基于非合作導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的無(wú)碼多普勒定軌方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及了基于非合作導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的無(wú)碼多普 勒定軌方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星軌道精密測(cè)量是衛(wèi)星應(yīng)用的基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)外采用的定軌方式主要是依賴 地基測(cè)控網(wǎng)，結(jié)合星上應(yīng)答機(jī)獲得測(cè)距、測(cè)速信息后精密校正軌道并上注，但是該種定軌方 式不但在惡劣環(huán)境時(shí)生存保障較為困難，而且定軌精度約為百米到十米量級(jí)并隨著星上軌 道預(yù)報(bào)后精度逐漸下降，有時(shí)難W滿足精度要求。
[0003] 法國(guó)提出并研制的DORIS定軌系統(tǒng)，是一套星上自主實(shí)時(shí)定軌軟件，其解算周期 為10s，能夠快速、準(zhǔn)確地確定衛(wèi)星軌道。中國(guó)首顆海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星海洋二號(hào)（HY-2)主要 用于觀測(cè)全球海洋動(dòng)力環(huán)境參數(shù)。
[0004] 衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)觀測(cè)精度可達(dá)到毫米級(jí)，可W滿足精度要求，但是全球觀測(cè)臺(tái) 站少、分布不均，W及受觀測(cè)區(qū)域和氣候條件的限制，部分臺(tái)站還無(wú)法實(shí)現(xiàn)常規(guī)白天測(cè)距， 使觀測(cè)數(shù)據(jù)較為有限，而且SLR設(shè)備較為復(fù)雜龐大，價(jià)格不菲。
[0005] 目前，GPS、化0NASS等國(guó)外的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是當(dāng)前天基跟蹤測(cè)量的主流手段，是地 基定軌系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，其中WGI^S為主。但是GI^S衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是國(guó)外軍方控制，在惡劣 環(huán)境下，明碼信號(hào)面臨關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn)，該樣就無(wú)法通過普通的接收機(jī)得到衛(wèi)星偽距、偽距率， 也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位和定軌。我國(guó)的北斗系統(tǒng)目前是一個(gè)區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，尚不能實(shí)現(xiàn)全軌道 覆蓋。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決上述【背景技術(shù)】提出的技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提供基于非合作導(dǎo)航衛(wèi)星信 號(hào)的無(wú)碼多普勒定軌方法，在明碼信號(hào)不可用的情況下，利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送的加密導(dǎo) 航信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高精度定軌。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[000引基于非合作導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的無(wú)碼多普勒定軌方法，包括W下步驟：
[0009] (1)對(duì)接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)數(shù)字下變頻后，采樣得到數(shù)字中頻信號(hào)，消除數(shù)字 中頻信號(hào)的保密調(diào)制碼，根據(jù)消碼后的信號(hào)計(jì)算得到載波頻率的估計(jì)值；
[0010] (2)將步驟（1)得到的載波頻率的估計(jì)值作為載波跟蹤環(huán)跟蹤的初始頻率，產(chǎn)生 載波跟蹤環(huán)的本振信號(hào)，將步驟（1)中消碼后的信號(hào)作為載波跟蹤環(huán)的輸入信號(hào)，恢復(fù)出 載波信號(hào)，并測(cè)量提取出各個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻移；
[0011] (3)計(jì)算各個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的先驗(yàn)值，結(jié)合步驟（2)得到的多普勒頻移的實(shí)測(cè)值， 建立含有接收機(jī)頻差的多普勒頻移實(shí)測(cè)值和先驗(yàn)值的識(shí)別匹配算法，完成導(dǎo)航星的識(shí)別與 匹配；
[0012] (4)利用統(tǒng)計(jì)定軌算法實(shí)現(xiàn)軌道測(cè)量，利用軌道動(dòng)力學(xué)方程建立狀態(tài)方程，利用載 波相位測(cè)量值建立相位差測(cè)量方程，再利用卡爾曼濾波器估計(jì)用戶衛(wèi)星的軌道參數(shù)。
[0013] 其中，步驟（1)中所述根據(jù)消碼后的信號(hào)得到載波頻率的估計(jì)值的具體步驟；
[0014] (A)選取合適的捜索步長(zhǎng)，產(chǎn)生若干候選頻率，對(duì)每一個(gè)候選頻率產(chǎn)生一個(gè)載波相 位調(diào)整信號(hào)；
[0015] 炬）將步驟（A)產(chǎn)生的載波相位調(diào)整信號(hào)分別與消碼后的信號(hào)相乘，對(duì)每一個(gè)相 乘后的信號(hào)按照一定單位長(zhǎng)度進(jìn)行分塊，累加分塊數(shù)據(jù)，從而得到信號(hào)增強(qiáng)的新數(shù)據(jù)；
[0016] (C)對(duì)步驟炬）得到的新數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算，檢查頻譜結(jié)果，尋找超過口限的尖峰， 對(duì)于每一個(gè)尖峰，記錄其對(duì)應(yīng)的頻率值，即為載波頻率的估計(jì)值。
[0017] 其中，步驟（3)的具體步驟：
[001引 （a)根據(jù)步驟似恢復(fù)出的載波信號(hào)，由用戶衛(wèi)星的初始軌道和周期上注的導(dǎo)航 衛(wèi)星星歷計(jì)算出各導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻移先驗(yàn)值；
[0019] 化）將步驟（2)得到的多普勒頻移實(shí)測(cè)值和步驟（a)得到的多普勒頻移先驗(yàn)值分 別按照高低順序排列成兩組數(shù)據(jù)樣本，引入待求解的整體平移量，該整體平移量用于將多 普勒頻移先驗(yàn)值作整體平移；
[0020] (C)對(duì)各導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻移實(shí)測(cè)值與平移后的多普勒頻移先驗(yàn)值的頻差 絕對(duì)值求和得到匹配指標(biāo)；
[0021] (d)求解在匹配指標(biāo)取最小值時(shí)的整體平移量，將多普勒頻移先驗(yàn)值作整體平移， 實(shí)現(xiàn)多普勒頻移實(shí)測(cè)值與多普勒頻移先驗(yàn)值的匹配，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航星識(shí)別。
[0022] 其中，在步驟（d)中，采用=分法求解在匹配指標(biāo)取最小值時(shí)的整體平移量，其具 體步驟：
[002引 （I)假設(shè)某導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻移先驗(yàn)值作平移的頻率區(qū)間是[a/i，4/；]， 選取該區(qū)間的I/3、2/3處的坐標(biāo)巧=4^WA/'i-a/i] /3，=a/;-[A/i-a/; ]Z3，把整個(gè)區(qū) 間分成S個(gè)小區(qū)間[A/>,]，虹1，ni2]，機(jī)，4/;];
[0024] (II)分別計(jì)算在叫、m2處匹配指標(biāo)e(m1)、e相），若e相）>e相），則舍棄區(qū)間
[A/p巧]，令=所1，否則舍棄 ，令 4/] = % ;
[00巧](III)重復(fù)步驟（I)-(II)，直到小于某一預(yù)設(shè)闊值時(shí)，即為整體平移 量。
[0026] 其中，在步驟（1)中，采用平方法消除數(shù)字中頻信號(hào)的保密調(diào)制碼。
[0027] 其中，在步驟（1)中，采用交叉相關(guān)法消除數(shù)字中頻信號(hào)的保密調(diào)制碼。
[002引采用上述技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果：
[0029] 本發(fā)明可W提高利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星定軌的可靠性和安全性，可用作衛(wèi)星 定軌接收機(jī)的備份工作模式。同時(shí)本發(fā)明可望達(dá)到較高定軌精度。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1是本發(fā)明的流程圖；
[0031] 圖2是射頻信號(hào)下變頻原理框圖；
[0032] 圖3是平方法消碼示意圖；
[0033] 圖4是交叉相關(guān)法消碼示意圖；
[0034] 圖5是鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035] 圖6是本發(fā)明S分法的3種情況示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]W下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0037] 如圖1所示本發(fā)明的流程圖，用戶衛(wèi)星射頻前端將導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻 信號(hào)，對(duì)得到的中頻信號(hào)進(jìn)行消碼處理得到連續(xù)載波信號(hào)；基于相位補(bǔ)償、數(shù)據(jù)塊累加及頻 譜分析來(lái)精確估計(jì)消碼后的載波的頻率；將頻率估計(jì)值作為載波跟蹤環(huán)路的頻率初始值， 載波環(huán)路對(duì)載波信號(hào)動(dòng)態(tài)跟蹤，測(cè)量出各個(gè)導(dǎo)航星信號(hào)的多普勒頻移；然后采用基于多普 勒頻移特征的匹配算法尋找出某頻移對(duì)應(yīng)的導(dǎo)航星；將導(dǎo)航衛(wèi)星當(dāng)作一個(gè)頻率已知的無(wú)線 電信標(biāo)，建立高精度測(cè)量模型，結(jié)合軌道動(dòng)力學(xué)模型，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法估計(jì)出高精 度軌道參數(shù)。其具體過程如下。
[003引 1、中頻信號(hào)獲取及其消碼處理
[0039] 在GI^S接收機(jī)中，通常采用混頻方式將射頻信號(hào)從高頻下變頻得到頻率較低的中 頻模擬信號(hào)，繼而通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)。射頻信號(hào)下變頻原理如圖2所示。
[0040] 在圖2中，射頻信號(hào)ri(t)和本地載波信號(hào)r2(t)經(jīng)過混頻器混頻，得到下變頻的 中頻信號(hào)。便于信號(hào)處理，射頻信號(hào)采用正交下變頻得到正交的中頻信號(hào)?；祛l后的信號(hào)分 為兩路，分別采樣得到正交的衛(wèi)星中頻信號(hào)r(t)。導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)正交采樣后可表示為：
[0041] r(t) =ACDej'2"ft+n(t) (1)式中，A為信號(hào)幅度，C為未知的偽隨機(jī)碼，D為電文 數(shù)據(jù)位，是用復(fù)指數(shù)形式描述的正弦信號(hào)，其中f為中頻載波頻率，t是時(shí)間，JT是圓 周率，j表示復(fù)數(shù)的虛部，n(t)為白噪聲。
[0042] 對(duì)中頻信號(hào)r(t)進(jìn)行平方或者交叉相關(guān)法進(jìn)行消碼處理，平方法和交叉相關(guān)法 消碼原理分別如圖3、4所示。
[0043]W平方法為例，對(duì)中頻信號(hào)r(t)平方可得：
[0047] 處于±1狀態(tài)的調(diào)制碼，經(jīng)平方后均為+1，而+1不改變信號(hào)相位和載波 頻率。平方后的載波信號(hào)變?yōu)檫B續(xù)的二倍頻載波，其他兩項(xiàng)頻譜是噪聲，n' (t) = n2(t)+2ACDeJ'2"tXn(t)。
[0048] 2、無(wú)碼載波頻率估計(jì)技術(shù)
[0049] 傳統(tǒng)的捕獲環(huán)節(jié)利用偽隨機(jī)碼良好的相關(guān)特性，完成對(duì)載波頻率和碼相位的粗略 估計(jì)，實(shí)現(xiàn)跟蹤通道初始化W及導(dǎo)航衛(wèi)星識(shí)別。但是，消碼處理后的信號(hào)削弱了信號(hào)強(qiáng)度， 所W對(duì)該信號(hào)進(jìn)行FFT變換，幾乎檢測(cè)不到峰值；而且在軌高動(dòng)態(tài)條件下的多普勒頻移捜 索范圍為幾十曲Z，若采用逐步捜索法，會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間。所W載波頻率初值的獲取是需要 解決的關(guān)鍵問題。
[0化0] 由于信號(hào)疊加可增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，W平方消碼后的信號(hào)為例，WT為單位分成L個(gè)數(shù) 據(jù)塊進(jìn)行疊加：
[0051]
(3)
[0052] 式中，i表示第i個(gè)數(shù)據(jù)塊。
[0化3] 上式中
時(shí)可W取得最大值。但與頻率f有關(guān)，每 個(gè)數(shù)據(jù)塊的起始載波相位不同步，則信號(hào)直接累加不能保證每個(gè)數(shù)據(jù)塊都能取到最大值。[0化4] 讓本地產(chǎn)生一個(gè)頻率為的正弦載波調(diào)整信號(hào)P(t)，對(duì)r2 (t)進(jìn)行相位補(bǔ)償。相 位補(bǔ)償后的信號(hào)：
[0化5] (4)
[0化6] 其中，= ，調(diào)整信號(hào)的引入只改變了載波頻率，與噪聲相乘依然是噪聲。
[0057] 仍然將相位補(bǔ)償后的信號(hào)W T為單位分為L(zhǎng)個(gè)數(shù)據(jù)塊，并對(duì)L個(gè)數(shù)據(jù)塊累加：
[0化引
（5)
[0059] 式中，S(t)為累加后的數(shù)據(jù)，f' = 2f+fi。
[0060] 當(dāng)f' T=M是一個(gè)整數(shù)時(shí)，才有
[0061] 6巧"' "=e巧二1 做
[0062] 把使（6)式成立的稱作優(yōu)化頻率。若數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度為1ms，即T=1ms，則f' T 是整數(shù)的條件就等同于f'是1曲Z的整數(shù)倍，的捜索范圍是[0,1曲Z]。
[006引當(dāng)做式成立時(shí)，累加后的數(shù)據(jù)可表示為：
[0064]
[0065] 平方信號(hào)經(jīng)相位補(bǔ)償和數(shù)據(jù)塊累加得到了一個(gè)被放大了L倍的信號(hào)。對(duì)累加后的 數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到頻譜分量的峰值，對(duì)平方法消碼的信號(hào)而言，將尖峰頻率值減去fi 再除W2,結(jié)果就對(duì)應(yīng)某顆衛(wèi)星信號(hào)的實(shí)際載波頻率。
[0066] 3、載波跟蹤測(cè)量與恢復(fù)
[0067] 中頻數(shù)據(jù)消除了