CN110244291A - 基于无线电信号处理的测速方法及装置 - Google Patents

基于无线电信号处理的测速方法及装置 Download PDF

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Abstract

提供一种基于无线电信号处理的测速方法及装置。该基于无线电信号处理的测速方法包括：首先对探测到的航天器的无线电信号进行格式解析，并对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理，然后基于提取的载波频率生成所述航天器的测速观测量，从而实现了基于无线电信号处理的航天器高精度测速。

Description

基于无线电信号处理的测速方法及装置
技术领域
本公开涉及航天测量与控制技术领域。更具体地，本公开涉及一种基于无线电信号处理的测速方法及装置。
背景技术
从国际上航天器无线电测量技术发展来看，航天器测速对于航天器测控任务的作用及其重要，尤其是对于环绕型航天器定轨的测量支撑作用明显。传统测速主要基于测站基带设备进行锁相计数来完成测速，测速主要在测站本地完成。目前，我国深空站、VLBI台站等均配置了深空干涉测量采集与记录设备，基于深空干涉测量原始信号具备对航天器高精度测速条件，加上更加优化的测站几何分布构型，可实现对航天器高精度测速，既可有效控制测量成本，又能增加优质的测速观测量结果。如何利用通过软件处理方式，在数据处理中心对深空干涉测量原始无线电信号进行高精度测速观测量提取，是需要重点解决的问题。
发明内容
本公开的示例性实施例在于提供一种基于无线电信号处理的测速方法及装置，以解决基于测站深空干涉测量设备获取的航天器下行主载波信号进行高精度测速的问题。
根据本公开的示例性实施例，提供一种基于无线电信号处理的测速方法，包括：对探测到的航天器的无线电信号进行格式解析；对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理；基于提取的载波频率生成所述航天器的测速观测量。
可选地，所述无线电信号是由测站深空干涉测量设备采集的基频数字信号，所述无线电信号的格式是宽带实数格式与窄带复数格式。
可选地，宽带实数格式可采用国际通用的VLBI软件接口格式VSI，窄带复数格式可采用国际通用的无线电科学接收机格式VSR。
可选地，进行格式解析的步骤可包括：按照编帧组帧方式进行分测站、分通道、分时解析。
可选地，对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理的步骤可包括：对解析后的无线电信号进行主载波频率精细估计，得到主载波频率精细估计值；至少基于估计得到的主载波频率精细估计值进行模型信号的重构；基于解析后的无线电信号和重构的模型信号确定满足残余相位线性化标准的残余相位；基于满足残余相位线性化标准的残余相位和主载波频率精细估计值计算载波频率估计值。
可选地，对解析后的无线电信号进行主载波频率精细估计的步骤可包括：对解析后的无线电信号进行主载波频率粗略估计；根据主载波频率粗略估计的结果对解析后的无线电信号进行频谱细化估计，得到主载波频率精细估计值。
可选地，至少基于估计得到的主载波频率精细估计值进行模型信号的重构的步骤可包括：基于预先设置的主载波理论下行频率、测站本振频率、时标和估计得到的主载波频率精细估计值，进行模型信号的重构，其中，进行模型信号的重构的步骤包括：通过根据公式Sm(t)＝cos(2πf0t-2πfzoomt-2πfloct)对主载波频率精细估计值、主载波理论下行频率、测站本振频率和时标进行计算来重构模型信号，其中，Sm(t)为重构的模型信号，f0为主载波理论下行频率，fzoom为主载波频率精细估计值，floc为测站本振频率，t指示时标。
可选地，基于解析后的无线电信号和重构的模型信号确定满足残余相位线性化标准的残余相位的步骤可包括：根据预先设置的参数，对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行分段；基于分段结果对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行时标匹配，以确保解析后的无线电信号与重构的模型信号的分段时标完全保持一致；基于分段结果对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行互相关计算，得到频率最大点处的互相关残余相位；基于分段结果对指定点数的频率最大点处的互相关残余相位的线性情况进行互相关残余相位线性化检测，得到满足残余相位线性化标准的残余相位。
可选地，基于满足残余相位线性化标准的残余相位和主载波频率精细估计值计算载波频率估计值的步骤可包括：基于满足残余相位线性化标准的残余相位与时标之间的关系，分段估计残余频率值；根据估计得到的残余频率值和主载波频率精细估计值计算载波频率估计值。
可选地，对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理的步骤还可包括：读入解析后的无线电信号，并对解析后的无线电信号进行预处理，其中，对解析后的无线电信号进行预处理的步骤包括：对解析后的无线电信号进行按通道分时预处理，并对按通道分时处理后的无线电信号进行直流分量去除预处理。
可选地，对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理的步骤还可包括：对载波频率估计值进行多普勒频率转换。
可选地，对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理的步骤还可包括：对载波频率估计值进行频率估计精度评估。
可选地，所述基于无线电信号处理的测速还可包括：预先对载波频率提取处理所需的至少一个参数进行配置。
可选地，所述至少一个参数可包括：信号处理积分时间长度、频谱细化倍数和相位线性拟合频率点数。
可选地，所述至少一个参数还可包括以下参数中的至少一项：航天器理论上下行频点、测站名称、信号采样带宽、信号记录量化位数、信号跳秒长度、分析信号时间跨度、傅里叶变换长度、测速类型以及输出结果路径与格式。
可选地，当航天器在行星际转移段时，可采用以下范围内的参数：信号处理积分时间长度为0.1秒至5秒、频谱细化倍数为2倍至32倍、相位线性拟合频率点数为2至20。
可选地，当航天器在行星际转移段时，可采用以下参数：信号处理积分时间长度为0.5秒或1秒、频谱细化倍数为16倍，相位线性拟合频率点数为5或10。
可选地，当航天器处于环绕轨道时，可采用以下范围内的参数：信号处理积分时间长度为0.01秒至2秒、频谱细化倍数为2倍至32倍、相位线性拟合频率点数为2至20。
可选地，当航天器处于环绕轨道时，可采用以下参数：信号处理积分时间长度为0.1秒、频谱细化倍数为8倍、相位线性拟合频率点数为20。
可选地，基于提取的载波频率生成所述航天器的测速观测量的步骤可包括：根据多普勒频率生成以下项中的至少一项：单向测速观测量、双向测速观测量和三向测速观测量。
根据本公开的示例性实施例，提供一种基于无线电信号处理的测速装置，包括：信号解析单元，被配置为对探测到的航天器的无线电信号进行格式解析；信号处理单元，被配置为对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理；和测速观测量生成单元，被配置为基于提取的载波频率生成所述航天器的测速观测量。
可选地，所述无线电信号是由测站深空干涉测量设备采集的基频数字信号，所述无线电信号的格式是宽带实数格式与窄带复数格式。
可选地，宽带实数格式可采用国际通用的VLBI软件接口格式VSI，窄带复数格式采用国际通用的无线电科学接收机格式VSR。
可选地，信号解析单元可被配置为：按照编帧组帧方式进行分测站、分通道、分时解析。
可选地，信号处理单元可被配置为：对解析后的无线电信号进行主载波频率精细估计，得到主载波频率精细估计值；至少基于估计得到的主载波频率精细估计值进行模型信号的重构；基于解析后的无线电信号和重构的模型信号确定满足残余相位线性化标准的残余相位；基于满足残余相位线性化标准的残余相位和主载波频率精细估计值计算载波频率估计值。
可选地，信号处理单元可包括：载波频率粗估计单元，被配置为对解析后的无线电信号进行主载波频率粗略估计；和载波频率细估计单元，被配置为根据主载波频率粗略估计的结果对解析后的无线电信号进行频谱细化估计，得到主载波频率精细估计值。
可选地，信号处理单元可包括：模型信号重构单元，被配置为基于预先设置的主载波理论下行频率、测站本振频率、时标和估计得到的主载波频率精细估计值，进行模型信号的重构，其中，模型信号重构单元还被配置为：通过根据公式Sm(t)＝cos(2πf0t-2πfzoomt-2πfloct)对主载波频率精细估计值、主载波理论下行频率、测站本振频率和时标进行计算来重构模型信号，其中，Sm(t)为重构的模型信号，f0为主载波理论下行频率，fzoom为主载波频率精细估计值，floc为测站本振频率，t指示时标。
可选地，信号处理单元可包括：信号分段单元，被配置为根据预先设置的参数，对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行分段；时标匹配单元，被配置为基于分段结果对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行时标匹配，以确保解析后的无线电信号与重构的模型信号的分段时标完全保持一致；互相关处理单元，被配置为基于分段结果对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行互相关计算，得到频率最大点处的互相关残余相位；和残余相位检测单元，被配置为基于分段结果对指定点数的频率最大点处的互相关残余相位的线性情况进行互相关残余相位线性化检测，得到满足残余相位线性化标准的残余相位。
可选地，信号处理单元可包括：残余频率估计单元，被配置为基于满足残余相位线性化标准的残余相位与时标之间的关系，分段估计残余频率值；和载波频率估计单元，被配置为根据估计得到的残余频率值和主载波频率精细估计值计算载波频率估计值。
可选地，信号处理单元还可包括：信号读入与预处理单元，被配置为对解析后的无线电信号进行预处理，其中，信号读入与预处理单元包括：预处理单元，被配置为对解析后的无线电信号进行按通道分时预处理，并对按通道分时处理后的无线电信号进行直流分量去除预处理。
可选地，信号处理单元还可包括：多普勒频率获取单元，被配置为对载波频率估计值进行多普勒频率转换。
可选地，信号处理单元还可包括：率估计精度评估单元，被配置为对载波频率估计值进行频率估计精度评估。
可选地，所述基于无线电信号处理的测速装置还可包括：参数配置单元，被配置为预先对载波频率提取处理所需的至少一个参数进行配置。
可选地，所述至少一个参数可包括：信号处理积分时间长度、频谱细化倍数和相位线性拟合频率点数。
可选地，所述至少一个参数还可包括以下参数中的至少一项：航天器理论上下行频点、测站名称、信号采样带宽、信号记录量化位数、信号跳秒长度、分析信号时间跨度、傅里叶变换长度、测速类型以及输出结果路径与格式。
可选地，当航天器在行星际转移段时，可采用以下范围内的参数：信号处理积分时间长度为0.1秒至5秒、频谱细化倍数为2倍至32倍、相位线性拟合频率点数为2至20。
可选地，当航天器在行星际转移段时，可采用以下参数：信号处理积分时间长度为0.5秒或1秒、频谱细化倍数为16倍，相位线性拟合频率点数为5或10。
可选地，当航天器处于环绕轨道时，可采用以下范围内的参数：信号处理积分时间长度为0.01秒至0.5秒、频谱细化倍数为2倍至32倍、相位线性拟合频率点数为2至20。
可选地，当航天器处于环绕轨道时，可采用以下参数：信号处理积分时间长度为0.1秒、频谱细化倍数为8倍、相位线性拟合频率点数为20。
可选地，测速观测量生成单元可被配置为：根据多普勒频率生成以下项中的至少一项：单向测速观测量、双向测速观测量和三向测速观测量。
根据本公开的示例性实施例，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现根据本公开的基于无线电信号处理的测速方法的步骤。
根据本公开的示例性实施例，提供一种计算装置，包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现根据本公开的基于无线电信号处理的测速方法的步骤。
根据本公开的示例性实施例的基于无线电信号处理的测速方法及装置，通过首先对探测到的航天器的无线电信号进行格式解析，并对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理，然后基于提取的载波频率生成所述航天器的测速观测量，从而实现了基于无线电信号处理的航天器高精度测速。
将在接下来的描述中部分阐述本公开总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本公开总体构思的实施而得知。
附图说明
通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的描述，本公开示例性实施例的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出根据本公开示例性实施例的基于无线电信号处理的测速方法的流程图；
图2示出根据本公开示例性实施例的无线电信号解析后的一个示例频谱；
图3示出根据本公开示例性实施例的无线电信号解析后的另一示例频谱；
图4示出根据本公开示例性实施例的互相关残余相位分段线性化检测的结果的示例；
图5示出根据本公开示例性实施例的对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理的示例的示图；
图6示出根据本公开示例性实施例的基于无线电信号处理的测速与现有技术中的测站基带多普勒测速、累积载波相位测速的测量随机精度对比图；
图7示出根据本公开示例性实施例的以第一深空站为主站、以第二深空站为从站的三向测速结果；
图8示出根据本公开的一个示例性实施例的基于无线电信号处理的测速装置的框图；
图9示出根据本公开的另一示例性实施例的基于无线电信号处理的测速装置的框图；
图10示出根据本公开示例性实施例的信号处理单元82的示例框图；和
图11示出根据本公开示例性实施例的计算装置的示意图。
具体实施方式
现将详细参照本公开的示例性实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。以下将通过参照附图来说明所述实施例，以便解释本公开。
图1示出根据本公开示例性实施例的基于无线电信号处理的测速方法的流程图。
参照图1，在步骤S101，对探测到的航天器的无线电信号进行格式解析。
在本公开的示例性实施例中，可通过探测器对航天器进行跟踪探测，并且可通过例如深空干涉测量采集设备对探测器的下行无线电信号进行采集与记录。这里，无线电信号可以是由测站深空干涉测量设备采集的基频数字信号，并且无线电信号的格式可以是宽带实数格式与窄带复数格式。优选地，无线电信号是宽带实数格式与窄带复数格式的深空干涉测量基频数字信号，从而可按照固定接口格式实现分测站、分通道、分时间地有效解析。
在本公开的示例性实施例中，测站宽带实数采集记录格式可采用国际通用的VLBI软件接口格式(VSI)，窄带复数采集记录格式可采用国际通用的无线电科学接收机格式(VSR)。
在本公开的示例性实施例中，在进行格式解析时，可按照编帧组帧方式进行分测站、分通道、分时解析。
例如，图2和图3示出根据本公开示例性实施例的无线电信号解析后的示例频谱。在图2和图3中，航天器的理论上下行频点为工程标称指标参数；测站名称分别为第一深空站(例如，JM01)与第二深空站(例如，KS01)；信号采样带宽为：VSR复数信号为500kHz、VSI实数信号为2MHz；信号记录量化位数为：VSR复数信号为8比特、VSI实数信号为2比特；信号跳秒长度为0秒；信号处理积分时间长度为1秒；分析信号时间跨度等于数据采集记录时长；傅里叶变换长度均为500kHz；频谱细化倍数为16；相位线性拟合频率点数为5；测速类型对于第一深空站为双向测速模式，对于第二深空站为三向测速模式；输出结果路径与格式按默认路径和定轨输入观测量格式进行选择。
在本公开的示例性实施例中，可预先对载波频率提取处理所需的至少一个参数进行配置。由于在测速时信号处理积分时间长度、频谱细化倍数、相位线性拟合频率点数是最能直接影响测速精度参数配置，因此，在本公开的示例性实施例中，优选地，所述至少一个参数可包括：信号处理积分时间长度、频谱细化倍数和相位线性拟合频率点数。此外，所述至少一个参数还可包括以下参数中的至少一项：航天器理论上下行频点、测站名称、信号采样带宽、信号记录量化位数、信号跳秒长度、分析信号时间跨度、傅里叶变换长度、测速类型以及输出结果路径与格式。
在本公开的示例性实施例中，当航天器在行星际转移段时，航天器相对于测站的相对速度变化相对较小，可采用以下范围内的参数：信号处理积分时间长度为0.1秒至5秒、频谱细化倍数为2倍至32倍、相位线性拟合频率点数为2至20。在本公开的示例性实施例中，优选地，当航天器在行星际转移段时，可采用以下参数：信号处理积分时间长度为0.5秒或1秒、频谱细化倍数为16倍、相位线性拟合频率点数为10或5，从而获得较优的测速结果。
在本公开的示例性实施例中，当航天器处于环绕轨道时，航天器相对于测站的相对速度变化相对较大，可采用以下范围内的参数：信号处理积分时间长度为0.01秒至2秒、频谱细化倍数为2倍至32倍、相位线性拟合频率点数为22至20。在本公开的示例性实施例中，优选地，当航天器处于环绕轨道时，可采用以下参数：信号处理积分时间长度为0.1秒、频谱细化倍数为8倍、相位线性拟合频率点数为20，从而获得较优的测测速结果。
在步骤S102，对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理。
在本公开的示例性实施例中，在对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理时，可首先读入解析后的无线电信号，然后对解析后的无线电信号进行预处理。具体来说，在对解析后的无线电信号进行预处理时，可对解析后的无线电信号进行按通道分时预处理，并对按通道分时处理后的无线电信号进行直流分量去除预处理。
在本公开的示例性实施例中，在对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理时，可首先对解析后的无线电信号进行主载波频率精细估计，得到主载波频率精细估计值，之后至少基于估计得到的主载波频率精细估计值进行模型信号的重构，然后基于解析后的无线电信号和重构的模型信号确定满足残余相位线性化标准的残余相位，最后基于满足残余相位线性化标准的残余相位和主载波频率精细估计值计算载波频率估计值。此外，优选地，在对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理时，在计算到达载波频率估计值之后，还可对载波频率估计值进行多普勒频率转换，从而方便使用载波频率估计值进行计算。此外，优选地，在对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理时，在计算到达载波频率估计值之后，还可对载波频率估计值进行频率估计精度评估，以根据评估结果提高频率估计的精度，从而提高载波频率估计值的准确性。
在本公开的示例性实施例中，在对解析后的无线电信号进行主载波频率精细估计时，可首先(通过例如快速傅里叶变换的方法)对解析后的无线电信号进行主载波频率粗略估计，然后根据主载波频率粗略估计的结果(通过例如信号频谱细化Zoom FFT或采用线性调频Z变换(CZT)方法)对解析后的无线电信号进行频谱细化估计，得到主载波频率精细估计值。
在本公开的示例性实施例中，在至少基于估计得到的主载波频率精细估计值进行模型信号的重构时，可基于预先设置的主载波理论下行频率、测站本振频率、时标和估计得到的主载波频率精细估计值，进行模型信号的重构。具体来说，在进行模型信号的重构时，可通过根据公式Sm(t)＝cos(2πf0t-2πfzoomt-2πfloct)对主载波频率精细估计值、主载波理论下行频率、测站本振频率和时标进行计算来重构模型信号。这里，Sm(t)为重构的模型信号，f0为主载波理论下行频率，fzoom为主载波频率精细估计值，floc为测站本振频率，t指示时标。
在本公开的示例性实施例中，在基于解析后的无线电信号和重构的模型信号确定满足残余相位线性化标准的残余相位时，可首先根据预先设置的参数，对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行分段，基于分段结果对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行时标匹配，以确保解析后的无线电信号与重构的模型信号的分段时标完全保持一致，然后基于分段结果对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行互相关计算，得到频率最大点处的互相关残余相位，最后基于分段结果对指定点数的残余相位线性情况进行互相关残余相位分段线性化检测，得到满足残余相位线性化标准的残余相位。这里，互相关残余相位线性化检测是自动化检测指定的线性拟合频率点数相位线性程度。例如，图4示出根据本公开示例性实施例的互相关残余相位分段线性化检测的结果的示例。
在本公开的示例性实施例中，在基于满足残余相位线性化标准的残余相位和主载波频率精细估计值计算载波频率估计值时，可首先基于满足残余相位线性化标准的残余相位与时标之间的关系，例如分段估计残余频率值，然后根据估计得到的残余频率值和主载波频率精细估计值计算载波频率估计值。例如，载波频率估计值可等于主载波频率精细估计值与残余频率值的加和值。
在本公开的示例性实施例中，在对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理时，还可对载波频率估计值进行多普勒频率转换，以方便进行后续的计算。
在本公开的示例性实施例中，在对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理时，还可对载波频率估计值进行频率估计精度评估，以提高载波频率估计值的准确性。
例如，图5示出根据本公开示例性实施例的对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理的示例的示图。参照图5，在步骤S501，读入解析后的无线电信号，对解析后的无线电信号进行按通道分时预处理，并对按通道分时处理后的无线电信号进行直流分量去除预处理。在步骤S502，对解析后的无线电信号进行主载波频率粗略估计。在步骤S503，根据主载波频率粗略估计的结果对解析后的无线电信号进行频谱细化估计，得到主载波频率精细估计值。在步骤S504，基于预先设置的主载波理论下行频率、测站本振频率、时标和估计得到的主载波频率精细估计值，进行模型信号的重构。在步骤S505，根据预先设置的参数，对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行分段。在步骤S506，基于分段结果对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行时标匹配，以确保解析后的无线电信号与重构的模型信号的分段时标完全保持一致。在步骤S507，基于分段结果对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行互相关计算，得到频率最大点处的互相关残余相位。在步骤S508，基于分段结果对指定点数的频率最大点处的互相关残余相位的线性情况进行互相关残余相位线性化检测，得到满足残余相位线性化标准的残余相位。在步骤S509，基于满足残余相位线性化标准的残余相位与时标之间的关系估计残余频率值。在步骤S510，根据估计得到的残余频率值和主载波频率精细估计值计算载波频率估计值。在步骤S511，对载波频率估计值进行多普勒频率转换。在步骤S512，对载波频率估计值进行频率估计精度评估。此外，在步骤S503和步骤S506除了可使用步骤S501得到的解析后的无线电信号之外，在步骤S502和步骤S503之间以及在步骤S504和步骤S506之间，还可以通过使得例如信号读取装置的信号读取指针回位来再次读入解析后的无线电信号，并且对解析后的无线电信号进行按通道分时预处理和直流分量去除预处理等预处理，来分别获得在步骤S503和步骤S506所使用的解析后的无线电信号。
返回参照图1，在步骤S103，基于提取的载波频率生成所述航天器的测速观测量。
在本公开的示例性实施例中，在基于提取的载波频率生成所述航天器的测速观测量时，可根据多普勒频率生成以下项中的至少一项：单向测速观测量、双向测速观测量和三向测速观测量。即，通过根据测速转换公式采用不同的多普勒频率生成单向测速观测量和/或双向测速观测量和/或三向测速观测量。
例如，图6示出根据本公开示例性实施例的基于无线电信号处理的测速与现有技术中的测站基带多普勒测速、累积载波相位测速的测量随机精度对比图，其中，a表示现有技术中的测站基带多普勒测速结果、b表示现有技术中的累积载波相位测速结果、c表示根据本公开示例性实施例的基于本公开的深空干涉测量数据的测速结果(即，基于无线电信号处理的测速方法的测速结果)，从图6可以看出，根据本公开示例性实施例的基于无线电信号处理的测速方法的测速精度优于现有技术中的测速精度。
例如，图7示出根据本公开示例性实施例的以第一深空站为主站、以第二深空站为从站的三向测速结果。图7中所示的三向测速可应用于探测器的定轨中，从图7中可以看出第一深空站-第二深空站三向测速可有力支持探测器的高精度定轨任务，在不增加额外设备和成本基础上，可为定轨提供一种新的高精度测量观测量。
以上已经结合图1至图7对根据本公开示例性实施例的基于无线电信号处理的测速方法进行了描述。在下文中，将参照图8和图9对根据本公开示例性实施例的基于无线电信号处理的测速装置及其单元进行描述。
图8和图9示出根据本公开示例性实施例的基于无线电信号处理的测速装置的框图。
参照图8，基于无线电信号处理的测速装置包括：信号解析单元81、信号处理单元82和测速观测量生成单元83。
信号解析单元81被配置为对探测到的航天器的无线电信号进行格式解析。
在本公开的示例性实施例中，可通过探测器对航天器进行跟踪探测，并且可通过例如深空干涉测量采集设备对探测器的下行无线电信号进行采集与记录。这里，无线电信号可以是由测站深空干涉测量设备采集的基频数字信号，并且无线电信号的格式可以是宽带实数格式与窄带复数格式。
在本公开的示例性实施例中，测站宽带实数采集记录格式可采用国际通用的VLBI软件接口格式(VSI)，窄带复数采集记录格式可采用国际通用的无线电科学接收机格式(VSR)。
在本公开的示例性实施例中，信号解析单元81可被配置为：按照编帧组帧方式进行分测站、分通道、分时解析。
在本公开的示例性实施例中，如图9所示，基于无线电信号处理的测速装置还可包括参数配置单元84，被配置为预先对载波频率提取处理所需的至少一个参数进行配置。
由于在测速时信号处理积分时间长度、频谱细化倍数、相位线性拟合频率点数是最能直接影响测速精度参数配置，因此，在本公开的示例性实施例中，优选地，所述至少一个参数可包括：信号处理积分时间长度、频谱细化倍数和相位线性拟合频率点数。此外，所述至少一个参数还可包括以下参数中的至少一项：航天器理论上下行频点、测站名称、信号采样带宽、信号记录量化位数、信号跳秒长度、分析信号时间跨度、傅里叶变换长度、测速类型以及输出结果路径与格式。
在本公开的示例性实施例中，当航天器在行星际转移段时，航天器相对于测站的相对速度变化相对较小，可采用以下范围内的参数：信号处理积分时间长度为0.1秒至5秒、频谱细化倍数为2倍至32倍、相位线性拟合频率点数为2至20。在本公开的示例性实施例中，优选地，当航天器在行星际转移段时，可采用以下参数：信号处理积分时间长度为0.5秒或1秒、频谱细化倍数为16倍、相位线性拟合频率点数为10或5，从而获得较优的测速结果。
在本公开的示例性实施例中，当航天器处于环绕轨道时，航天器相对于测站的相对速度变化相对较大，可采用以下范围内的参数：信号处理积分时间长度为0.01秒至2秒、频谱细化倍数为2倍至32倍、相位线性拟合频率点数为2至20。在本公开的示例性实施例中，优选地，当航天器处于环绕轨道时，可采用以下参数：信号处理积分时间长度为0.1秒、频谱细化倍数为8倍、相位线性拟合频率点数为20，从而获得较优的测测速结果。
信号处理单元82被配置为对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理。
在本公开的示例性实施例中，信号处理单元82可包括：信号读入与预处理单元，被配置为对解析后的无线电信号进行预处理。其中，信号读入与预处理单元可包括：预处理单元，被配置为对解析后的无线电信号进行按通道分时预处理，并对按通道分时处理后的无线电信号进行直流分量去除预处理。
在本公开的示例性实施例中，信号处理单元82可首先对解析后的无线电信号进行主载波频率精细估计，得到主载波频率精细估计值，之后至少基于估计得到的主载波频率精细估计值进行模型信号的重构，然后基于解析后的无线电信号和重构的模型信号确定满足残余相位线性化标准的残余相位，最后基于满足残余相位线性化标准的残余相位和主载波频率精细估计值计算载波频率估计值。
在本公开的示例性实施例中，信号处理单元82可包括：载波频率粗估计单元，被配置为对解析后的无线电信号进行主载波频率粗略估计；和载波频率细估计单元，被配置为根据主载波频率粗略估计的结果对解析后的无线电信号进行频谱细化估计，得到主载波频率精细估计值。
在本公开的示例性实施例中，信号处理单元82还可包括：模型信号重构单元，被配置为基于预先设置的主载波理论下行频率、测站本振频率、时标和估计得到的主载波频率精细估计值，进行模型信号的重构，其中，模型信号重构单元还被配置为：通过根据公式Sm(t)＝cos(2πf0t-2πfzoomt-2πfloct)对主载波频率精细估计值、主载波理论下行频率、测站本振频率和时标进行计算来重构模型信号，这里，Sm(t)为重构的模型信号，f0为主载波理论下行频率，fzoom为主载波频率精细估计值，floc为测站本振频率，t指示时标。
在本公开的示例性实施例中，信号处理单元82还可包括：信号分段单元，被配置为根据预先设置的参数，对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行分段；时标匹配单元，被配置为基于分段结果对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行时标匹配，以确保解析后的无线电信号与重构的模型信号的分段时标完全保持一致；互相关处理单元，被配置为基于分段结果对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行互相关计算，得到频率最大点处的互相关残余相位；和残余相位检测单元，被配置为基于分段结果对指定点数的频率最大点处的互相关残余相位的线性情况进行互相关残余相位线性化检测，得到满足残余相位线性化标准的残余相位。
在本公开的示例性实施例中，信号处理单元82还可包括：残余频率估计单元，被配置为基于满足残余相位线性化标准的残余相位与时标之间的关系，分段估计残余频率值；和载波频率估计单元，被配置为根据估计得到的残余频率值和主载波频率精细估计值计算载波频率估计值。
在本公开的示例性实施例中，信号处理单元82还可包括：多普勒频率获取单元，被配置为对载波频率估计值进行多普勒频率转换。
在本公开的示例性实施例中，信号处理单元82还可包括：频率估计精度评估单元，被配置为对载波频率估计值进行频率估计精度评估。
测速观测量生成单元83被配置为基于提取的载波频率生成所述航天器的测速观测量。
在本公开的示例性实施例中，测速观测量生成单元83可根据多普勒频率生成以下项中的至少一项：单向测速观测量、双向测速观测量和三向测速观测量。
例如，图10示出根据本公开示例性实施例的信号处理单元82的示例框图。在图10中，信号处理单元82包括：信号读入与预处理单元8201、载波频率粗估计单元8202、载波频率细估计单元8203、模型信号重构单元8204、信号分段单元8205、时标匹配单元8206、互相关处理单元8207、残余相位检测单元8208、残余频率估计单元8209、载波频率估计单元8210、多普勒频率获取单元8211和频率估计精度评估单元8212。此外，虽然未示出，但是信号处理单元82还可包括：信号读取指针回位单元，被配置为使得信号读取装置的信号读取指针回位来再次读入解析后的无线电信号。
此外，根据本公开的示例性实施例，还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序被执行时，实现根据本公开的基于无线电信号处理的测速方法的步骤。
在本公开的示例性实施例中，所述计算机可读存储介质可承载有一个或者多个程序，当所述计算机程序被执行时可实现以下步骤：首先对探测到的航天器的无线电信号进行格式解析，并对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理，然后基于提取的载波频率生成所述航天器的测速观测量。
计算机可读存储介质例如可以是，但不限于，电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开的实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储计算机程序的有形介质，该计算机程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。计算机可读存储介质上包含的计算机程序可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质可以包含在任意装置中；也可以单独存在，而未装配入该装置中。
以上已经结合图8至图10对根据本公开示例性实施例的基于无线电信号处理的测速装置进行了描述。接下来，结合图11对根据本公开的示例性实施例的计算装置进行描述。
图11示出根据本公开示例性实施例的计算装置的示意图。
参照图11，根据本公开示例性实施例的计算装置11，包括存储器111和处理器112，所述存储器111上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现根据本公开的基于无线电信号处理的测速方法的步骤。
在本公开的示例性实施例中，当所述计算机程序被处理器执行时，可实现以下步骤：首先对探测到的航天器的无线电信号进行格式解析，并对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理，然后基于提取的载波频率生成所述航天器的测速观测量。
图11示出的计算装置仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。
以上已参照图1至图11描述了根据本公开示例性实施例的基于无线电信号处理的测速方法及装置。然而，应该理解的是：图8至图10中所示的基于无线电信号处理的测速装置及其单元可分别被配置为执行特定功能的软件、硬件、固件或上述项的任意组合，图11中所示的计算装置并不限于包括以上示出的组件，而是可根据需要增加或删除一些组件，并且以上组件也可被组合。
根据本公开的示例性实施例的基于无线电信号处理的测速方法及装置，通过首先对探测到的航天器的无线电信号进行格式解析，并对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理，然后基于提取的载波频率生成所述航天器的测速观测量，从而实现了基于无线电信号处理的航天器高精度测速。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本公开，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (10)

1.一种基于无线电信号处理的测速方法，包括：
对探测到的航天器的无线电信号进行格式解析；
对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理；
基于提取的载波频率生成所述航天器的测速观测量。
2.根据权利要求1所述的测速方法，其中，对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理的步骤包括：
对解析后的无线电信号进行主载波频率精细估计，得到主载波频率精细估计值；
至少基于估计得到的主载波频率精细估计值进行模型信号的重构；
基于解析后的无线电信号和重构的模型信号确定满足残余相位线性化标准的残余相位；
基于满足残余相位线性化标准的残余相位和主载波频率精细估计值计算载波频率估计值。
3.根据权利要求2所述的测速方法，其中，至少基于估计得到的主载波频率精细估计值进行模型信号的重构的步骤包括：
基于预先设置的主载波理论下行频率、测站本振频率、时标和估计得到的主载波频率精细估计值，进行模型信号的重构，
其中，进行模型信号的重构的步骤包括：
通过根据公式Sm(t)＝cos(2πf0t-2πfzoomt-2πfloct)对主载波频率精细估计值、主载波理论下行频率、测站本振频率和时标进行计算来重构模型信号，其中，Sm(t)为重构的模型信号，f0为主载波理论下行频率，fzoom为主载波频率精细估计值，floc为测站本振频率，t指示时标。
4.根据权利要求2所述的测速方法，其中，基于解析后的无线电信号和重构的模型信号确定满足残余相位线性化标准的残余相位的步骤包括：
根据预先设置的参数，对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行分段；
基于分段结果对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行时标匹配，以确保解析后的无线电信号与重构的模型信号的分段时标完全保持一致；
基于分段结果对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行互相关计算，得到频率最大点处的互相关残余相位；
基于分段结果对指定点数的互相关残余相位的线性情况进行互相关残余相位线性化检测，得到满足残余相位线性化标准的残余相位。
5.根据权利要求2所述的测速方法，其中，基于满足残余相位线性化标准的残余相位和主载波频率精细估计值计算载波频率估计值的步骤包括：
基于满足残余相位线性化标准的残余相位与时标之间的关系，分段估计残余频率值；
根据估计得到的残余频率值和主载波频率精细估计值计算载波频率估计值。
6.一种基于无线电信号处理的测速装置，包括：
信号解析单元，被配置为对探测到的航天器的无线电信号进行格式解析；
信号处理单元，被配置为对解析后的无线电信号进行载波频率提取处理；和
测速观测量生成单元，被配置为基于提取的载波频率生成所述航天器的测速观测量。
7.根据权利要求6所述的测速装置，其中，信号处理单元被配置为：
对解析后的无线电信号进行主载波频率精细估计，得到主载波频率精细估计值；
至少基于估计得到的主载波频率精细估计值进行模型信号的重构；
基于解析后的无线电信号和重构的模型信号确定满足残余相位线性化标准的残余相位；
基于满足残余相位线性化标准的残余相位和主载波频率精细估计值计算载波频率估计值。
8.根据权利要求7所述的测速装置，其中，信号处理单元包括：
模型信号重构单元，被配置为基于预先设置的主载波理论下行频率、测站本振频率、时标和估计得到的主载波频率精细估计值，进行模型信号的重构，
其中，模型信号重构单元还被配置为：
通过根据公式Sm(t)＝cos(2πf0t-2πfzoomt-2πfloct)对主载波频率精细估计值、主载波理论下行频率、测站本振频率和时标进行计算来重构模型信号，其中，Sm(t)为重构的模型信号，f0为主载波理论下行频率，fzoom为主载波频率精细估计值，floc为测站本振频率，t指示时标。
9.根据权利要求7所述的测速装置，其中，信号处理单元包括：
信号分段单元，被配置为根据预先设置的参数，对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行分段；
时标匹配单元，被配置为基于分段结果对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行时标匹配，以确保解析后的无线电信号与重构的模型信号的分段时标完全保持一致；
互相关处理单元，被配置为基于分段结果对解析后的无线电信号与重构的模型信号进行互相关计算，得到频率最大点处的互相关残余相位；和
残余相位检测单元，被配置为基于分段结果对指定点数的频率最大点处的互相关残余相位的线性情况进行互相关残余相位线性化检测，得到满足残余相位线性化标准的残余相位。
10.根据权利要求7所述的测速装置，其中，信号处理单元包括：
残余频率估计单元，被配置为基于满足残余相位线性化标准的残余相位与时标之间的关系，分段估计残余频率值；和
载波频率估计单元，被配置为根据估计得到的残余频率值和主载波频率精细估计值计算载波频率估计值。
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