CN111090109B - 星载频差提取对频差快速变化的补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星载频差提取对频差快速变化的补偿方法，具体实施步骤如下：首先主副星接收机对辐射源信号进行中频采样处理，主星得到目标的粗定位结果，再根据主副星的位置、速度与加速度信息，计算目标辐射源与主副星的相对加速度，得到频差快速变化的补偿因子，将其代入修正后的互模糊函数等式中，最后对互模糊函数的模进行峰值搜索，得到频差的估计值，修正后的算法可有效的解决频差随时间积累估计精度下降的情况。
Description
技术领域
本发明属于信号参数估计技术，具体涉及一种星载频差提取对频差快速变化的补偿方法。
背景技术
时频差定位系统通过测量同一辐射源到达主副站的到达时间差(TDOA)和到达频率差(FDOA)对目标进行定位。在时频差定位系统中，频差的测量精度将直接影响定位的效果，频差的测量精度越高，定位效果越好。由于在星载定位体制中，卫星平台的运动速度极快，辐射源信号到达主副星的多普勒频差随时间会发生明显变化，通常将这种场景下的频差估计叫做时变频差估计。
目前频差测量方法主要采用互模糊函数法，现有的互模糊函数联合估计法对频差固定的场景具有较好的效果，但在星载侦察中，由于卫星相对目标的运动是一个时变的过程，信号到达主副星的频差也是时变的，其变化的快慢程度与目标相对卫星的加速度有关。信号的频差估计精度与时间成正比，积累时间越长，频差估计精度越高，要得到高精度的频差估计值需要进行长时间的积累，在时变频差的估计场景中，现有的互模糊函数估计法具有一定的局限性，长时间的相干积累频差相关峰会发生展宽，甚至分裂的现象，并且峰值的幅度会降低，从而带来相关积累损耗，导致频差参数估计精度下降，甚至得到错误的频差估计值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种星载频差提取对频差快速变化的补偿方法，针对星载频差估计问题，研究适应实际星载平台的时变频差估计方法，解决长时间积累过后频差估计精度下降的问题，满足全球电子侦察、海事监测等应用领域的需要。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种星载频差提取对频差快速变化的补偿方法，步骤如下：
步骤1、主副星分别对信号进行中频采集，主星采集的中频数据为s1(t)，副星采集的中频数据为s2(t)；
步骤2、主星对目标进行测向定位，位置估计值为
步骤3、计算s1(t)和s2(t)的互模糊函数CAF(τ,υ)；
步骤4、对互模糊函数的模值|CAF(τ,υ)|进行峰值搜索，得到频差估计值υd。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)传统的方法在经过长时间的积累后，频差相关峰会发生展宽或分裂，将得到误差较大的频差估计结果，本发明方法可以有效地解决长时间积累后频差峰展宽以及分裂问题，能实现对时变频差的高精度估计。
(2)简单易于星上实现，具有良好的工程应用前景。
附图说明
图1为本发明星载频差提取对频差快速变化补偿方法的流程图。
图2为本发明实施例中的时变频差估计结果的对比图，其中图(a)为积累时间为300ms时的频差峰值对比图；其中图(b)为积累时间为400ms时的频差峰值对比图；其中图(c)为积累时间为500ms时的频差峰值对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明提出了一种星载频差提取对频差快速变化的补偿方法，具体流程如图1所示，包括以下步骤：
步骤1、主副星分别对信号进行中频采集，主星采集的中频数据为s1(t)，副星采集的中频数据为s2(t)；
步骤2、主星对目标进行测向定位，位置估计值为
本步骤中的测向定位可通过现有技术实现，例如参见“郭福成.基于WGS-84地球模型的单星测向定位方法[J].宇航学报，2011，32(5)：1179-1183.”中的单星测向定位方法。
需要说明的是，为便于对本发明做详细说明，本实施例优选地选择干涉仪测向定位作为获取目标粗定位结果的方法。显然，本发明包括但不限于单星测向的粗定位方案，也可以采用其他定位体制，例如比幅测向体制等。
步骤3、计算s1(t)和s2(t)的互模糊函数CAF(τ,υ)；
步骤3-1、计算目标相对主星的加速度a1，所用公式为；
a1＝(V1 TV1+r1 Ta1)/r1-(r1 TV1)2/r1 3
式中，V1为主星的速度矢量，a1为主星的加速度矢量，S1为主星的位置矢量，为目标相对主星的位置矢量，r1＝||r1||为目标到主星的距离。
步骤3-2、计算目标相对副星的加速度a2，所用公式为；
a2＝(V2 TV2+r2 Ta2)/r2-(r2 TV2)2/r2 3
式中，V2为副星的速度矢量，a2为副星的加速度矢量，S2为副星的位置矢量，为目标相对副星的位置矢量，r2＝||r2||为目标到副星的距离。
步骤3-3、计算频差补偿因子α，所用公式如下：
式中，c为光在真空中的传播速度。
步骤3-4、计算s1(t)和s2(t)的互模糊函数CAF(τ,υ)，所用公式如下：
式中，τ为时差值，υ为频差值，T表示积分时间，“*”表示取共轭，t表示时间，j表示虚数单位。
步骤4、对互模糊函数的模值|CAF(τ,υ)|进行峰值搜索，得到信号的频差估计值υd。
下面给出具体的例子，更详细地说明本发明：
构造一种双星时频差定位场景，其中卫星的轨道高度为900km，星间距为90km，主星位置S1＝[-2747893.639,4521507.2,4701603.618]m，主星速度V1＝[-4896.848,-4867.87,1819.399]m/s、主星加速度a1＝[2.359,-4.336,-5.290]m/s2，副星位置S2＝[-2796517.598,4474004.558,4718346.737]m，副星速度V2＝[-4871.242,-4911.489,1770.008]m/s、副星加速度a2＝[2.407,-4.287,-5.309]m/s2
目标辐射源位置X＝[-2498236.879,3800366.387,4456769.477]m，位于频差变化比较大的位置区域，目标辐射源静止不动，目标辐射源信号为常规单载频信号，载频3.0013GHz，目标辐射源信号到达主副星1秒内频差变化约50Hz，根据本发明提供的补偿算法，计算在不同积累时间下的频差结果，其步骤具体如下：
步骤1、主副星分别对信号进行中频采集，主星采集的中频数据为s1(t)，副星采集的中频数据为s2(t)；
目标辐射源的信号s(t)为：
式中，a(t)为基带信号，f0为载波频率，为初始相位。
主星采集的中频数据s1(t)为：
式中，c为光在真空中的传播速度，τ1为信号的路径时延，v1为目标相对主星的运动速度，a1为目标相对主星的运动加速度；
副星采集的中频数据s2(t)为：
式中，τ2为信号的路径时延，v2为目标相对主星的运动速度，a2为目标相对副星的运动加速度。
步骤2、主星对目标进行测向定位，位置估计值为
步骤3、计算s1(t)和s2(t)的互模糊函数CAF(τ,υ)；
步骤3-1、计算目标相对主星的加速度a1，所用公式为；
a1＝(V1 TV1+r1 Ta1)/r1-(r1 TV1)2/r1 3
式中，V1为主星的速度矢量，a1为主星的加速度矢量，S1为主星的位置矢量，为目标相对主星的位置矢量，r1＝||r1||为目标到主星的距离。
步骤3-2、计算目标相对副星的加速度a2，所用公式为；
a2＝(V2 TV2+r2 Ta2)/r2-(r2 TV2)2/r2 3
式中，V2为副星的速度矢量，a2为副星的加速度矢量，S2为副星的位置矢量，为目标相对副星的位置矢量，r2＝||r2||为目标到副星的距离。
步骤3-3、计算频差补偿因子α，所用公式如下：
式中，c为光在真空中的传播速度
步骤3-4、计算s1(t)和s2(t)的互模糊函数CAF(τ,υ)，所用公式如下：
式中，τ为时差值，υ为频差值，T表示积分时间，“*”表示取共轭，t表示时间，j表示虚数单位。
步骤4、对互模糊函数的模值|CAF(τ,υ)|进行峰值搜索，得到信号的频差估计值υd与时差估计值τd。
(τd,υd)＝argmax(|CAF(τ,υ)|)
式中，max()表示取最大值位置操作，|·|表示取模操作。
处理结果如图2所示。图2(a)表示积累时间为300ms的频差相关峰值，由图可知，补偿过后的峰值幅度比未补偿的峰值幅度明显提升，图2(b)表示积累时间为400ms的频差相关峰值，由图可知，补偿过后的峰值主瓣比未补偿的峰值主瓣要窄；图2(c)表示积累时间为500ms的频差相关峰值，由图可知，未补偿的峰值发生分裂，补偿过后的峰值只有单个尖峰。对比以上处理结果可知，相对于传统的估计方法，本发明的补偿算法可以解决长时间积累后频差峰展宽以及分裂问题，且算法简单易实现，能适应星载频差估计的场景，在电子侦察、海事监测等领域具有良好的工程应用前景。
Claims (1)
1.一种星载频差提取对频差快速变化的补偿方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、主副星分别对信号进行中频采集，主星采集的中频数据为s1(t)，副星采集的中频数据为s2(t)；
步骤2、主星对目标进行测向定位，位置估计值为
步骤3、计算s1(t)和s2(t)的互模糊函数CAF(τ,υ)；具体包括以下步骤：
步骤3-1、计算目标相对主星的加速度a1，所用公式为；
a1＝(V1 TV1+r1 Ta1)/r1-(r1 TV1)2/r1 3
式中,V1为主星的速度矢量，a1为主星的加速度矢量，S1为主星的位置矢量，为目标相对主星的位置矢量，r1＝||r1||为目标到主星的距离；
步骤3-2、计算目标相对副星的加速度a2，所用公式为；
a2＝(V2 TV2+r2 Ta2)/r2-(r2 TV2)2/r2 3
式中,V2为副星的速度矢量，a2为副星的加速度矢量，S2为副星的位置矢量，为目标相对副星的位置矢量，r2＝||r2||为目标到副星的距离；
步骤3-3、计算频差补偿因子α，所用公式如下：
式中，c为光在真空中的传播速度；
步骤3-4、计算s1(t)和s2(t)的互模糊函数CAF(τ,υ)，所用公式如下：
式中，τ为时差值，υ为频差值，T表示积分时间,“*”表示取共轭，t表示时间，j表示虚数单位；
步骤4、对互模糊函数的模值|CAF(τ,υ)|进行峰值搜索，得到频差估计值υd。
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