CN112152678B - 一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路 - Google Patents

一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路 Download PDF

Info

Publication number
CN112152678B
CN112152678B CN202011161214.9A CN202011161214A CN112152678B CN 112152678 B CN112152678 B CN 112152678B CN 202011161214 A CN202011161214 A CN 202011161214A CN 112152678 B CN112152678 B CN 112152678B
Authority
CN
China
Prior art keywords
satellite
calculating
coordinate system
angle
orbit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011161214.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112152678A (zh
Inventor
费炳超
余波
杨其聪
邵宇聪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sichuan Jiuzhou Electric Group Co Ltd
Original Assignee
Sichuan Jiuzhou Electric Group Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sichuan Jiuzhou Electric Group Co Ltd filed Critical Sichuan Jiuzhou Electric Group Co Ltd
Priority to CN202011161214.9A priority Critical patent/CN112152678B/zh
Publication of CN112152678A publication Critical patent/CN112152678A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112152678B publication Critical patent/CN112152678B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/01—Reducing phase shift
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/1851—Systems using a satellite or space-based relay
    • H04B7/18517—Transmission equipment in earth stations

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

本发明公开了一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路，通过卫星运行轨道参数计算地心惯性坐标系下的卫星位置和卫星速度，并综合出硬件加速电路，然后将地面接收平台的地理位置信息由地心惯性坐标系转换到地固坐标系，并综合出硬件加速器的实现电路，最后利用卫星与地面接收平台在地固坐标系下的相对位置和速度求解多普勒频移，并综合出硬件加速器的实现电路，以同时提高计算卫星速度和计算精度。

Description

一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路
技术领域
本发明低轨卫星跟踪技术领域，具体涉及一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路。
背景技术
低轨卫星相对地面接收平台高速运动时会产生多普勒效应，导致地面接收平台解调时产生较大的多普勒频移。当多普勒频移超出地面接收平台安装的解调器所能承受的最大频移范围时，会产生严重的解调错误，导致误码，影响通信质量。根据开普勒定律，卫星轨道高度越低，相对地面运动卫星速度就会越快，最大多普勒频移越大，因此，低轨卫星通信受多普勒频移影响大。目前解决卫星多普勒频移问题的方法主要有两大类：第一类是采用捕获跟踪方法，尽量提高接收器捕获大频移和高动态载波变化的能力，降低卫星通信中的多普勒频移对通信造成的影响，但该方法需要在波形设计时添加导频信号，接收方利用导频信号估计出多普勒频移，这样做会增加系统开销和捕获时间，同步精度也会受影响，因此该类方法不适用于低轨卫星通信系统；第二类是采用补偿方法，利用卫星运动的先验知识，正确估计出卫星的多普勒频移并产生对应的本振频率对载波进行补偿，实现正确解调，该方法不需要额外的导频开销，虽能正确估算出低轨卫星通信系统的多普勒频移，但计算卫星速度与估计精度存在矛盾，需要解决实时高精度计算的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有技术在计算低轨卫星产生的多普勒频移问题时无法做到计算精度高且计算卫星速度快，因此，本发明提供一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路，以同时提高计算卫星速度和计算精度。
本发明通过下述技术方案实现：
一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路，包括：
卫星运行轨道参数解析模块，用于对低轨卫星在当前时刻的卫星运行轨道参数进行解析，得到所述低轨卫星在地心惯性坐标系J2000.0下的卫星位置
Figure 338712DEST_PATH_IMAGE001
和卫星速度
Figure 102269DEST_PATH_IMAGE002
；
坐标系转换模块，用于将所述地心惯性坐标系下的卫星位置
Figure 405074DEST_PATH_IMAGE001
转换为地固坐标系下的卫星位置
Figure 355712DEST_PATH_IMAGE003
；将所述地心惯性坐标系下的卫星速度
Figure 34956DEST_PATH_IMAGE002
转换为地固坐标系下的卫星速度
Figure 121860DEST_PATH_IMAGE004
；
多普勒频移计算模块，用于根据多普勒频移计算公式对所述地固坐标系下的卫星位置
Figure 831452DEST_PATH_IMAGE003
和所述地固坐标系下的卫星速度
Figure 66125DEST_PATH_IMAGE004
进行计算，得到所述低轨卫星在当前时刻的多普勒频移。
进一步地，所述卫星运行轨道参数解析模块包括：
基本参数获取单元，用于获取卫星运动轨道参数，并对所述卫星运动轨道参数进行解析，得到升交点赤经
Figure 486742DEST_PATH_IMAGE005
、轨道倾角
Figure 490470DEST_PATH_IMAGE006
、近地点幅角
Figure 338340DEST_PATH_IMAGE007
、轨道偏心率
Figure 794729DEST_PATH_IMAGE008
、轨道半长轴
Figure 815775DEST_PATH_IMAGE009
和过近地点时刻
Figure 877272DEST_PATH_IMAGE010
；
平均运动值计算单元，用于通过平均运动值的计算公式对所述轨道半长轴和地球引力常数进行计算，得到平均运动值n；
平近点角计算单元，用于通过平近点角计算公式对所述平均运动值n、所述过近地点时刻
Figure 958360DEST_PATH_IMAGE010
和当前时刻t进行计算，得到平近点角M；
偏近点角计算单元，用于通过偏近点角计算公式对所述轨道偏心率
Figure 839729DEST_PATH_IMAGE008
、所述平近点角M进行迭代计算，得到目标偏近点角E；
中间变量计算单元，用于通过中间变量
Figure 664465DEST_PATH_IMAGE011
计算电路对近地点幅角
Figure 377206DEST_PATH_IMAGE007
、升交点赤经
Figure 566879DEST_PATH_IMAGE005
和轨道倾角
Figure 764905DEST_PATH_IMAGE006
进行计算，得到中间变量
Figure 65436DEST_PATH_IMAGE011
，通过中间变量
Figure 898263DEST_PATH_IMAGE012
计算电路对近地点幅角
Figure 258837DEST_PATH_IMAGE007
、升交点赤经
Figure 911535DEST_PATH_IMAGE005
和轨道倾角
Figure 78074DEST_PATH_IMAGE006
进行计算，得到中间变量
Figure 968670DEST_PATH_IMAGE012
；
卫星位置计算单元，用于通过卫星位置向量
Figure 562462DEST_PATH_IMAGE013
计算电路对轨道偏心率
Figure 905719DEST_PATH_IMAGE008
、轨道半长轴
Figure 610370DEST_PATH_IMAGE009
、偏近点角E和中间变量
Figure 152209DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 854586DEST_PATH_IMAGE012
进行计算，得到低轨卫星在地心惯性坐标系下的卫星位置
Figure 747456DEST_PATH_IMAGE013
；
卫星速度计算单元，用于通过卫星速度向量
Figure 193481DEST_PATH_IMAGE002
计算电路对轨道偏心率
Figure 356871DEST_PATH_IMAGE008
、轨道半长轴
Figure 292466DEST_PATH_IMAGE009
、偏近点角E、平均运动值n和中间变量
Figure 344736DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 656768DEST_PATH_IMAGE012
进行计算，得到低轨卫星在地心惯性坐标系下的卫星速度
Figure 376463DEST_PATH_IMAGE002
。
进一步地，所述平均运动值的计算公式具体为：
Figure 482959DEST_PATH_IMAGE014
，其中，
Figure 22525DEST_PATH_IMAGE015
指地球引力常数，
Figure 872669DEST_PATH_IMAGE009
指轨道半长轴。
进一步地，所述平近点角计算公式为
Figure 243607DEST_PATH_IMAGE016
，其中，M指平近点角、n指平均运动值、
Figure 458688DEST_PATH_IMAGE017
指近地点时刻、t指当前时刻。
进一步地，所述通过偏近点角计算公式对所述轨道偏心率
Figure 813446DEST_PATH_IMAGE008
、所述平近点角M进行迭代计算，得到目标偏近点角E，包括：
步骤1：设定偏近点角的初始值为平近点角M；
步骤2：根据偏近点角计算公式计算偏近点角的更新值，并基于偏近点角的初始值和所述偏近点角的更新值计算偏近点角的变化值；
步骤3：比较所述偏近点角的变化值与收敛条件值的大小，当所述偏近点角的变化值小于所述收敛条件值，则将所述偏近点角的更新值作为新的偏近点角的初始值，并返回执行步骤2；
步骤4：当所述偏近点角的变化值不小于所述收敛条件值，则将所述偏近点角的更新值作为目标偏近点角E。
进一步地，所述偏近点角计算公式具体为：
Figure 139385DEST_PATH_IMAGE018
，其中，E指目标偏近点角，
Figure 895989DEST_PATH_IMAGE008
指轨道偏心率、M指平近点角。
进一步地，所述中间变量
Figure 281971DEST_PATH_IMAGE011
计算电路包括第一数字频率合成器、第二数字频率合成器、第三数字频率合成器；
通过第一数字频率合成器对近地点幅角
Figure 94331DEST_PATH_IMAGE007
进行处理，得到近地点幅角模拟信号；通过第二数字频率合成器对升交点赤经
Figure 286278DEST_PATH_IMAGE005
进行处理，得到升交点赤经模拟信号；通过第一数字频率合成器对轨道倾角
Figure 835071DEST_PATH_IMAGE006
进行处理，得到轨道倾角模拟信号；
通过中间变量
Figure 454271DEST_PATH_IMAGE011
计算逻辑对所述近地点幅角模拟信号、所述升交点赤经模拟信号和所述轨道倾角模拟信号进行处理，得到中间变量
Figure 455725DEST_PATH_IMAGE011
；
通过中间变量
Figure 451363DEST_PATH_IMAGE012
计算逻辑对所述近地点幅角模拟信号、所述升交点赤经模拟信号和所述轨道倾角模拟信号进行处理，得到中间变量
Figure 854663DEST_PATH_IMAGE012
。
进一步地，所述坐标系转换模块包括：
地面接收平台位置计算单元，用于对地面接收平台经度L、纬度B、高程h、总参考椭球体的长半轴
Figure 379185DEST_PATH_IMAGE019
、第一偏心率
Figure 930252DEST_PATH_IMAGE020
，计算地固坐标系下地面接收平台位置向量
Figure 667264DEST_PATH_IMAGE021
；
协处理器处理单元，用于采用协处理器，通过位置变换矩阵对所述地心惯性坐标系下的卫星位置
Figure 987387DEST_PATH_IMAGE013
进行计算，得到地固坐标系下的卫星位置
Figure 886073DEST_PATH_IMAGE003
；通过速度变换矩阵对所述地心惯性坐标系下的卫星速度
Figure 924436DEST_PATH_IMAGE002
进行计算，得到地固坐标系下的卫星速度
Figure 497762DEST_PATH_IMAGE004
。
进一步地，地面接收平台位置计算单元包括第四数字频率合成器和第五数字频率合成器；
通过第四数字频率合成器对纬度B进行处理，得到纬度模拟信号；通过第五数字频率合成器对经度L进行处理，得到纬度模拟信号；
通过地面接收平台位置计算逻辑对所述纬度模拟信号和所述纬度模拟信号进行处理，得到地固坐标系下地面接收平台位置向量
Figure 610074DEST_PATH_IMAGE022
。
进一步地，所述多普勒频移计算模块包括：
相对位置计算单元，用于通过相对位置计算公式对所述地心惯性坐标系下的卫星位置
Figure 7558DEST_PATH_IMAGE013
和地固坐标系下地面接收平台位置
Figure 205321DEST_PATH_IMAGE022
进行计算，得到低轨卫星与地面接收平台在地固坐标系下的相对位置
Figure 346452DEST_PATH_IMAGE023
，所述相对位置计算公式具体为：
Figure 313271DEST_PATH_IMAGE024
；
相对速度计算单元，用于通过相对速度计算公式对所述地心惯性坐标系下的卫星速度
Figure 616076DEST_PATH_IMAGE004
和地固坐标系下地面接收平台速度
Figure 363452DEST_PATH_IMAGE025
进行计算，得到低轨卫星与地面接收平台在地固坐标系下的相对速度
Figure 980379DEST_PATH_IMAGE026
；所述相对速度计算公式具体为：
Figure 129600DEST_PATH_IMAGE027
；
多普勒频移计算单元，用于根据多普勒频移计算公式对相对位置
Figure 806569DEST_PATH_IMAGE023
、相对速度
Figure 41241DEST_PATH_IMAGE026
和发射信号频率进行计算，得到所述低轨卫星在当前时刻的多普勒频移；所述多普勒频移计算公式具体为：
Figure 461859DEST_PATH_IMAGE028
，其中，fD指低轨卫星在当前时刻的多普勒频移，f1指发射信号频率，c指光速。
本发明提供的一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路，通过卫星运行轨道参数计算地心惯性坐标系下的卫星位置和卫星速度，并综合出硬件加速电路，然后将地面接收平台的地理位置信息由地心惯性坐标系转换到地固坐标系，并综合出硬件加速器的实现电路，最后利用卫星与地面接收平台在地固坐标系下的相对位置和速度求解多普勒频移，并综合出硬件加速器的实现电路，以同时提高计算卫星速度和计算精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路的原理图。
图2所示平近点角M计算电路。
图3所示偏近点角E计算电路。
图4所示中间变量
Figure 200007DEST_PATH_IMAGE011
计算电路。
图5所示中间变量
Figure 611659DEST_PATH_IMAGE012
计算电路。
图6所示卫星位置向量
Figure 271311DEST_PATH_IMAGE013
计算电路。
图7所示卫星速度向量
Figure 292356DEST_PATH_IMAGE029
计算电路。
图8所示地面接收平台位置向量
Figure 353853DEST_PATH_IMAGE022
计算电路。
图9所示多普勒频移fD计算电路。
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明提供一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路，包括：
卫星运行轨道参数解析模块，用于对低轨卫星在当前时刻的卫星运行轨道参数进行解析，得到低轨卫星在地心惯性坐标系下的卫星位置
Figure 169363DEST_PATH_IMAGE013
和卫星速度
Figure 113048DEST_PATH_IMAGE029
。
坐标系转换模块，用于将地心惯性坐标系下的卫星位置
Figure 875468DEST_PATH_IMAGE013
转换为地固坐标系下的卫星位置
Figure 853788DEST_PATH_IMAGE030
。将地心惯性坐标系下的卫星速度
Figure 43461DEST_PATH_IMAGE029
转换为地固坐标系下的卫星速度
Figure 474442DEST_PATH_IMAGE031
。
多普勒频移计算模块，用于根据多普勒频移计算公式对地固坐标系下的卫星位置
Figure 774973DEST_PATH_IMAGE030
和地固坐标系下的卫星速度
Figure 873379DEST_PATH_IMAGE031
进行计算，得到低轨卫星在当前时刻的多普勒频移。
进一步地，卫星运行轨道参数解析模块包括：
基本参数获取单元，用于获取卫星运动轨道参数，并对卫星运动轨道参数进行解析，得到升交点赤经
Figure 233954DEST_PATH_IMAGE032
、轨道倾角
Figure 886652DEST_PATH_IMAGE033
、近地点幅角
Figure 566375DEST_PATH_IMAGE034
、轨道偏心率
Figure 456970DEST_PATH_IMAGE035
、轨道半长轴
Figure 785183DEST_PATH_IMAGE036
和过近地点时刻
Figure 190757DEST_PATH_IMAGE037
。
平均运动值计算单元，用于通过平均运动值的计算公式对轨道半长轴和地球引力常数进行计算，得到平均运动值n。
平近点角计算单元，用于通过平近点角计算公式对平均运动值n、过近地点时刻
Figure 833091DEST_PATH_IMAGE037
和当前时刻t进行计算，得到平近点角M。
偏近点角计算单元，用于通过偏近点角计算公式对轨道偏心率
Figure 640510DEST_PATH_IMAGE035
、平近点角M进行迭代计算，得到目标偏近点角E。
中间变量计算单元，用于通过中间变量
Figure 342887DEST_PATH_IMAGE011
计算电路对近地点幅角
Figure 235756DEST_PATH_IMAGE034
、升交点赤经
Figure 681781DEST_PATH_IMAGE032
和轨道倾角
Figure 343707DEST_PATH_IMAGE033
进行计算，得到中间变量
Figure 13722DEST_PATH_IMAGE011
，通过中间变量
Figure 331571DEST_PATH_IMAGE012
计算电路对近地点幅角
Figure 643604DEST_PATH_IMAGE034
、升交点赤经
Figure 97719DEST_PATH_IMAGE032
和轨道倾角
Figure 705680DEST_PATH_IMAGE033
进行计算，得到中间变量
Figure 510825DEST_PATH_IMAGE012
。
卫星位置计算单元，用于通过卫星位置向量
Figure 360969DEST_PATH_IMAGE038
计算电路对轨道偏心率
Figure 935170DEST_PATH_IMAGE035
、轨道半长轴
Figure 946988DEST_PATH_IMAGE036
、偏近点角E和中间变量
Figure 301746DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 627686DEST_PATH_IMAGE012
进行计算，得到低轨卫星在地心惯性坐标系下的卫星位置
Figure 118710DEST_PATH_IMAGE038
。
卫星速度计算单元，用于通过卫星速度向量
Figure 770271DEST_PATH_IMAGE039
计算电路对轨道偏心率
Figure 81167DEST_PATH_IMAGE035
、轨道半长轴
Figure 273113DEST_PATH_IMAGE036
、偏近点角E、平均运动值n和中间变量
Figure 821907DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 441107DEST_PATH_IMAGE012
进行计算，得到低轨卫星在地心惯性坐标系下的卫星速度
Figure 442561DEST_PATH_IMAGE039
。
进一步地，平均运动值的计算公式具体为：
Figure 939663DEST_PATH_IMAGE040
，其中，
Figure 139701DEST_PATH_IMAGE041
指地球引力常数，
Figure 867485DEST_PATH_IMAGE036
指轨道半长轴，n的计算可利用查找表ROM实现。
进一步地，平近点角计算公式为
Figure 418552DEST_PATH_IMAGE042
，其中，M指平近点角、n指平均运动值、
Figure 889985DEST_PATH_IMAGE037
指近地点时刻、t指当前时刻，对应的计算电路如图2所示。
进一步地，通过偏近点角计算公式对轨道偏心率
Figure 210108DEST_PATH_IMAGE035
、平近点角M进行迭代计算，得到目标偏近点角E，包括：
步骤1：设定偏近点角的初始值为平近点角M。
步骤2：根据偏近点角计算公式计算偏近点角的更新值，并基于偏近点角的初始值和偏近点角的更新值计算偏近点角的变化值。
步骤3：比较偏近点角的变化值与收敛条件值的大小，当偏近点角的变化值小于收敛条件值，则将偏近点角的更新值作为新的偏近点角的初始值，并返回执行步骤2。
步骤4：当偏近点角的变化值不小于收敛条件值，则将偏近点角的更新值作为目标偏近点角E。
具体地，将偏近点角的初始值设置为E0=M，求解得到偏近点角更新值Ei+1和偏近点角变化值|dEi|，比较|dEi|与收敛条件
Figure 374373DEST_PATH_IMAGE043
的大小，若|dEi|>
Figure 412736DEST_PATH_IMAGE043
，更新Ei为Ei+1，并开始下一次迭代。数次迭代后，|dEi|<
Figure 219018DEST_PATH_IMAGE043
，输出求解得到的目标偏近点角E。
其对应的计算电路如图3所示，将Ei通过数字频率合成器（DDS）处理为
Figure 596910DEST_PATH_IMAGE044
和
Figure 728814DEST_PATH_IMAGE045
。将
Figure 192156DEST_PATH_IMAGE044
与
Figure 67708DEST_PATH_IMAGE035
进行求点积计算，然后将二者点积计算的结果与Ei进行反相求和计算，然后将该求和计算的结果与M进行正相求和计算得到第一求和结果；将
Figure 300106DEST_PATH_IMAGE045
与
Figure 369956DEST_PATH_IMAGE035
进行求点积计算，然后将二者点积计算的结果和1进行正相求和计算得到第二求和结果；将第一求和结果和第二求和结果进行除法运算（divider）得到偏近点角变化值|dEi|，将|dEi|和收敛条件
Figure 851753DEST_PATH_IMAGE043
输入到比较器（comparator）中进行比较，当偏近点角的变化值|dEi|小于收敛条件值
Figure 468679DEST_PATH_IMAGE043
，则将偏近点角的更新值作为新的偏近点角的初始值，继续执行步骤2；当偏近点角的变化值|dEi|不小于收敛条件值
Figure 617901DEST_PATH_IMAGE043
，则将偏近点角的更新值作为目标偏近点角E。
进一步地，偏近点角计算公式具体为：
Figure 294870DEST_PATH_IMAGE046
，其中，E指目标偏近点角，
Figure 529542DEST_PATH_IMAGE035
指轨道偏心率、M指平近点角。
进一步地，中间变量
Figure 481317DEST_PATH_IMAGE011
计算电路包括第一数字频率合成器、第二数字频率合成器、第三数字频率合成器。
通过第一数字频率合成器对近地点幅角
Figure 688308DEST_PATH_IMAGE034
进行处理，得到近地点幅角模拟信号。通过第二数字频率合成器对升交点赤经
Figure 598495DEST_PATH_IMAGE032
进行处理，得到升交点赤经模拟信号。通过第一数字频率合成器对轨道倾角
Figure 258146DEST_PATH_IMAGE033
进行处理，得到轨道倾角模拟信号。
通过中间变量
Figure 279192DEST_PATH_IMAGE011
计算逻辑对近地点幅角模拟信号、升交点赤经模拟信号和轨道倾角模拟信号进行处理，得到中间变量
Figure 75110DEST_PATH_IMAGE011
。
通过中间变量
Figure 156198DEST_PATH_IMAGE012
计算逻辑对近地点幅角模拟信号、升交点赤经模拟信号和轨道倾角模拟信号进行处理，得到中间变量
Figure 601348DEST_PATH_IMAGE012
。
其中，
Figure 363768DEST_PATH_IMAGE047
。中间变量
Figure 342088DEST_PATH_IMAGE011
计算逻辑如图4所示，通过数字频率合成器对近地点幅角
Figure 266182DEST_PATH_IMAGE034
进行处理，得到
Figure 962742DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 60011DEST_PATH_IMAGE049
；通过数字频率合成器对升交点赤经
Figure 96101DEST_PATH_IMAGE032
进行处理，得到
Figure 253412DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 374952DEST_PATH_IMAGE051
；通过数字频率合成器对轨道倾角
Figure 541491DEST_PATH_IMAGE033
进行处理，得到
Figure 166508DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 760300DEST_PATH_IMAGE053
；
对
Figure 103557DEST_PATH_IMAGE051
和
Figure 808208DEST_PATH_IMAGE049
进行求点积运算，得到第一求点积结果；并对
Figure 117091DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 819468DEST_PATH_IMAGE048
进行求点积运算，得到第二求点积结果；将第二求点积结果和
Figure 712338DEST_PATH_IMAGE053
进行求点积运算，得到第三求点积结果；将第三求点积结果和第一求点积结果进行反相求和运算，得到
Figure 158363DEST_PATH_IMAGE054
；将
Figure 820288DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 490304DEST_PATH_IMAGE049
进行求点积运算，得到第四求点积结果，将
Figure 808153DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 854606DEST_PATH_IMAGE051
进行求点积运算，得到第五求点积结果，将第五求点积结果和
Figure 574300DEST_PATH_IMAGE053
进行求点积运算，得到第六求点积结果，最后将第四求点积结果和第六求点积结果进行求和计算，得到
Figure 680797DEST_PATH_IMAGE055
；将
Figure 485942DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 70507DEST_PATH_IMAGE052
进行求点积运算，得到
Figure 707025DEST_PATH_IMAGE056
。
其中，
Figure 922105DEST_PATH_IMAGE057
。中间变量
Figure 247170DEST_PATH_IMAGE012
计算逻辑如图5所示，通过数字频率合成器对近地点幅角
Figure 901005DEST_PATH_IMAGE058
进行处理，得到
Figure 329712DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 778011DEST_PATH_IMAGE049
；通过数字频率合成器对升交点赤经
Figure 557748DEST_PATH_IMAGE032
进行处理，得到
Figure 484116DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 829647DEST_PATH_IMAGE051
；通过数字频率合成器对轨道倾角
Figure 652109DEST_PATH_IMAGE033
进行处理，得到
Figure 715880DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 445939DEST_PATH_IMAGE053
。
对
Figure 583659DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 639340DEST_PATH_IMAGE051
进行求点积运算，得到第七求点积结果；并对
Figure 128090DEST_PATH_IMAGE049
和
Figure 897725DEST_PATH_IMAGE050
进行求点积运算，得到第八求点积结果；将第八求点积结果和
Figure 217848DEST_PATH_IMAGE053
进行求点积运算，得到第九求点积结果；将第九求点积结果和第七求点积结果进行反相求和运算，得到
Figure 382113DEST_PATH_IMAGE059
；将
Figure 154897DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 226758DEST_PATH_IMAGE050
进行求点积运算，得到第十求点积结果，将
Figure 604650DEST_PATH_IMAGE049
和
Figure 736554DEST_PATH_IMAGE051
进行求点积运算，得到第十一求点积结果，将第十一求点积结果和
Figure 199896DEST_PATH_IMAGE053
进行求点积运算，得到第十二求点积结果，最后将第十二求点积结果和第七求点积结果进行反相求和计算，得到
Figure 75448DEST_PATH_IMAGE060
；将
Figure 104584DEST_PATH_IMAGE049
和
Figure 345073DEST_PATH_IMAGE052
进行求点积运算，得到
Figure 358028DEST_PATH_IMAGE061
。
进一步地，坐标系转换模块包括：
地面接收平台位置计算单元，用于对地面接收平台经度L、纬度B、高程h、总参考椭球体的长半轴
Figure 974954DEST_PATH_IMAGE062
、第一偏心率
Figure 348343DEST_PATH_IMAGE063
，计算地固坐标系下地面接收平台位置向量
Figure 87628DEST_PATH_IMAGE022
。
协处理器处理单元，用于采用协处理器，通过位置变换矩阵对地心惯性坐标系下的卫星位置
Figure 259984DEST_PATH_IMAGE038
进行计算，得到地固坐标系下的卫星位置
Figure 477339DEST_PATH_IMAGE030
。通过速度变换矩阵对地心惯性坐标系下的卫星速度
Figure 481067DEST_PATH_IMAGE064
进行计算，得到地固坐标系下的卫星速度
Figure 63358DEST_PATH_IMAGE031
。
其中，
Figure 785326DEST_PATH_IMAGE038
=（rsx、rsy、rsz），其对应的计算电路图如图6所示。
Figure 744055DEST_PATH_IMAGE065
利用ROM查找表求得。实际计算时，需要按输入
Figure 867869DEST_PATH_IMAGE066
的输出rsx，输入
Figure 683378DEST_PATH_IMAGE067
的输出rsy，输入
Figure 830325DEST_PATH_IMAGE068
的输出rsz展开成3个电路。
Figure 389483DEST_PATH_IMAGE064
=（vsx、vsy、vsz），其对应的计算电路图如图7所示。实际计算时，需要同
Figure 603689DEST_PATH_IMAGE069
一样，展开成3个电路分别计算vsx、vsy、vsz。
进一步地，地面接收平台位置计算单元包括第四数字频率合成器和第五数字频率合成器。
通过第四数字频率合成器对纬度B进行处理，得到纬度模拟信号。通过第五数字频率合成器对经度L进行处理，得到纬度模拟信号。
通过地面接收平台位置计算逻辑对纬度模拟信号和纬度模拟信号进行处理，得到地固坐标系下地面接收平台位置向量
Figure 793362DEST_PATH_IMAGE022
。其对应的计算电路如图8所示。
进一步地，多普勒频移计算模块包括：
相对位置计算单元，用于通过相对位置计算公式对地心惯性坐标系下的卫星位置
Figure 489922DEST_PATH_IMAGE030
和地固坐标系下地面接收平台位置
Figure 790453DEST_PATH_IMAGE022
进行计算，得到低轨卫星与地面接收平台在地固坐标系下的相对位置
Figure 623280DEST_PATH_IMAGE070
，相对位置计算公式具体为：
Figure 780592DEST_PATH_IMAGE071
。
相对速度计算单元，用于通过相对速度计算公式对地心惯性坐标系下的卫星速度
Figure 902132DEST_PATH_IMAGE072
和地固坐标系下地面接收平台速度
Figure 803092DEST_PATH_IMAGE073
进行计算，得到低轨卫星与地面接收平台在地固坐标系下的相对速度
Figure 693687DEST_PATH_IMAGE074
。相对速度计算公式具体为：
Figure 287480DEST_PATH_IMAGE027
。
多普勒频移计算单元，用于根据多普勒频移计算公式对相对位置
Figure 630736DEST_PATH_IMAGE070
、相对速度
Figure 600966DEST_PATH_IMAGE074
和发射信号频率进行计算，得到低轨卫星在当前时刻的多普勒频移。多普勒频移计算公式具体为：
Figure 142806DEST_PATH_IMAGE075
，其中，fD指低轨卫星在当前时刻的多普勒频移，f1指发射信号频率，c指光速。其对应的计算电路如图9所示。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路，其特征在于，包括：
卫星运行轨道参数解析模块，用于对低轨卫星在当前时刻的卫星运行轨道参数进行解析，得到所述低轨卫星在地心惯性坐标系下的卫星位置
Figure DEST_PATH_IMAGE001
和卫星速度
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
坐标系转换模块，用于将所述地心惯性坐标系下的卫星位置
Figure 158962DEST_PATH_IMAGE001
转换为地固坐标系下的卫星位置
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；将所述地心惯性坐标系下的卫星速度
Figure 108726DEST_PATH_IMAGE002
转换为地固坐标系下的卫星速度
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
多普勒频移计算模块，用于根据多普勒频移计算公式对所述地固坐标系下的卫星位置
Figure 685201DEST_PATH_IMAGE003
和所述地固坐标系下的卫星速度
Figure 345989DEST_PATH_IMAGE004
进行计算，得到所述低轨卫星在当前时刻的多普勒频移；
其中，所述卫星运行轨道参数解析模块包括：
基本参数获取单元，用于获取卫星运动轨道参数，并对所述卫星运动轨道参数进行解析，得到升交点赤经
Figure DEST_PATH_IMAGE005
、轨道倾角
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、近地点幅角
Figure DEST_PATH_IMAGE007
、轨道偏心率
Figure DEST_PATH_IMAGE008
、轨道半长轴
Figure DEST_PATH_IMAGE009
和过近地点时刻
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
平均运动值计算单元，用于通过平均运动值的计算公式对所述轨道半长轴和地球引力常数进行计算，得到平均运动值n；
平近点角计算单元，用于通过平近点角计算公式对所述平均运动值n、所述过近地点时刻
Figure 816154DEST_PATH_IMAGE010
和当前时刻t进行计算，得到平近点角M；
偏近点角计算单元，用于通过偏近点角计算公式对所述轨道偏心率
Figure 405661DEST_PATH_IMAGE008
、所述平近点角M进行迭代计算，得到目标偏近点角E；
中间变量计算单元，用于通过中间变量
Figure DEST_PATH_IMAGE011
计算电路对近地点幅角
Figure 469431DEST_PATH_IMAGE007
、升交点赤经
Figure 933911DEST_PATH_IMAGE005
和轨道倾角
Figure 133948DEST_PATH_IMAGE006
进行计算，得到中间变量
Figure 392891DEST_PATH_IMAGE011
，通过中间变量
Figure DEST_PATH_IMAGE012
计算电路对近地点幅角
Figure 943958DEST_PATH_IMAGE007
、升交点赤经
Figure 946549DEST_PATH_IMAGE005
和轨道倾角
Figure 1093DEST_PATH_IMAGE006
进行计算，得到中间变量
Figure 696516DEST_PATH_IMAGE012
；
卫星位置计算单元，用于通过卫星位置向量
Figure DEST_PATH_IMAGE013
计算电路对轨道偏心率
Figure 236344DEST_PATH_IMAGE008
、轨道半长轴
Figure 777047DEST_PATH_IMAGE009
、偏近点角E和中间变量
Figure DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure DEST_PATH_IMAGE015
进行计算，得到低轨卫星在地心惯性坐标系下的卫星位置
Figure 217256DEST_PATH_IMAGE013
；
卫星速度计算单元，用于通过卫星速度向量
Figure DEST_PATH_IMAGE016
计算电路对轨道偏心率
Figure 83581DEST_PATH_IMAGE008
、轨道半长轴
Figure 343661DEST_PATH_IMAGE009
、偏近点角E、平均运动值n和中间变量
Figure 688054DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 717190DEST_PATH_IMAGE015
进行计算，得到低轨卫星在地心惯性坐标系下的卫星速度
Figure 754416DEST_PATH_IMAGE016
。
2.根据权利要求1所述的一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路，其特征在于，所述平均运动值的计算公式具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
指地球引力常数，
Figure 3257DEST_PATH_IMAGE009
指轨道半长轴。
3.根据权利要求1所述的一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路，其特征在于，所述平近点角计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，其中，M指平近点角、n指平均运动值、
Figure 682500DEST_PATH_IMAGE010
指近地点时刻、t指当前时刻。
4.根据权利要求2所述的一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路，其特征在于，所述通过偏近点角计算公式对所述轨道偏心率
Figure 300564DEST_PATH_IMAGE008
、所述平近点角M进行迭代计算，得到目标偏近点角E，包括：
步骤1：设定偏近点角的初始值为平近点角M；
步骤2：根据偏近点角计算公式计算偏近点角的更新值，并基于偏近点角的初始值和所述偏近点角的更新值计算偏近点角的变化值；
步骤3：比较所述偏近点角的变化值与收敛条件值的大小，当所述偏近点角的变化值小于所述收敛条件值，则将所述偏近点角的更新值作为新的偏近点角的初始值，并返回执行步骤2；
步骤4：当所述偏近点角的变化值不小于所述收敛条件值，则将所述偏近点角的更新值作为目标偏近点角E。
5.根据权利要求4所述的一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路，其特征在于，所述偏近点角计算公式具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，其中，E指目标偏近点角，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
指轨道偏心率、M指平近点角。
6.根据权利要求2所述的一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路，其特征在于，所述中间变量
Figure 305429DEST_PATH_IMAGE011
计算电路包括第一数字频率合成器、第二数字频率合成器、第三数字频率合成器；
通过第一数字频率合成器对近地点幅角
Figure 8942DEST_PATH_IMAGE007
进行处理，得到近地点幅角模拟信号；通过第二数字频率合成器对升交点赤经
Figure 695139DEST_PATH_IMAGE005
进行处理，得到升交点赤经模拟信号；通过第一数字频率合成器对轨道倾角
Figure 433288DEST_PATH_IMAGE006
进行处理，得到轨道倾角模拟信号；
通过中间变量
Figure 77896DEST_PATH_IMAGE014
计算逻辑对所述近地点幅角模拟信号、所述升交点赤经模拟信号和所述轨道倾角模拟信号进行处理，得到中间变量
Figure 268705DEST_PATH_IMAGE011
；
通过中间变量
Figure 758593DEST_PATH_IMAGE012
计算逻辑对所述近地点幅角模拟信号、所述升交点赤经模拟信号和所述轨道倾角模拟信号进行处理，得到中间变量
Figure 575415DEST_PATH_IMAGE012
。
7.根据权利要求1所述的一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路，其特征在于，所述坐标系转换模块包括：
地面接收平台位置计算单元，用于对地面接收平台经度L、纬度B、高程h、总参考椭球体的长半轴
Figure DEST_PATH_IMAGE022
、第一偏心率
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，计算地固坐标系下地面接收平台位置向量
Figure DEST_PATH_IMAGE024
；
协处理器处理单元，用于采用协处理器，通过位置变换矩阵对所述地心惯性坐标系下的卫星位置
Figure 187662DEST_PATH_IMAGE001
进行计算，得到地固坐标系下的卫星位置
Figure 131347DEST_PATH_IMAGE003
；通过速度变换矩阵对所述地心惯性坐标系下的卫星速度
Figure 424925DEST_PATH_IMAGE002
进行计算，得到地固坐标系下的卫星速度
Figure 872087DEST_PATH_IMAGE004
。
8.根据权利要求7所述的一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路，其特征在于，地面接收平台位置计算单元包括第四数字频率合成器和第五数字频率合成器；
通过第四数字频率合成器对纬度B进行处理，得到纬度模拟信号；通过第五数字频率合成器对经度L进行处理，得到纬度模拟信号；
通过地面接收平台位置计算逻辑对所述纬度模拟信号和所述纬度模拟信号进行处理，得到地固坐标系下地面接收平台位置向量
Figure 327339DEST_PATH_IMAGE024
。
9.根据权利要求1所述的一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路，其特征在于，所述多普勒频移计算模块包括：
相对位置计算单元，用于通过相对位置计算公式对所述地心惯性坐标系下的卫星位置
Figure 758320DEST_PATH_IMAGE003
和地固坐标系下地面接收平台位置
Figure DEST_PATH_IMAGE025
进行计算，得到低轨卫星与地面接收平台在地固坐标系下的相对位置
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，所述相对位置计算公式具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
；
相对速度计算单元，用于通过相对速度计算公式对所述地心惯性坐标系下的卫星速度
Figure 888213DEST_PATH_IMAGE004
和地固坐标系下地面接收平台速度
Figure DEST_PATH_IMAGE028
进行计算，得到低轨卫星与地面接收平台在地固坐标系下的相对速度
Figure DEST_PATH_IMAGE029
；所述相对速度计算公式具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
；
多普勒频移计算单元，用于根据多普勒频移计算公式对相对位置
Figure 314515DEST_PATH_IMAGE026
、相对速度
Figure 206247DEST_PATH_IMAGE029
和发射信号频率进行计算，得到所述低轨卫星在当前时刻的多普勒频移；所述多普勒频移计算公式具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，其中，fD指低轨卫星在当前时刻的多普勒频移，f1指发射信号频率，c指光速。
CN202011161214.9A 2020-10-27 2020-10-27 一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路 Active CN112152678B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011161214.9A CN112152678B (zh) 2020-10-27 2020-10-27 一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011161214.9A CN112152678B (zh) 2020-10-27 2020-10-27 一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112152678A CN112152678A (zh) 2020-12-29
CN112152678B true CN112152678B (zh) 2021-05-18

Family

ID=73953359

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011161214.9A Active CN112152678B (zh) 2020-10-27 2020-10-27 一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112152678B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113824662B (zh) * 2021-11-22 2022-02-08 北京航天驭星科技有限公司 载波同步方法、装置、电子设备及计算机可读介质
CN115144877B (zh) * 2022-06-23 2023-07-04 上海德寰通信技术有限公司 一种卫星信号获取方法、装置、地面终端及介质
CN117478207B (zh) * 2023-12-25 2024-04-02 广东世炬网络科技有限公司 星地链路通信方法、装置、设备、存储介质

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101666650B (zh) * 2009-09-30 2011-04-06 北京航空航天大学 一种sins/gps超紧致组合导航系统及实现方法
US10042036B2 (en) * 2015-03-27 2018-08-07 Ca, Inc. Pseudo-doppler shift three dimensional location mapping
CN107797130B (zh) * 2017-10-16 2021-01-05 中国西安卫星测控中心 低轨航天器多点多参数轨道上行数据计算方法
CN108279426B (zh) * 2018-01-24 2020-05-26 北京电子工程总体研究所 一种测控站至卫星星下点航路捷径的解析计算方法
CN109991634A (zh) * 2019-03-21 2019-07-09 上海埃威航空电子有限公司 基于卫星地球站的卫星位置速度数据处理方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112152678A (zh) 2020-12-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112152678B (zh) 一种低轨卫星多普勒频偏的计算电路
Liu et al. A robust localization method for unmanned surface vehicle (USV) navigation using fuzzy adaptive Kalman filtering
CN108120994B (zh) 一种基于星载gnss的geo卫星实时定轨方法
CN104215981B (zh) 一种接收机高动态环境下自适应跟踪方法
CN108344415B (zh) 一种组合导航信息融合方法
CN113589337B (zh) 一种通导一体低轨卫星单星定位方法及系统
CN113687402B (zh) 一种顾及卫星轨道误差的低轨导航增强实时定位方法
CN107607971A (zh) 基于gnss共视时间比对算法的时间频率传递方法及接收机
CN107238846A (zh) 一种基于glonass历书参数的卫星位置与速度预报方法
CN110567455A (zh) 一种求积更新容积卡尔曼滤波的紧组合导航方法
CN1361430A (zh) 增强的运动体定位和导航方法与系统
Islam et al. An Effective Approach to Improving Low‐Cost GPS Positioning Accuracy in Real‐Time Navigation
CN115356754A (zh) 一种基于gnss和低轨卫星的组合导航定位方法
CN111650613A (zh) 一种分布式星历计算方法
CN105891855B (zh) 基于模糊控制的高动态gps接收机载波跟踪方法
CN112560295A (zh) 一种用于被动合成孔径定位的卫星等效速度计算方法
CN104634348A (zh) 组合导航中的姿态角计算方法
CN111856423A (zh) 星载sar回波仿真处理方法、装置和设备
CN115113239B (zh) 一种卫星导航实时定位中的选星方法
CN106250684B (zh) 基于地固系数据的卫星过境时间快速计算方法
JP2008232761A (ja) 移動体用測位装置
Mishra et al. ISDA based precise orbit determination technique for medium earth orbit satellites
Zhang et al. A gps positioning algorithm based on distributed kalman filter data fusion with feedback
Lee et al. BASS Algorithm for Enhanced Position Estimation of MEOSAR COSPAS-SARSAT Receivers
CN113514857B (zh) 伪卫星电文生成方法、装置、计算机设备及存储介质

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant