够提供大的孔径和长测量基线，对通信、导航、遥感、电子侦察、精确定位、大气人文和地球物理观测等诸多领域具有非常重要的意义。星间相对角度测量是多星协同作业的关键技术之一。精确的星间相对角度测量和控制，能够使卫星编队执行更加精细的太空任务。
现在主要应用的星间相对角度测量方法是GPS技术、光学(包括激光、红外、可见光)技术或者它们的组合。GPS技术需要每颗单星携带一台GPS接收设备，通过接收GPS信号以及卫星轨道位置联合解算出卫星的绝对姿态，进而确定其相对姿态。该方法只适用于能够接收到GPS信号的区域任务，不适用于深空任务，而且能够实现的控制精度相对较低。使用光电测量技术，可以得到高精度的星间相对姿态信息，而且抗干扰能力较强。但由于光波束很窄，不能够同时实现多个目标的测量，在多星编队时，需要其他系统辅助测量，并需伺服平台配合工作，体积较大，不适合集成于微小卫星编队上。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种一种星间相对角度测量的系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种星间相对角度测量系统，是在主星表面安装发射天线1、接收天线1、接收天线2、接收天线3，其中接收天线1、接收天线2、接收天线3安装位置不可共线；在从星表面安装发射天线2；接收天线1与信号处理通道1相连；接收天线2与信号处理通道2相连；接收天线3与信号处理通道3相连；信号处理通道1、信号处理通道2、信号处理通道3与测量结果输出模块分别相连。信号处理通道1、信号处理通道2与信号处理通道3具有相同的结构，包括乘法器1、乘法器2、数控振荡器NCO1、低通滤波器1、低通滤波器2、乘法器3、乘法器4、伪码发生器、FFT模块、相关峰值搜索模块、环路滤波器1、数控振荡器NCO2、环路滤波器2、加法器1、乘法器5、乘法器6、低通滤波器3、乘法器7、低通滤波器4、加法器2；乘法器1、低通滤波器1、乘法器3与FFT模块顺次相连；乘法器2、低通滤波器2、乘法器4与FFT模块顺次相连；乘法器3、乘法器4分别与乘法器5、环路滤波器2、加法器1、数控振荡器NCO1顺次相连；数控振荡器NCO1与乘法器1、乘法器2分别相连；低通滤波器1、低通滤波器2均与乘法器6、乘法器7相连；乘法器6、低通滤波器3、加法器2顺次相连；乘法器7、低通滤波器4、加法器2顺次相连；加法器2、环路滤波器1、数控振荡器NCO2与伪码发生器顺次相连；伪码发生器与乘法器3、乘法器4分别相连；FFT模块与相关峰值搜索模块相连，数控振荡器NCO1、数控振荡器NCO2分别与解模糊模块相连；相关峰值搜索模块与数控振荡器NCO2、加法器1分别相连；乘法器1、乘法器2、数控振荡器NCO1、低通滤波器1、低通滤波器2、乘法器3、乘法器4、乘法器5、环路滤波器2、加法器1构成载波跟踪环路；乘法器6、低通滤波器3、乘法器7、低通滤波器4、加法器2、环路滤波器1、数控振荡器NCO2、伪码发生器构成伪码跟踪环路。
采用上述的系统进行星间相对角度测量的方法，主星通过发射天线1向从星发送姿态测量控制信号，从星接收到控制信号后，通过发射天线2向主星发送姿态测量信号。主星通过接收天线1、接收天线2、接收天线3从三条不同的路径上分别接收信号。每条通道接收到的信号经过下混频后使用ADC进行采样，采样后的信号分别与数控振荡器NCO1输出的I、Q两路恢复载波相乘，再分别通过低通滤波器1和低通滤波器2滤除高频分量。
将I、Q两路滤波结果与伪码发生器输出的伪码做乘法运算，I、Q两路相关结果看做一个复数输入到FFT模块做傅里叶变换，由时域转换到频域。傅里叶变换结果输入到相关峰值搜索模块，搜索是否有超过预设门限值的功率值。将上述过程定义为基本运算。
如果没有符合条件的功率值出现，相关峰值搜索模块将输出信号到数控振荡器NCO2，控制本地的伪码发生器延迟一个码片后重复前述基本运算；如果出现了符合条件的功率值，在当前码片相位情况下重复基本运算，确认该功率值是否稳定出现，如果不稳定，相关峰值搜索模块将输出信号到数控振荡器NCO2，控制伪码延迟一个码片后重复基本运算，如果稳定即符合条件的功率值连续出现五次，将该功率值对应的频率，也就是多普勒频偏Δω输出到数控振荡器NCO2(20)与加法器1，同时环路滤波器1与环路滤波器2开始工作。当载波跟踪环与伪码跟踪环锁定后，由数控振荡器NCO1和数控振荡器NCO2得到载波相位值和伪码相位值，并传到解模糊模块。根据伪码相位值计算载波相位模糊周数结合载波相位值得到无模糊载波相位值。三路信号处理通道得到的无模糊载波相位值输入到测量结果输出模块得到最后的相对姿态测量结果，也就是从星相对于主星的俯仰角和方位角。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1)本发明提供一种星间相对角度测量的方法，可获得星间相对俯仰角和方位角；
2)本发明采用了伪码调制信号和相位干涉结合的方法，使用伪码信号来解决载波相位模糊的问题，克服了普通相位干涉方法需要多天线解决整周相位模糊的缺点，同时本方法可保证测量结果的精度，其精度可达0.017°。
3)本发明通过自主测量星间相对姿态，不需要借助其它GSNN信号，可应用于深空等没有GSNN信号的区域。
附图说明
图1是测角原理天线信号示意图；
图2是星间相对姿态测量结构示意图；
图3是主星三通道信号整体传递框图。
图4是信号处理通道内不详细信号传递框图，
图中，1、发射天线1，2、接收天线1，3、接收天线2，4、接收天线3，5、发射天线2，6、信号处理通道1，7、信号处理通道2，8、信号处理通道3，9测量结果输出模块、10、乘法器2，11、数控振荡器NCO1，12、低通滤波器1，13、低通滤波器2，14、乘法器3，15、乘法器4，16、伪码发生器，17、FFT模块，18、相关峰值搜索模块，19、环路滤波器1，20、数控振荡器NCO2，21、环路滤波器2，22、加法器1，23、解模糊模块，24、乘法器1，25、乘法器5，26、乘法器6，27、低通滤波器3，28、乘法器7，29、低通滤波器4，30、加法器2。
具体实施方式
如图2所示，一种星间相对角度测量系统，是在主星表面安装发射天线1、接收天线1、接收天线2、接收天线3，其中接收天线1、接收天线2、接收天线3安装位置不可共线；在从星表面安装发射天线2；接收天线1与信号处理通道1相连；接收天线2与信号处理通道2相连；接收天线3与信号处理通道3相连；信号处理通道1、信号处理通道2、信号处理通道3与测量结果输出模块分别相连。信号处理通道1、信号处理通道2与信号处理通道3具有相同的结构，包括乘法器1、乘法器2、数控振荡器NCO1、低通滤波器1、低通滤波器2、乘法器3、乘法器4、伪码发生器、FFT模块、相关峰值搜索模块、环路滤波器1、数控振荡器NCO2、环路滤波器2、加法器1、乘法器5、乘法器6、低通滤波器3、乘法器7、低通滤波器4、加法器2；乘法器1、低通滤波器1、乘法器3与FFT模块顺次相连；乘法器2、低通滤波器2、乘法器4与FFT模块顺次相连；乘法器3、乘法器4分别与乘法器5、环路滤波器2、加法器1、数控振荡器NCO1顺次相连；数控振荡器NCO1与乘法器1、乘法器2分别相连；低通滤波器1、低通滤波器2均与乘法器6、乘法器7相连；乘法器6、低通滤波器3、加法器2顺次相连；乘法器7、低通滤波器4、加法器2顺次相连；加法器2、环路滤波器1、数控振荡器NCO2与伪码发生器顺次相连；伪码发生器与乘法器3、乘法器4分别相连；FFT模块与相关峰值搜索模块相连，数控振荡器NCO1、数控振荡器NCO2分别与解模糊模块相连；相关峰值搜索模块与数控振荡器NCO2、加法器1分别相连；乘法器1、乘法器2、数控振荡器NCO1、低通滤波器1、低通滤波器2、乘法器3、乘法器4、乘法器5、环路滤波器2、加法器1构成载波跟踪环路；乘法器6、低通滤波器3、乘法器7、低通滤波器4、加法器2、环路滤波器1、数控振荡器NCO2、伪码发生器构成伪码跟踪环路。
一种采用上述系统星间相对角度测量方法，主星通过发射天线1向从星发送姿态测量控制信号，从星接收到控制信号后，通过发射天线2向主星发送姿态测量信号。主星通过接收天线1、接收天线2、接收天线3从三条不同的路径上分别接收信号。每条通道接收到的信号经过下混频后使用ADC进行采样，采样后的信号分别与数控振荡器NCO1输出的I、Q两路恢复载波相乘，再分别通过低通滤波器1和低通滤波器2滤除高频分量。
将I、Q两路滤波结果与伪码发生器输出的伪码做乘法运算，I、Q两路相关结果看做一个复数输入到FFT模块做傅里叶变换，由时域转换到频域。傅里叶变换结果输入到相关峰值搜索模块，搜索是否有超过预设门限值的功率值。将上述过程定义为基本运算。
如果没有符合条件的功率值出现，相关峰值搜索模块将输出信号到数控振荡器NCO2，控制本地的伪码发生器延迟一个码片后重复前述基本运算；如果出现了符合条件的功率值，在当前码片相位情况下重复基本运算，确认该功率值是否稳定出现，如果不稳定，相关峰值搜索模块将输出信号到数控振荡器NCO2，控制伪码延迟一个码片后重复基本运算，如果稳定即符合条件的功率值连续出现五次，将该功率值对应的频率，也就是多普勒频偏Δω输出到数控振荡器NCO2(20)与加法器1，同时环路滤波器1与环路滤波器2开始工作。当载波跟踪环与伪码跟踪环锁定后，由数控振荡器NCO1和数控振荡器NCO2得到载波相位值和伪码相位值，并传到解模糊模块。根据伪码相位值计算载波相位模糊周数结合载波相位值得到无模糊载波相位值。三路信号处理通道得到的无模糊载波相位值输入到测量结果输出模块得到最后的相对姿态测量结果，也就是从星相对于主星的俯仰角和方位角。
本发明方法的信号理论推导如下：
如图1所示，主星和从星之间的距离一般远大于主星上接收天线间基线的距离，此时从星发射的微波信号可以看做平面波。来波方向角θ与两天线接收载波相位相位差的关系为：
Figure GDA0002457464930000031
式中，λ为载波信号波长；
Figure GDA0002457464930000032
为两天线接收的信号载波相位相位差；
D为天线间基线距离；
θ为来波方向角。
由上式可以看出，仅需测出
Figure GDA0002457464930000041
就可以求出来波方向角。如图2所示，主星放置了三根接收天线，测量出接收天线1、接收天线2、接收天线3相对于本地参考数字振荡器NCO的载波相位，然后两两做差得到两个不同方向上的载波相位相位差，就可以根据上式计算出从星相对于主星的方位角和俯仰角。
下面以接收天线1与接收天线2为例推导测量
Figure GDA0002457464930000042
的过程。
从星发射的信号为：
s(t)＝Ac(t)cos[2πfct+2πfdt+φ(t)] (2)
式中，A为信号功率；
c(t)为伪码信号；
fc为载波频率；
fd为多普勒频率；
φ(t)为载波初始相位。
数字振荡器NCO1输出的载波信号为：
Figure GDA0002457464930000043
Figure GDA0002457464930000044
式中，
Figure GDA0002457464930000045
为NCO1输出的载波信号初始相位
将输入信号分别与数字振荡器NCO1输出的两路信号相乘，经过低通滤波器滤除和频分量后，得到I、Q两路信号：
Figure GDA0002457464930000046
Figure GDA0002457464930000047
然后，I、Q两路信号与本地伪码发生器产生的伪码信号做相关运算，得到下面两路信号：
Figure GDA0002457464930000048
Figure GDA0002457464930000051
式中，τ为本地伪码信号相对接收到的伪码信号的码片偏移量。
将I_pn与Q_pn看作是一个复信号，送入FFT模块做傅里叶变换。根据伪码的自相关特性，当相关运算的两组伪码间的偏移量超过一个码片值时，相关结果为的频谱为白噪声；当偏移量在一个码片值以内时，相关结果的频谱为解扩后的信号频谱。通过本地伪码移位与FFT运算，得到码片偏移量τ与多普勒频率偏移值fd，同时将其补偿到载波恢复环和伪码跟踪环，并使能载波恢复环和伪码跟踪环。当载波恢复环和伪码跟踪环均锁定时，根据每一通道得到的载波相位值与伪码相位值，通过解模糊算法，得到各通道的无模糊载波相位值
Figure GDA0002457464930000052
和
Figure GDA0002457464930000053
所以
Figure GDA0002457464930000054
将
Figure GDA0002457464930000055
带入式(1)，即可求出所要测量的主星和从星相对角度值θ，该结果由测量结果输出模块输出。
载波跟踪方法可以使用Costas跟踪环路；伪码跟踪方法可以使用延迟锁定环路；载波相位解模糊方法可以使用载波平滑伪码算法。
对所公开实例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对此实例的多种修改对本领域是的专业技术人员来说将是显而易见的。

Claims (2)

1.一种星间相对角度测量系统，其特征在于，在主星表面安装发射天线1(1)、接收天线1(2)、接收天线2(3)、接收天线3(4)，其中接收天线1(2)、接收天线2(3)、接收天线3(4)安装位置不可共线；在从星表面安装发射天线2(5)；接收天线1(2)与信号处理通道1(6)相连；接收天线2(3)与信号处理通道2(7)相连；接收天线3(4)与信号处理通道3(8)相连；信号处理通道1(6)、信号处理通道2(7)、信号处理通道3(8)与测量结果输出模块(9)分别相连；
信号处理通道1(6)、信号处理通道2(7)与信号处理通道3(8)具有相同的结构，包括乘法器1(24)、乘法器2(10)、数控振荡器NCO1(11)、低通滤波器1(12)、低通滤波器2(13)、乘法器3(14)、乘法器4(15)、伪码发生器(16)、FFT模块(17)、相关峰值搜索模块(18)、环路滤波器1(19)、数控振荡器NCO2(20)、环路滤波器2(21)、加法器1(22)、乘法器5(25)、乘法器6(26)、低通滤波器3(27)、乘法器7(28)、低通滤波器4(29)、加法器2(30)；乘法器1(24)、低通滤波器1(12)、乘法器3(14)与FFT模块(17)顺次相连；乘法器2(10)、低通滤波器2(13)、乘法器4(15)与FFT模块(17)顺次相连；乘法器3(14)、乘法器4(15)分别与乘法器5(25)、环路滤波器2(21)、加法器1(22)、数控振荡器NCO1(11)顺次相连；数控振荡器NCO1(11)与乘法器1(24)、乘法器2(10)分别相连；低通滤波器1(12)、低通滤波器2(13)均与乘法器6(26)、乘法器7(28)相连；乘法器6(26)、低通滤波器3(27)、加法器2(30)顺次相连；乘法器7(28)、低通滤波器4(29)、加法器2(30)顺次相连；加法器2(30)、环路滤波器1(19)、数控振荡器NCO2(20)与伪码发生器(16)顺次相连；伪码发生器(16)与乘法器3(14)、乘法器4(15)分别相连；FFT模块(17)与相关峰值搜索模块(18)相连，数控振荡器NCO1(11)、数控振荡器NCO2(20)分别与解模糊模块(23)相连；相关峰值搜索模块(18)与数控振荡器NCO2(20)、加法器1(22)分别相连；乘法器1(24)、乘法器2(10)、数控振荡器NCO1(11)、低通滤波器1(12)、低通滤波器2(13)、乘法器3(14)、乘法器4(15)、乘法器5(25)、环路滤波器2(21)、加法器1(22)构成载波跟踪环路；乘法器6(26)、低通滤波器3(27)、乘法器7(28)、低通滤波器4(29)、加法器2(30)、环路滤波器1(19)、数控振荡器NCO2(20)、伪码发生器(16)构成伪码跟踪环路。
2.一种如权利要求1所述系统的星间相对角度测量方法，其特征在于：主星通过发射天线1(1)向从星发送姿态测量控制信号，从星接收到控制信号后，通过发射天线2(5)向主星发送姿态测量信号；主星通过接收天线1(2)、接收天线2(3)、接收天线3(4)从三条不同的路径上分别接收信号；每条通道接收到的信号经过下混频后使用ADC进行采样，采样后的信号分别与数控振荡器NCO1(11)输出的I、Q两路恢复载波相乘，再分别通过低通滤波器1(12)和低通滤波器2(13)滤除高频分量；
将I、Q两路滤波结果与伪码发生器(16)输出的伪码做乘法运算，I、Q两路相关结果看做一个复数输入到FFT模块(17)做傅里叶变换，由时域转换到频域，傅里叶变换结果输入到相关峰值搜索模块(18)，搜索是否有超过预设门限值的功率值；将上述过程定义为基本运算；
如果没有符合条件的功率值出现，相关峰值搜索模块(18)将输出信号到数控振荡器NCO2(20)，控制本地的伪码发生器(16)延迟一个码片后重复前述基本运算；如果出现了符合条件的功率值，在当前码片相位情况下重复基本运算，确认该功率值是否稳定出现，如果不稳定，相关峰值搜索模块(18)将输出信号到数控振荡器NCO2(20)，控制伪码延迟一个码片后重复基本运算，如果稳定即符合条件的功率值连续出现五次，将该功率值对应的频率，也就是多普勒频偏Δω输出到数控振荡器NCO2(20)与加法器1(22)，同时环路滤波器1(19)与环路滤波器2(21)开始工作；当载波跟踪环与伪码跟踪环锁定后，由数控振荡器NCO1(11)和数控振荡器NCO2(20)得到载波相位值和伪码相位值，并传到解模糊模块(23)；根据伪码相位值计算载波相位模糊周数结合载波相位值得到无模糊载波相位值；三路信号处理通道得到的无模糊载波相位值输入到测量结果输出模块(9)得到最后的相对姿态测量结果，也就是从星相对于主星的俯仰角和方位角。
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