CN114221843A - 一种无星历辅助的极轨气象卫星lrpt信号自动采集方法 - Google Patents

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Abstract

一种无星历辅助的极轨气象卫星LRPT信号自动采集方法，包括以下步骤：步骤一，利用天线接收极轨气象卫星发射的射频信号；步骤二，天线接收的射频信号通过射频信号处理模块转换为中频信号；步骤三，设置搜索范围和搜索频率步长，识别步骤二的中频信号是否为所要采集的LRPT信号；步骤四，利用计算机中中频处理模块解调出QPSK信号；步骤五，实时处理上述步骤的QPSK信号并生成图像文件。本发明的接收机具备搜索、识别气象卫星VHF波段LRPT标准信号能力，能够自动开始、结束信号采集和存储，而无需卫星星历辅助，因此不需要连接网络或其它通信手段，适合海上、偏远陆地等不具备网络接入条件，或者对信息保密有一定要求的载体应用。

Description

一种无星历辅助的极轨气象卫星LRPT信号自动采集方法
技术领域
本发明涉及气象卫星应用研究领域。
背景技术
极轨气象卫星属于低轨道卫星，相对于地面接收点，卫星每次临空的时刻、时长不固定，因此接收机需要掌握卫星的轨道参数(以下简称星历)，再根据接收点的位置，提前计算卫星升起和降没的时间，以启动信号采集程序，才能及时存储、处理卫星信号。但与导航卫星不同，气象卫星本身不播发星历，而是由专门机构测定、计算，并通过网络发布。因此，用户需要连接互联网，或通过其它通信手段接收星历。而且，极轨卫星轨道变化较快，需要频繁更新星历。这对于处在偏远陆地、海洋或有保密要求的载体而言存在诸多困难。
发明内容
为解决卫星星历对气象卫星信号采集的制约，以及由此产生的联网需求，保持气象卫星信号接收的纯“无源”特性，本发明针对极轨气象卫星发射的LRPT标准信号，提供一种无星历辅助的信号采集方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种无星历辅助的极轨气象卫星LRPT信号自动采集方法，包括以下步骤：
步骤一，利用天线接收极轨气象卫星发射的射频信号；
步骤二，天线接收的射频信号通过射频信号处理模块转换为中频信号；
步骤三，利用计算机中的采样控制模块设置搜索范围和搜索频率步长，识别步骤二的中频信号是否为所要采集的LRPT信号；
步骤四，利用计算机中中频处理模块解调出QPSK信号；
步骤五，利用计算机中基带数据处理模块实时处理上述步骤的QPSK信号并生成图像文件。
所述步骤一中，天线为四臂螺旋天线，材质为铜，螺旋直径D的取值范围为36-39cm，天线高度h的取值范围为55-57cm。
所述步骤三中，识别中频信号是否为所要采集的LRPT信号的方法为：信号经USB接口进入计算机，调用USB驱动进行数据缓存，然后对信号进行QPSK解调，并进行信号检测，信号持续时间超过10s后才开始数据存储；信号消失超过30s之后中断存储，并调用基带信号处理模块完成后继续解调、判断，如此反复循环。
所述步骤四中，包括以下步骤：
(1)将数字控制振荡器的频率与经过i/q双通道采样的中频信号进行混频；
(2)将混频后得到的信号再经过低通滤波器进行滤波，低通滤波器采用升余弦滤波器；
(3)将通过滤波器后的信号再进行重采样，重采样速率为符号率的2倍，重采样插值方法采用立方插值，计算方法为：
y＝a0·dx3+a1·dx2+a2·dx+a3
Figure BDA0003325358760000021
其中，y0～y3分别为重采样前后2次的采样值，dx为重采样相位偏移；
(4)将步骤3重采样后的信号进行载波相位误差检测和载波环路滤波，用来控制数字控制振荡器，载波同步回路包括相位误差检测和环路滤波，然后控制复混频NCO，载波相位误差检测采用如下方法：
Figure BDA0003325358760000022
其中，I,Q为归一化后的信号，sign为符号函数。载波环路滤波器采用二阶锁相环，其两个参数为：
Figure BDA0003325358760000023
其中，ζ为环路阻尼系数，ωn为相位噪声带宽，Ts为计算周期，是符号率的倒数；
(5)将步3重采样后的信号进行位同步误差检测和位同步环路滤波，用来控制重采样时刻，位同步误差检测采用Gardner法，计算方法为：
Figure BDA0003325358760000024
其中，t、t-1、t+1分别表示当前、前一次、后一次抽样时刻，位同步环路滤波器采用误差平均法，定期调整重采样时刻。
所述步骤五中，以LRPT标准解码CCSDS数据包，解压测量通道原始数据，最终合成卫星云图、温度场图像。
本发明的无星历辅助的极轨气象卫星LRPT信号自动采集方法，接收机具备搜索、识别气象卫星VHF波段LRPT标准信号能力，能够自动开始、结束信号采集和存储，而无需卫星星历辅助，因此不需要连接网络或其它通信手段，适合海上、偏远陆地等不具备网络接入条件，或者对信息保密有一定要求的载体应用。
附图说明
图1是本发明极轨气象卫星LRPT信号采集原理图。
图2是本发明四臂螺旋天线示意图。
图3是本发明识别中频信号流程图。
具体实施方式
气象卫星数据从天线接收到图像输出是一个典型的无线电信号处理实例。从流程上可以分为射频、中频和基带信号处理三部分。在具体实现上，包括软硬件两大部分。如图1所示，其中硬件包括以下3部分：
①天线。直接接收卫星信号，输出至射频信号处理模块。
②射频信号处理模块。对天线信号进行放大、滤波、下变频、采样，形成中频信号，通过标准接口输出至计算机；
③计算机。控制射频处理模块，接收中频信号，运行实时处理软件。
系统软件包括以下3个模块：
①采样控制模块：负责设置射频处理模块参数，实时接收、存储中频采样信号；
②中频信号处理模块：消除信号功率、频率变化对数据的影响，解调输出稳定的QPSK调制符号；
③基带数据处理模块：以LRPT标准解码CCSDS数据包，解压测量通道原始数据，最终合成卫星云图、温度场图像。
由于没有星历信息，因此无法确定卫星信号是否存在。因此，本发明包括信号搜索策略和信号跟踪方案两部分。
信号搜索策略：信号搜索的目的是确定信号是否存在，并给出信号大致的多普勒频移，主要涉及搜索范围和步长的设定。信号搜索范围由卫星信号的多普勒频移和接收机晶振的漂移综合决定。根据气象卫星轨道高度，可以计算其临空过程中信号多普勒频移的最大、最小值，接收机晶振的频率漂移通过实测确定。信号搜索的频率步长根据气象卫星VHF波段LRPT标准信号的噪声大小决定。
信号跟踪方案：气象卫星信号跟踪方案包括数字控制振荡器(NCO)、复混频、低通滤波、重采样、位同步误差检测、位同步环路滤波、载波相位误差检测和载波环路滤波等。
本发明的无星历辅助的极轨气象卫星LRPT信号自动采集方法，包括以下步骤：
步骤一：利用四臂螺旋天线接收极轨气象卫星发射的射频信号，四臂螺旋天线，其材质为铜，螺旋直径D的取值范围为36-39cm，天线高度h的取值范围为55-57cm，如图2所示；
步骤二：利用射频信号处理模块，对天线信号进行放大、滤波、下变频、采样，形成中频信号；
步骤三：利用计算机中采样控制模块设置步骤二所述射频处理模块参数，参数主要包括信号搜索的范围和频率步长，信号搜索的范围根据所述极轨气象卫星LRPT信号的多普勒频移和接收机晶振的漂移确定，极轨气象卫星LRPT信号的多普勒频移根据气象卫星轨道高度确定，所述接收机晶振的漂移通过实际测量确定；信号搜索频率步长根据所述极轨气象卫星LRPT标准信号的噪声大小设定。自动识别步骤二所述中频信号是否为所要采集的LRPT信号，自动识别步骤二所述中频信号是否为所要采集的LRPT信号的方法为：
如图3所示，信号经USB接口进入，调用USB驱动进行数据缓存，按照图2所示方案进行QPSK解调，并进行信号检测。为防止假信号造成频繁调用基带信号处理模块，只有LRPT信号持续时间超过10s后才开始数据存储。同时，为防止偶尔信号丢失造成图像不连续，只有信号消失超过30s之后才中断存储，并调用基带信号处理模块，完成后继续解调、判断，如此反复循环。
步骤四：利用计算机中中频处理模块解调出稳定的QPSK信号，中频信号以i/q双通道采样，首先与NCO载波进行复混频，NCO频率由载波环路滤波器决定，混频信号经过低通滤波器。为降低VHF波段LRPT信号的码间干扰，低通滤波器采用升余弦滤波器，滚降系数与卫星信号调制匹配，截止频率与卫星数据符号率一致，具体实现采用40抽头FIR滤波器。
通过滤波器后的信号再进行重采样，重采样速率为符号率的2倍，重采样插值方法采用立方插值，计算方法为：
y＝a0·dx3+a1·dx2+a2·dx+a3
Figure BDA0003325358760000051
其中，y0～y3分别为重采样前后2次的采样值，dx为重采样相位偏移。
载波同步回路包括相位误差检测和环路滤波，然后控制复混频NCO。载波相位误差检测采用如下方法：
Figure BDA0003325358760000052
其中，I,Q为归一化后的信号，sign为符号函数。载波环路滤波器采用二阶锁相环，其两个参数为：
Figure BDA0003325358760000053
其中，ζ为环路阻尼系数，ωn为相位噪声带宽，Ts为计算周期，是符号率的倒数。
位同步回路包括同步误差检测和环路滤波，然后控制重采样时刻。位同步误差检测采用Gardner法，计算方法为：
Figure BDA0003325358760000054
其中，t、t-1、t+1分别表示当前、前一次、后一次抽样时刻。位同步环路滤波器采用误差平均法，定期调整重采样时刻。
步骤五：利用计算机中基带数据处理模块实时处理上述QPSK信号并生成图像文件。
本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无星历辅助的极轨气象卫星LRPT信号自动采集方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，利用天线接收极轨气象卫星发射的射频信号；
步骤二，天线接收的射频信号通过射频信号处理模块转换为中频信号；
步骤三，利用计算机中的采样控制模块设置搜索范围和搜索频率步长，识别步骤二的中频信号是否为所要采集的LRPT信号；
步骤四，利用计算机中中频处理模块解调出QPSK信号；
步骤五，利用计算机中基带数据处理模块实时处理上述步骤的QPSK信号并生成图像文件。
2.根据权利要求1所述的一种无星历辅助的极轨气象卫星LRPT信号自动采集方法，其特征在于：所述步骤一中，天线为四臂螺旋天线，材质为铜，螺旋直径D的取值范围为36-39cm，天线高度h的取值范围为55-57cm。
3.根据权利要求1所述的一种无星历辅助的极轨气象卫星LRPT信号自动采集方法，其特征在于：所述步骤三中，识别中频信号是否为所要采集的LRPT信号的方法为：信号经USB接口进入计算机，调用USB驱动进行数据缓存，然后对信号进行QPSK解调，并进行信号检测，信号持续时间超过10s后才开始数据存储；信号消失超过30s之后中断存储，并调用基带信号处理模块完成后继续解调、判断，如此反复循环。
4.根据权利要求1所述的一种无星历辅助的极轨气象卫星LRPT信号自动采集方法，其特征在于：所述步骤四中，包括以下步骤：
(1)将数字控制振荡器的频率与经过i/q双通道采样的中频信号进行混频；
(2)将混频后得到的信号再经过低通滤波器进行滤波，低通滤波器采用升余弦滤波器；
(3)将通过滤波器后的信号再进行重采样，重采样速率为符号率的2倍，重采样插值方法采用立方插值，计算方法为：
y＝a0·dx3+a1·dx2+a2·dx+a3
Figure FDA0003325358750000011
其中，y0～y3分别为重采样前后2次的采样值，dx为重采样相位偏移；
(4)将步骤3重采样后的信号进行载波相位误差检测和载波环路滤波，用来控制数字控制振荡器，载波同步回路包括相位误差检测和环路滤波，然后控制复混频NCO，载波相位误差检测采用如下方法：
Figure FDA0003325358750000021
其中，I,Q为归一化后的信号，sign为符号函数。载波环路滤波器采用二阶锁相环，其两个参数为：
Figure FDA0003325358750000022
其中，ζ为环路阻尼系数，ωn为相位噪声带宽，Ts为计算周期，是符号率的倒数；
(5)将步3重采样后的信号进行位同步误差检测和位同步环路滤波，用来控制重采样时刻，位同步误差检测采用Gardner法，计算方法为：
Figure FDA0003325358750000023
其中，t、t-1、t+1分别表示当前、前一次、后一次抽样时刻，位同步环路滤波器采用误差平均法，定期调整重采样时刻。
5.根据权利要求1所述的一种无星历辅助的极轨气象卫星LRPT信号自动采集方法，其特征在于：所述步骤五中，以LRPT标准解码CCSDS数据包，解压测量通道原始数据，最终合成卫星云图、温度场图像。
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