CN112269198A - 基于多普勒效应的卫星确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多普勒效应的卫星确定方法及装置，该方法包括：选择同轨道面轨道参数最相近且卫星过顶时间相差在设定时间内的若干个卫星作为备选卫星；根据卫星过顶时间先后对备选卫星进行排序，将过顶时间排在中间位置的卫星作为参考星；调整地面站天线跟踪角度，以使天线始终对准参考星；计算参考星对应的多普勒频移，以多普勒频移为补偿量，对接收到的卫星下行信号进行补偿校正；根据补偿校正后的卫星下行信号的频率偏差情况，确定信号对应的信号源卫星。本发明的基于多普勒效应的卫星确定方法及装置能够在地面无法解析接收到的卫星信号或者卫星信号中不包含有卫星的实时位置信息时，确定信号对应的信号源卫星，实现过程简单，成本低。

Description

基于多普勒效应的卫星确定方法及装置

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于多普勒效应的卫星确定方法及装置。

背景技术

在一箭多星发射任务中，多个卫星在火箭到达预定轨道后依次被释放。在卫星分离初期，各个卫星距离较近，且基本运行在同一轨道，地面难以区分各卫星。通常情况下，在卫星入轨不久，各卫星轨道参数即可被地面测控系统确定并公布，但当多颗卫星相邻较近时，无法将各卫星与测控系统观测的空间目标一一对应，也即无法认领未知归属的卫星。在测控过程中，地面站在已知卫星下行信号工作频率时，可以收到卫星发来的信号，为了保证卫星能够顺利完成各个任务，地面站需要确定接收到的信号所对应的信号源卫星。

当卫星信号中包含了卫星实时位置信息时，地面站通过解析接收到的卫星信号，即可从下行数据中获取信号源卫星的精确位置信息以确定信号源卫星。但当由于某些原因导致地面无法解析接收到的卫星信号或者卫星信号中不包含有卫星的实时位置信息，则难以确定信号源卫星。为了解决由于地面无法解析信号或者信号不包含卫星的实时位置信息而导致难以确定信号源卫星的问题，目前通过采用高性能雷达系统以圆锥扫描雷达测角法或比幅单脉冲雷达测角法对发出信号的卫星进行角度捕获，以确定信号源卫星，但该方法对雷达系统的性能要求高，且算法计算量和实现过程复杂繁琐，实现成本高。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于多普勒效应的卫星确定方法及装置。

为此，本发明公开了一种基于多普勒效应的卫星确定方法，所述方法包括：

步骤S1，查询各卫星轨道参数，选择同轨道面轨道参数最相近且卫星过顶时间相差在设定时间内的若干个卫星作为备选卫星；

步骤S2，根据卫星过顶时间先后对备选卫星进行排序，将备选卫星中过顶时间排在中间位置的卫星作为参考星，若备选卫星的数量为两个，则任选其中一个卫星作为参考星；

步骤S3，调整地面站天线跟踪角度，以使地面站天线始终对准参考星；

步骤S4，计算参考星对应的多普勒频移，以参考星对应的多普勒频移为补偿量，对接收到的卫星下行信号进行补偿校正；

步骤S5，根据补偿校正后的卫星下行信号的频率偏差情况，确定信号对应的信号源卫星。

在一些可选的实施方式中，所述根据补偿校正后的卫星下行信号的频率偏差情况，确定信号对应的信号源卫星，包括：

若补偿后的卫星下行信号的频率偏差与零频的差值在设定计算误差范围内，则信号对应的信号源卫星为参考星；若补偿后的卫星下行信号的频率偏差始终小于零频，且偏离程度先增大后减小，则信号对应的信号源卫星位于参考星前，选取当前备选卫星中位于参考星前的所有卫星作为新的备选卫星并返回步骤S2，直至确定信号源卫星；若补偿后的卫星下行信号的频率偏差始终大于零频，且偏离程度先增大后减小，则信号对应的信号源卫星位于参考星后，选取当前备选卫星中位于参考星后的所有卫星作为新的备选卫星并返回步骤S2，直至确定信号源卫星；

其中，卫星位于参考星前表示卫星的过顶时间在参考星的过顶时间之前，卫星位于参考星后表示卫星的过顶时间在参考星的过顶时间之后。

在一些可选的实施方式中，步骤S1中，选择同轨道面轨道参数最相近且卫星过顶时间相差在1分钟内的若干个卫星作为备选卫星。

在一些可选的实施方式中，步骤S3中，地面站天线跟踪角度根据参考星的轨道参数和地面站的位置信息进行计算。

在一些可选的实施方式中，参考星对应的多普勒频移利用以下公式进行计算；

其中，

表示信号载波频率，c表示光速，

表示地球半径，r表示卫星到地心的距离，

表示t时刻和

时刻地球表面星下点所对应的圆心角，

表示此次 卫星过境过程中卫星到地面站的最大仰角，

表示最大仰角时刻，

表示t时刻卫 星在地心固连坐标系下的角速度。

此外，本发明还公开一种基于多普勒效应的卫星确定装置，所述装置包括：天线、信号放大模块、天线控制模块、信号处理模块和任务管理计算机；

所述天线分别与所述信号放大模块和所述天线控制模块连接，所述天线用于接收卫星下行信号；

所述信号放大模块的输出端和所述信号处理模块的输入端连接，所述信号放大模块用于对信号进行放大处理；

所述信号处理模块的输出端和所述任务管理计算连接，所述信号处理模块用于实现信号的A/D采样、下变频处理和多普勒频移补偿校正；

所述任务管理计算机还与所述天线控制模块连接，所述任务管理计算机用于根据信号的补偿校正情况确定信号源卫星、以及用于计算各个卫星过顶时间和天线跟踪角度，所述天线控制模块用于在所述任务管理计算的控制下对天线的跟踪角度进行调整。

在一些可选的实施方式中，所述信号放大模块为低噪声放大器。

在一些可选的实施方式中，所述信号处理模块包括通用软件无线电平台和信号处理计算机；所述通用软件无线电平台分别与所述信号放大模块和所述信号处理计算机连接；所述信号处理计算机分别与所述通用软件无线电平台和所述任务管理计算机连接。

在一些可选的实施方式中，所述通用软件无线电平台为通用软件无线电平台USRPB210。

在一些可选的实施方式中，所述天线控制模块包括转台控制器和伺服机构；所述转台控制器分别与所述任务管理计算机和所述伺服机构连接；所述伺服机构分别与所述转台控制器和所述天线连接。

本发明的基于多普勒效应的卫星确定方法及装置通过利用多普勒效应能够在地面无法解析接收到的卫星信号或者卫星信号中不包含有卫星的实时位置信息时，确定卫星信号对应的信号源卫星，实现过程和计算过程简单，设备成本低。

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，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一实施例的基于多普勒效应的卫星确定方法的流程图；

图2为本发明一实施例中卫星信号多普勒频移变化示意图；

图3为本发明一实施例的基于多普勒效应的卫星确定方法的另一个流程图；

图4为本发明一实施例中参考星相邻卫星在多普勒频移补偿后的频率偏差变化示意图；

图5为本发明一实施例的基于多普勒效应的卫星确定装置的结构示意图。

附图标记说明：

1-天线；2-信号放大模块；3-天线控制模块，31-转台控制器，32-伺服机构；4-信号处理模块，41-通用软件无线电平台，42-信号处理计算机；5-任务管理计算机。

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。

如图1所示，本发明一实施例提供了一种基于多普勒效应的卫星确定方法，该方法包括：

步骤S1，查询各卫星轨道参数，选择同轨道面轨道参数最相近且卫星过顶时间相差在设定时间内的若干个卫星作为备选卫星；

步骤S2，根据卫星过顶时间先后对备选卫星进行排序，将备选卫星中过顶时间排在中间位置的卫星作为参考星，若备选卫星的数量为两个，则任选其中一个卫星作为参考星；

步骤S3，调整地面站天线跟踪角度，以使地面站天线始终对准参考星；

步骤S4，计算参考星对应的多普勒频移，以参考星对应的多普勒频移为补偿量，对接收到的卫星下行信号进行补偿校正；

步骤S5，根据补偿校正后的卫星下行信号的频率偏差情况，确定信号对应的信号源卫星。

以下对本发明一实施例提供的基于多普勒效应的卫星确定方法的原理和步骤进行具体说明。

假设信号发送端发出信号频率为

，当信号发送端与接收端存在相对运动时，接 收端接收到的信号频率

会发生改变，基于多普勒效应，发送信号频率

与接收信号频 率

的差值即为多普勒频移

，具体为：

（1）

式中，

表示信号发送端与信号接收端的距离变化率，c表示光速。

在实际的卫星通信过程中，由于卫星相对地面运动速度快，且通信频率高，相应的多普勒频移可达到数十千赫兹以上，地面站需要提前计算卫星下行信号的多普勒频移，并对信号进行补偿校正。

在卫星通信过程中，假设卫星过顶时，卫星到地面站的最大仰角为

，且最大 仰角时刻

，地面站接收卫星信号的多普勒频移可以采用以下公式（2）进行计算；

（2）

式中，

表示信号载波频率，c表示光速，

表示地球半径，r表示卫星到地心的距 离，

表示t时刻和

时刻地球表面星下点所对应的圆心角，

表示 t时刻卫星在地心固连坐标系下的角速度。

当卫星运行在圆轨道时，r为定值，

也近似为定值，可以利用以下公式（3） 计算；

（3）

式中，

表示卫星在地心惯性坐标系下的角速度，

表示地球自转角速度，i表 示卫星轨道倾角。

参见图2，图2给出了卫星轨道高度为500km，轨道倾角为98°，最大仰角分别为30°、50°和80°情况下的卫星信号多普勒频移变化情况。根据图2可知，卫星信号多普勒频移在卫星过顶过程中递减，先为正频偏，后为负频偏，在卫星到达最大仰角处时，多普勒频移绝对值达到最小值0，在不同最大仰角下，卫星信号多普勒频移随仰角增大而增大。

基于上述分析，如图3所示，本发明一实施例中，步骤S5，根据补偿校正后的卫星下行信号的频率偏差情况，确定信号对应的信号源卫星，可以采用如下方式进行。

若补偿后的卫星下行信号的频率偏差与零频的差值在设定计算误差范围内，则信号对应的信号源卫星为参考星；若补偿后的卫星下行信号的频率偏差始终小于零频，且偏离程度先增大后减小，则信号对应的信号源卫星位于参考星前，选取当前备选卫星中位于参考星前的所有卫星作为新的备选卫星并返回步骤S2，直至确定信号源卫星；若补偿后的卫星下行信号的频率偏差始终大于零频，且偏离程度先增大后减小，则信号对应的信号源卫星位于参考星后，选取当前备选卫星中位于参考星后的所有卫星作为新的备选卫星并返回步骤S2，直至确定信号源卫星。

其中，卫星位于参考星前表示卫星的过顶时间在参考星的过顶时间之前，卫星位于参考星后表示卫星的过顶时间在参考星的过顶时间之后。

设定计算误差范围根据实际计算设备的计算误差进行确定。

以下对上述的根据频率偏差情况确定信号源卫星的方式的原理进行具体说明。

具体地，以备选卫星中的一个卫星作为参考星计算多普勒频移

，并基于参 考星的多普勒频移进行补偿校正时，假设实际发出信号的卫星位于参考星前，且其过顶时 间超前参考星

，则t时刻该信号源卫星的多普勒频移为

，此时地面站补偿校 正后得到的信号频率偏差

为：

。

参见图4，图4给出了不同

下经地面站补偿校正后得到的信号频率偏差变化情 况。根据图4可知，当信号源卫星位于参考星前，即卫星过顶时间超前参考星，则地面站接收 到的信号经补偿校正后始终为正频偏，且偏差范围先增大后减小，在参考星过顶前后达到 峰值。当信号源卫星位于参考星后，即卫星过顶时间滞后参考星，则地面站接收的信号经补 偿校正后始终为负频偏，且偏差范围先增大后减小。可知，当实际发出信号的卫星（即信号 源卫星）与参考星不一致时，地面站接收到的信号经补偿校正后的信号频率偏差与信号源 卫星超前或滞后参考星时间相关；为此，当已知各个卫星的轨道参数和卫星下行信号频率 的情况时，若由于同一个轨道面内存在多个相距较近的卫星而无法确定接收到的下行信号 对应的信号源卫星时，可以采用上述的方法确定具体的信号源卫星。

进一步地，本发明一实施例中，各卫星的轨道参数可以根据卫星TLE数据获取。

进一步地，本发明一实施例中，步骤S1中，可以选择同轨道面轨道参数最相近且卫星过顶时间相差在1分钟内的若干个卫星作为备选卫星。

进一步地，步骤S3中，地面站天线跟踪角度可以根据参考星的轨道参数和地面站的位置信息进行计算。

本发明一实施例提供的基于多普勒效应的卫星确定方法既能够用于一箭多星发射任务中，也可以用于非合作卫星集群的跟踪观测任务中，以实现信号源卫星的定位。

如图5所示，本发明一实施例还提供了一种基于多普勒效应的卫星确定装置，该装置能够应用上述的方法来实现信号源卫星的定位，该装置可以包括：天线、信号放大模块、天线控制模块、信号处理模块和任务管理计算机；天线分别与信号放大模块和天线控制模块连接，天线用于接收卫星下行信号；信号放大模块的输出端和信号处理模块的输入端连接，信号放大模块用于对信号进行放大处理；信号处理模块的输出端和任务管理计算连接，信号处理模块用于实现信号的A/D采样、下变频处理和多普勒频移补偿校正；任务管理计算机还与天线控制模块连接，任务管理计算机用于根据信号的补偿校正情况确定信号源卫星、以及用于计算各个卫星过顶时间和天线跟踪角度，天线控制模块用于在任务管理计算的控制下对天线的跟踪角度进行调整。

可选的，信号放大模块可以为低噪声放大器。

可选的，信号处理模块包括通用软件无线电平台和信号处理计算机，通用软件无线电平台分别与信号放大模块和信号处理计算机连接，信号处理计算机分别与通用软件无线电平台和任务管理计算机连接。

其中，通用软件无线电平台可以采用通用软件无线电平台USRPB210，通用软件无线电平台USRPB210和信号处理计算机相互配合，用于实现信号的A/D采样、下变频处理和多普勒频移补偿校正，并将补偿校正结果送至任务管理计算机。

可选的，天线控制模块包括转台控制器和伺服机构，转台控制器分别与任务管理计算机和伺服机构连接，伺服机构分别与转台控制器和天线连接。

任务管理计算机根据实时计算的天线跟踪角度生成控制信号，转台控制器接收任务管理计算机发送的控制信号，根据控制信号的控制信息调节伺服机构，以使天线始终对准参考星。

可见，本发明一实施例提供的基于多普勒效应的卫星确定方法及装置通过利用多普勒效应能够在地面无法解析接收到的卫星信号或者卫星信号中不包含有卫星的实时位置信息时，确定卫星信号对应的信号源卫星，实现过程和计算过程简单，设备成本低。

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 (10)

1.一种基于多普勒效应的卫星确定方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1，查询各卫星轨道参数，选择同轨道面轨道参数最相近且卫星过顶时间相差在设定时间内的若干个卫星作为备选卫星；

步骤S2，根据卫星过顶时间先后对备选卫星进行排序，将备选卫星中过顶时间排在中间位置的卫星作为参考星，若备选卫星的数量为两个，则任选其中一个卫星作为参考星；

步骤S3，调整地面站天线跟踪角度，以使地面站天线始终对准参考星；

步骤S4，计算参考星对应的多普勒频移，以参考星对应的多普勒频移为补偿量，对接收到的卫星下行信号进行补偿校正；

步骤S5，根据补偿校正后的卫星下行信号的频率偏差情况，确定信号对应的信号源卫星。

2.根据权利要求1所述的基于多普勒效应的卫星确定方法，其特征在于，所述根据补偿校正后的卫星下行信号的频率偏差情况，确定信号对应的信号源卫星，包括：

若补偿后的卫星下行信号的频率偏差与零频的差值在设定计算误差范围内，则信号对应的信号源卫星为参考星；若补偿后的卫星下行信号的频率偏差始终小于零频，且偏离程度先增大后减小，则信号对应的信号源卫星位于参考星前，选取当前备选卫星中位于参考星前的所有卫星作为新的备选卫星并返回步骤S2，直至确定信号源卫星；若补偿后的卫星下行信号的频率偏差始终大于零频，且偏离程度先增大后减小，则信号对应的信号源卫星位于参考星后，选取当前备选卫星中位于参考星后的所有卫星作为新的备选卫星并返回步骤S2，直至确定信号源卫星；

其中，卫星位于参考星前表示卫星的过顶时间在参考星的过顶时间之前，卫星位于参考星后表示卫星的过顶时间在参考星的过顶时间之后。

3.根据权利要求1所述的基于多普勒效应的卫星确定方法，其特征在于，步骤S1中，选择同轨道面轨道参数最相近且卫星过顶时间相差在1分钟内的若干个卫星作为备选卫星。

4.根据权利要求1所述的基于多普勒效应的卫星确定方法，其特征在于，步骤S3中，地面站天线跟踪角度根据参考星的轨道参数和地面站的位置信息进行计算。

5.根据权利要求1所述的基于多普勒效应的卫星确定方法，其特征在于，参考星对应的多普勒频移利用以下公式进行计算；

其中，

表示信号载波频率，c表示光速，

表示地球半径，r表示卫星到地心的距离，

表示t时刻和

时刻地球表面星下点所对应的圆心角，

表示此次 卫星过境过程中卫星到地面站的最大仰角，

表示最大仰角时刻，

表示t时刻卫 星在地心固连坐标系下的角速度。

6.一种基于多普勒效应的卫星确定装置，其特征在于，所述装置包括：天线、信号放大模块、天线控制模块、信号处理模块和任务管理计算机；

所述天线分别与所述信号放大模块和所述天线控制模块连接，所述天线用于接收卫星下行信号；

所述信号放大模块的输出端和所述信号处理模块的输入端连接，所述信号放大模块用于对信号进行放大处理；

所述信号处理模块的输出端和所述任务管理计算连接，所述信号处理模块用于实现信号的A/D采样、下变频处理和多普勒频移补偿校正；

所述任务管理计算机还与所述天线控制模块连接，所述任务管理计算机用于根据信号的补偿校正情况确定信号源卫星、以及用于计算各个卫星过顶时间和天线跟踪角度，所述天线控制模块用于在所述任务管理计算的控制下对天线的跟踪角度进行调整。

7.根据权利要求6所述的基于多普勒效应的卫星确定装置，其特征在于，所述信号放大模块为低噪声放大器。

8.根据权利要求6所述的基于多普勒效应的卫星确定装置，其特征在于，所述信号处理模块包括通用软件无线电平台和信号处理计算机；

所述通用软件无线电平台分别与所述信号放大模块和所述信号处理计算机连接；

所述信号处理计算机分别与所述通用软件无线电平台和所述任务管理计算机连接。

9.根据权利要求8所述的基于多普勒效应的卫星确定装置，其特征在于，所述通用软件无线电平台为通用软件无线电平台USRPB210。

10.根据权利要求6所述的基于多普勒效应的卫星确定装置，其特征在于，所述天线控制模块包括转台控制器和伺服机构；

所述转台控制器分别与所述任务管理计算机和所述伺服机构连接；

所述伺服机构分别与所述转台控制器和所述天线连接。

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