CN111337955B - 星载单星测频无源定位接收机试验方法 - Google Patents

星载单星测频无源定位接收机试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种星载单星测频无源定位接收机试验方法。该方法包括步骤：仿真计算卫星多个历元时刻的位置和速度；给定信号源的位置和发射频率，计算每个历元时刻所对应的卫星与信号源之间的多普勒频率；信号源向星载单星测频无源定位接收机发射包括有历元时刻信息的信号；星载单星测频无源定位接收机接收并解析信号源信号，获取多普勒频率和历元时刻信息；计算信号源的位置；基于信号源的位置给定值和位置计算值，计算确定星载单星测频无源定位接收机的定位精度。本发明的星载单星测频无源定位接收机试验方法通过采用实物试验与仿真技术相结合的方式构建星载单星测频无源定位接收机的试验环境，能够复现接收机在轨处理流程，完成接收机试验。

Description

星载单星测频无源定位接收机试验方法
技术领域
本发明涉及卫星定位技术领域，具体涉及一种星载单星测频无源定位接收机试验方法。
背景技术
单星测频无源定位技术指的是利用星载单星测频无源定位接收机测量所获得信号的多普勒频率来确定信号源位置的一种卫星定位技术。目前，单星测频无源定位系统只需要一颗卫星就可实现对信号源的定位，其定位精度通常为公里级。虽然，单星测频无源定位系统的定位精度不高，但相较于现有的全球导航系统，具有实现简单、建设成本低和周期短等优点，仍有广泛的应用，例如国际极低轨道搜救卫星系统COSPAS-SARSAT、美国低轨气象卫星系统NOAA和海洋环境监测系统ARGOS均采用了单星测频无源定位系统等。
星载单星测频无源定位接收机安装在卫星平台上，用于在轨计算信号源的位置。目前，为了保证基于单星测频无源定位技术的卫星能够在轨计算信号源的位置，并提高定位精度和实时性，卫星在发射之前需要对星载单星测频无源定位接收机进行充分的性能试验。现有的星载单星测频无源定位接收机的性能试验方法主要有基于地面处理中心的试验方法、基于在轨运行的试验方法和全虚拟仿真试验方法。
发明人发现现有技术至少存在以下问题：
基于地面处理中心的试验方法中单星测频无源定位算法的运行在地面处理中心，缺少单星测频无源定位算法在卫星平台上的验证，无法充分验证星载单星测频无源定位接收机的性能；基于在轨运行的试验方法存在较大的风险，当在卫星平台运行的单星测频无源定位算法存在缺陷时，会导致在轨运行出现问题；由于星载单星测频无源定位接收机的性能与信号源的频率稳定度、发射频率的准确度和频率测量精度等相关，现有的全虚拟仿真试验方法无法充分验证星载单星测频无源定位接收机的性能。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种星载单星测频无源定位接收机试验方法，通过采用实物试验与仿真技术相结合的方式构建星载单星测频无源定位接收机的试验环境，能够复现星载单星测频无源定位接收机在轨处理流程，完成对星载单星测频无源定位接收机的功能和性能试验。
为此，本发明公开了一种星载单星测频无源定位接收机试验方法，所述方法包括如下内容：
仿真计算卫星在轨运行时的多个历元时刻的位置和速度，对每个历元时刻的位置和速度添加设定的误差值后存储在星载单星测频无源定位接收机内；
给定信号源的位置和发射频率，计算每个历元时刻所对应的卫星与信号源之间的多普勒频率，并将每个多普勒频率及其对应的历元时刻存储在信号源内；
信号源读取存储的多普勒频率及其对应的历元时刻，根据读取的多普勒频率调整信号的载波频率后向星载单星测频无源定位接收机发射包括有历元时刻信息的信号；
星载单星测频无源定位接收机接收并解析信号源信号，获取多普勒频率和历元时刻信息；
星载单星测频无源定位接收机根据获取的历元时刻信息读取存储的卫星的位置和速度，并结合获取的多普勒频率计算信号源的位置；
基于信号源的位置给定值和位置计算值，计算确定星载单星测频无源定位接收机的定位精度。
进一步地，在上述星载单星测频无源定位接收机试验方法中，仿真计算卫星在轨运行时的多个历元时刻的位置和速度，对每个历元时刻的位置值和速度值添加设定的误差值后存储在星载单星测频无源定位接收机内，包括：
根据卫星的拟发射轨道确定卫星的轨道参数；
根据卫星的轨道参数计算卫星的多个历元时刻的位置和速度；
根据星载单星测频无源定位接收机所在卫星平台中拟装配的星载导航接收机的精度确定误差值；
在计算得到的每个历元时刻的位置和速度上添加误差值；
将添加误差值后的每个历元时刻的位置和速度存储在星载单星测频无源定位接收机内。
进一步地，在上述星载单星测频无源定位接收机试验方法中，卫星与信号源之间的多普勒频率通过式1计算确定；
Figure BDA0002399675180000021
其中，fd(t)表示历元t时刻所对应的卫星与信号源之间的多普勒频率，fT表示信号源的发射频率，(x′(t),y′(t),z′(t))和
Figure BDA0002399675180000031
分别表示添加误差值后的历元t时刻卫星在地心地固坐标系下的位置和速度，(x0,y0,z0)表示信号源在地心地固坐标系下的位置给定值，c表示光速。
进一步地，在上述星载单星测频无源定位接收机试验方法中，所述方法还包括：根据信号源与卫星的相对位置实时调节信号源的发射信号的功率。
进一步地，在上述星载单星测频无源定位接收机试验方法中，采用数控衰减器控制调节信号源的发射信号的功率；
数控衰减器通过有线连接方式分别连接信号源与星载单星测频无源定位接收机，并由信号源控制。
进一步地，在上述星载单星测频无源定位接收机试验方法中，数控衰减器的控制量通过式2计算确定；
Figure BDA0002399675180000032
其中，L(t)表示数控衰减器在历元t时刻时的控制量，fd(t)表示历元t时刻所对应的卫星与信号源之间的多普勒频率，fT表示信号源的发射频率，(x0,y0,z0)表示信号源在地心地固坐标系下的位置给定值，(x′(t),y′(t),z′(t))表示添加误差值后的历元t时刻卫星在地心地固坐标系下的位置。
进一步地，在上述星载单星测频无源定位接收机试验方法中，星载单星测频无源定位接收机采用最小二乘算法信号源的位置。
进一步地，在上述星载单星测频无源定位接收机试验方法中，星载单星测频无源定位接收机的定位精度通过式3计算确定；
Figure BDA0002399675180000033
其中，Pe表示星载单星测频无源定位接收机的定位精度，(x0,y0,z0)表示信号源在地心地固坐标系下的位置给定值，(x0,y0,z0)表示信号源在地心地固坐标系下的位置计算值。
此外，本发明还公开了一种星载单星测频无源定位接收机的性能验证方法，所述验证方法包括：分别设定多个不同的误差值或多个不同的信号源的位置给定值，利用上述述的星载单星测频无源定位接收机试验方法获取多个不同的误差值或多个不同的信号源的位置给定值所对应的定位精度，对多个定位精确进行分析对比，以验证星载导航接收机的精度或信号源的分布对星载单星测频无源定位接收机的定位精度的影响。
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明的星载单星测频无源定位接收机试验方法通过采用实物试验与仿真技术相结合的方式构建星载单星测频无源定位接收机的试验环境，能够复现星载单星测频无源定位接收机在轨处理流程，完成对星载单星测频无源定位接收机的功能和性能试验；同时充分考虑和验证了信号源的信号发射特性、信号传播特性和星载单星测频无源定位接收机的频率测量特性等因素的影响，可适应不同轨道卫星，试验成本低，系统建设风险低。
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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例的星载单星测频无源定位接收机试验方法的流程图；
图2为本发明一实施例的星载单星测频无源定位接收机和信号源的连接关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
如附图1所示，本发明一实施例提供了一种星载单星测频无源定位接收机试验方法，该方法包括如下步骤：
仿真计算卫星在轨运行时的多个历元时刻的位置和速度，对每个历元时刻的位置和速度添加设定的误差值后存储在星载单星测频无源定位接收机内；
给定信号源的位置和发射频率，计算每个历元时刻所对应的卫星与信号源之间的多普勒频率，并将每个多普勒频率及其对应的历元时刻存储在信号源内；
信号源读取存储的多普勒频率及其对应的历元时刻，根据读取的多普勒频率调整信号的载波频率后向星载单星测频无源定位接收机发射包括有历元时刻信息的信号；
星载单星测频无源定位接收机接收并解析信号源信号，获取多普勒频率和历元时刻信息；
星载单星测频无源定位接收机根据获取的历元时刻信息读取存储的卫星的位置和速度，并结合获取的多普勒频率计算信号源的位置；
基于信号源的位置给定值和位置计算值，计算确定星载单星测频无源定位接收机的定位精度。
以下对本发明一实施例提供的星载单星测频无源定位接收机试验方法进行具体说明；
本发明一实施例中，仿真计算卫星在轨运行时的多个历元时刻的位置和速度，对每个历元时刻的位置值和速度值添加设定的误差值后存储在星载单星测频无源定位接收机内，可以包括如下步骤：
根据卫星的拟发射轨道确定卫星的轨道参数；
根据卫星的轨道参数计算卫星的多个历元时刻的位置和速度；
根据星载单星测频无源定位接收机所在卫星平台中拟装配的星载导航接收机的精度确定误差值；
在计算得到的每个历元时刻的位置和速度上添加误差值；
将添加误差值后的每个历元时刻的位置和速度存储在星载单星测频无源定位接收机内。
如此能够模拟卫星的在轨运行状态，保证星载单星测频无源定位接收机的性能试验精度。
其中，本发明一实施例中，轨道参数可以采用历书的形式表示，包括：参考时间、卫星的轨道长半轴、卫星的轨道偏心率、卫星的近地点幅角、参考时间对应的平近点角和参考时间对应的升交点赤经。
本发明一实施例中，星载单星测频无源定位接收机内存储的位置和速度信息可以如表1所示，ti表示历元时刻，(x′(ti),y′(ti),z′(ti))和
Figure BDA0002399675180000051
分别表示添加误差值后的历元ti时刻卫星在地心地固坐标系下的位置和速度，x′(ti)、y′(ti)和z′(ti)分别表示添加误差值后的历元ti时刻卫星在地心地固坐标系X轴、Y轴和Z轴方向上的坐标，
Figure BDA0002399675180000052
和
Figure BDA0002399675180000053
分别表示添加误差值后的历元t时刻卫星在地心地固坐标系X轴、Y轴和Z轴方向上的速度，i＝1,2,3...n。
表1(接收机存储信息表)
Figure BDA0002399675180000061
基于上述的具体步骤，本发明一实施例中，卫星与信号源之间的多普勒频率可以通过式1计算确定；
Figure BDA0002399675180000062
式中，fd(t)表示历元t时刻所对应的卫星与信号源之间的多普勒频率，fT表示信号源的发射频率，(x′(t),y′(t),z′(t))和
Figure BDA0002399675180000063
分别表示添加误差值后的历元t时刻卫星在地心地固坐标系下的位置和速度，x′(t)、y′(t)和z′(t)分别表示添加误差值后的历元t时刻卫星在地心地固坐标系X轴、Y轴和Z轴方向上的坐标，
Figure BDA0002399675180000064
和
Figure BDA0002399675180000065
分别表示添加误差值后的历元t时刻卫星在地心地固坐标系X轴、Y轴和Z轴方向上的速度，(x0,y0,z0)表示信号源在地心地固坐标系下的位置给定值，x0、y0和z0分别表示信号源在地心地固坐标系X轴、Y轴和Z轴方向上的坐标，c表示光速。
其中，本发明一实施例中，信号源的发射频率通过测量仪器精确测量，信号源为静止信号源。
本发明一实施例中，信号源内存储的多普勒频率信息可以如表2所示，ti表示历元时刻，fd(ti)表示历元ti时刻对应的多普勒频率，i＝1,2,3...n。
表2(信号源存储信息表)
历元时刻 多普勒频率(MHz)
t<sub>1</sub> f<sub>d</sub>(t<sub>1</sub>)
t<sub>2</sub> f<sub>d</sub>(t<sub>2</sub>)
t<sub>3</sub> f<sub>d</sub>(t<sub>3</sub>)
… …
t<sub>i</sub> f<sub>d</sub>(t<sub>i</sub>)
… …
t<sub>n</sub> f<sub>d</sub>(t<sub>n</sub>)
进一步地，由于卫星在轨运行时卫星与信号源之间的相对位置处于变化状态，为了充分模拟卫星的在轨运行状态，保证试验时到达星载单星测频无源定位接收机的信号电平与卫星在轨运行时一致，从而确保星载单星测频无源定位接收机的性能试验精度；本发明一实施例中，该星载单星测频无源定位接收机试验方法还包括：根据信号源与卫星的相对位置实时调节信号源的发射信号的功率。
具体地，如附图2所示，可以采用数控衰减器调节信号源的发射信号的功率；数控衰减器通过有线连接方式分别连接信号源与星载单星测频无源定位接收机，并由信号源控制。
如此设置，通过利用数控衰减器能够对信号源的发射信号功率进行调整以适应信号源与卫星不同的相对位置关系。
本发明一实施例中，数控衰减器的控制量可以通过式2计算确定；
Figure BDA0002399675180000071
式中，L(t)表示数控衰减器在历元t时刻时的控制量，fd(t)表示历元t时刻所对应的卫星与信号源之间的多普勒频率，fT表示信号源的发射频率，(x0,y0,z0)表示信号源在地心地固坐标系下的位置给定值，(x′(t),y′(t),z′(t))表示添加误差值后的历元t时刻卫星在地心地固坐标系下的位置。
进一步地，本发明一实施例中，为了能够准确解析出信号源信号的多普勒频率和历元时刻信息，星载单星测频无源定位接收机可以采用锁频环进行频率跟踪，从而基于获取的历元时刻信息读取存储的卫星的位置和速度，并结合获取的多普勒频率采用单星测频无源定位算法求解信号源的位置。
基于上述步骤和设定，可以得到如表3所示的卫星位置、位置速度和多普勒频率的对应关系。
表3(卫星位置速度与多普勒频率的对应关系表)
Figure BDA0002399675180000081
可选的，本发明实施例中，星载单星测频无源定位接收机采用最小二乘算法计算确定信号源的位置。
进一步地，设定：利用单星测频无源定位算法计算得到的信号源的位置计算值为(x0′,y0′,z0′)，则星载单星测频无源定位接收机的定位精度可通过式3计算确定；
Figure BDA0002399675180000082
其中，Pe表示星载单星测频无源定位接收机的定位精度，(x0,y0,z0)表示信号源在地心地固坐标系下的位置给定值，(x0′,y0′,z0′)表示信号源在地心地固坐标系下的位置计算值，x0′、y0′和z′分别表示信号源在地心地固坐标系X轴、Y轴和Z轴方向上的坐标计算值。
此外，基于上述的星载单星测频无源定位接收机试验方法，本发明一实施例还提供了一种星载单星测频无源定位接收机的性能验证方法，该验证方法包括：分别设定多个不同的误差值或多个不同的信号源的位置给定值，利用上述的星载单星测频无源定位接收机试验方法获取多个不同的误差值或多个不同的信号源的位置给定值所对应的定位精度，对多个定位精确进行分析对比，以验证星载导航接收机的精度或信号源的分布对星载单星测频无源定位接收机的定位精度的影响。
同理，参照上述的星载单星测频无源定位接收机的性能验证方法，本发明一实施例中提供的星载单星测频无源定位接收机试验方法还可以用于验证算法或设备的其他特性对星载单星测频无源定位接收机的定位精度的影响。
可见，本发明一实施例提供的星载单星测频无源定位接收机试验方法通过采用实物试验与仿真技术相结合的方式构建星载单星测频无源定位接收机的试验环境，能够复现星载单星测频无源定位接收机在轨处理流程，完成对星载单星测频无源定位接收机的功能和性能试验；同时充分考虑和验证了信号源的信号发射特性、信号传播特性和星载单星测频无源定位接收机的频率测量特性等因素的影响，可适应不同轨道卫星，试验成本低，系统建设风险低。
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。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种星载单星测频无源定位接收机试验方法，其特征在于，所述方法包括如下内容：
仿真计算卫星在轨运行时的多个历元时刻的位置和速度，对每个历元时刻的位置和速度添加设定的误差值后存储在星载单星测频无源定位接收机内；
给定信号源的位置和发射频率，计算每个历元时刻所对应的卫星与信号源之间的多普勒频率，并将每个多普勒频率及其对应的历元时刻存储在信号源内；
信号源读取存储的多普勒频率及其对应的历元时刻，根据读取的多普勒频率调整信号的载波频率后向星载单星测频无源定位接收机发射包括有历元时刻信息的信号；
星载单星测频无源定位接收机接收并解析信号源信号，获取多普勒频率和历元时刻信息；
星载单星测频无源定位接收机根据获取的历元时刻信息读取存储的卫星的位置和速度，并结合获取的多普勒频率计算信号源的位置；
基于信号源的位置给定值和位置计算值，计算确定星载单星测频无源定位接收机的定位精度。
2.根据权利要求1所述的星载单星测频无源定位接收机试验方法，其特征在于，仿真计算卫星在轨运行时的多个历元时刻的位置和速度，对每个历元时刻的位置值和速度值添加设定的误差值后存储在星载单星测频无源定位接收机内，包括：
根据卫星的拟发射轨道确定卫星的轨道参数；
根据卫星的轨道参数计算卫星的多个历元时刻的位置和速度；
根据星载单星测频无源定位接收机所在卫星平台中拟装配的星载导航接收机的精度确定误差值；
在计算得到的每个历元时刻的位置和速度上添加误差值；
将添加误差值后的每个历元时刻的位置和速度存储在星载单星测频无源定位接收机内。
3.根据权利要求2所述的星载单星测频无源定位接收机试验方法，其特征在于，卫星与信号源之间的多普勒频率通过式(1)计算确定；
Figure FDA0002679549330000011
其中，fd(t)表示历元t时刻所对应的卫星与信号源之间的多普勒频率，fT表示信号源的发射频率，(x′(t),y′(t),z′(t))和
Figure FDA0002679549330000012
分别表示添加误差值后的历元t时刻卫星在地心地固坐标系下的位置和速度，(x0,y0,z0)表示信号源在地心地固坐标系下的位置给定值，c表示光速。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的星载单星测频无源定位接收机试验方法，其特征在于，所述方法还包括：根据信号源与卫星的相对位置实时调节信号源的发射信号的功率。
5.根据权利要求4所述的星载单星测频无源定位接收机试验方法，其特征在于，采用数控衰减器控制调节信号源的发射信号的功率；数控衰减器通过有线连接方式分别连接信号源与星载单星测频无源定位接收机，并由信号源控制。
6.根据权利要求5所述的星载单星测频无源定位接收机试验方法，其特征在于，数控衰减器的控制量通过式(2)计算确定；
Figure FDA0002679549330000021
其中，L(t)表示数控衰减器在历元t时刻时的控制量，fd(t)表示历元t时刻所对应的卫星与信号源之间的多普勒频率，fT表示信号源的发射频率，(x0,y0,z0)表示信号源在地心地固坐标系下的位置给定值，(x′(t),y′(t),z′(t))表示添加误差值后的历元t时刻卫星在地心地固坐标系下的位置。
7.根据权利要求1所述的星载单星测频无源定位接收机试验方法，其特征在于，星载单星测频无源定位接收机采用最小二乘算法计算确定信号源的位置。
8.根据权利要求1所述的星载单星测频无源定位接收机试验方法，其特征在于，星载单星测频无源定位接收机的定位精度通过式(3)计算确定；
Figure FDA0002679549330000022
其中，Pe表示星载单星测频无源定位接收机的定位精度，(x0,y0,z0)表示信号源在地心地固坐标系下的位置给定值，(x′0,y′0,z′0)表示信号源在地心地固坐标系下的位置计算值。
9.一种星载单星测频无源定位接收机的性能验证方法，所述验证方法包括：分别设定多个不同的误差值或多个不同的信号源的位置给定值，利用如权利要求1至8中任一项所述的星载单星测频无源定位接收机试验方法获取多个不同的误差值或多个不同的信号源的位置给定值所对应的定位精度，对多个定位精确进行分析对比，以验证星载导航接收机的精度或信号源的分布对星载单星测频无源定位接收机的定位精度的影响。
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