深空探測器多普勒頻率被動式測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及多普勒頻率測量領域，尤其涉及深空探測器多普勒頻率被動式測量方 法。
【背景技術】
[0002] 高精度多普勒對于深空探測器精密測定軌以及無線電科學應用有重要意義。多普 勒測量有單向，雙向和三向等三種模式。它們的主要區別在于發送端和接收端頻率參考標 準的不同。單向多普勒的頻率標準由探測器自帶的頻率源提供；雙向多普勒接收和發送均 在地面同一測站，使用同一原子鐘頻率源；三向多普勒使用兩個地面測站，其中一個向探測 器發送上行信號，經探測器轉發后由另一個測站接收，兩站使用各自的頻率參考標準。
[0003] 現有的多普勒測量方法主要有以下幾種：
[0004] (一）數周數方法，適用于深空觀測站（如佳木斯、喀什、三亞等）的雙向與三向測 量。深空觀測站具有發射上行信號的能力，在已知上行站發射信號的詳細信息的前提下，能 通過數周數的方法，獲得計數起點和終點的相位周數變化，從而獲得雙向或三向距離，再求 其時間微商，即可獲得雙向/三向多普勒數據。該方法在文獻1【三向測量技術在深空探測 中的應用研究.黃磊，王宏，樊敏.飛行器測控學報，2012年，31卷第3期：6-10頁】中有記 載。
[0005] 該測量方法的不足之處在于：需要了解上行站的詳細信息，對設備要求較高，只適 用于深空站。
[0006] (二）瞬時多普勒測量方法。
[0007] 文獻2【深空探測器被動式高精度多普勒測量方法與應用.鄭為民，馬茂莉，王文 彬。宇航學報，2013年第34卷第11期：1462-1467】介紹了瞬時測量方法，具體步驟如下：
[0008] (1)對接收的信號進行FFT頻譜分析，獲得粗估的多普勒頻率；
[0009] (2)利用粗估的頻率構造參考信號，再與實際的信號共輒相乘，獲得參考信號與實 際信號的相位差；
[0010] (3)對相位差進行多項式擬合，獲得相位差隨時間的變化關系式；
[0011] (4)對相位變化關系式進行求導，獲得頻率差隨時間的變化關系式，通過內插，獲 得實際信號相對于參考信號的任意時刻的殘余頻率；
[0012] (5)結合參考頻率與殘余頻率，獲得實測多普勒頻率。
[0013] 該測量方法的不足之處在于：由于待測信號頻率變化較快，構造的參考信號只適 用于較短的時間（依賴于探測器的運動速度，一般為Is)，積分時間A T的選取也極受限制。 A T越小，相位的測量噪聲越大，但Δ T越大，容易產生無法消除的模糊度。Δ T -般取1~ l〇ms，相當于濾波帶寬1000~100Hz。構造的參考信號的時間長度以及積分時間△ T的選 擇一般來自于經驗，這使得系統不穩定。
[0014] (三）鎖相環測量方法。
[0015] 文獻3【孟令鵬，鄭為民.采用軟件鎖相環技術提取深空探測器高精度多普勒頻 率.中國科學院上海天文臺年刊，2012第O期P83-91】介紹了鎖相環（PLL)的測量方法， 步驟如下：
[0016] (1)通過FFT變換，獲得粗估的多普勒頻率；
[0017] (2)利用粗估的頻率作為鎖相環的中心頻率，利用鑒相器，對信號進行跟蹤測量， 獲得相對于中心頻率的殘余頻率和相位；
[0018] (3)結合殘余頻率和中心頻率，獲得實測多普勒頻率。
[0019] 該測量方法的不足之處在于：PLL的跟蹤精度與環路帶寬（Loop bandwidth，簡稱 BL)有關，BL越小，跟蹤精度越高，但鎖定需要的時間越長，系統越不穩定。由于待測信號頻 率的快速變化，該方法使用的BL需要保持在百Hz以上，探測器視向運動越快，BL取值越大， 從而限制了測量精度。
[0020] (四）文獻5【用于YH_1無線電科學探測的軟件開環多普勒測量技術一一初步研 發和應用.張素軍，簡念川，尚堃，等。測繪通報：1-14】描述了一種開環多普勒測量方法， 步驟為：
[0021] (1)對測站接收的信號進行FFT變換，獲得初步的多普勒頻率；
[0022] (2)對測站接收的多普勒信號在時域進行帶通濾波；
[0023] (3)設置合適的參考頻率，對帶通濾波后的信號進行下變頻；
[0024] (4)對下變頻后的信號進行低通濾波；
[0025] (5)對低通濾波后的信號進行多普勒計數，獲得相位信息。
[0026] (6對一段時間內的相位平均，即得到多普勒頻率；或者，利用多項式對相位進行 擬合，對擬合的相位進行平均，也獲得多普勒頻率。
[0027] 該測量方法的不足之處在于：探測器接收的信號包含主載波、測距調制信號等。為 了將主載波與測距調制信號中分離，該方法使用的濾波器必須高階。如文獻中描述的50 階、100階、1000階，階數越高，計算量越大；當多普勒變化較快時，如Is變化50Hz，5s變化 250Hz，要求濾波器的帶寬不得少于250Hz，限制了濾波效果；積分時間越長，由于多普勒展 寬，多普勒信號的頻譜越寬，不易于測量，即不能輸出任意積分時間的頻率測量值；且經過 了帶通、低通反復濾波，設計較為繁瑣。

【發明內容】

[0028] 針對上述現有技術的不足，本發明提供一種深空探測器多普勒頻率被動式測量方 法，以有效地、高精度地測量多普勒頻率。
[0029] 為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
[0030] 一種深空探測器多普勒頻率被動式測量方法，包括以下步驟：
[0031] 步驟1，對測站接收的原始信號進行濾波、多項式擬合、多普勒補償和降采樣處理， 以獲得第一擬合多項式和一重構信號；
[0032] 步驟2,利用第一鎖相環對所述重構信號進行跟蹤濾波，以獲取其濾波后的相位及 濾波信號；
[0033] 步驟3,對所述重構信號的濾波后的相位進行多項式擬合，以得到第二擬合多項 式；
[0034] 步驟4,根據所述第二擬合多項式構造第二模型信號；
[0035] 步驟5,將所述第二模型信號與所述重構信號的所述濾波信號共輒相乘，以得到第 二補償信號；
[0036] 步驟6,利用第二鎖相環對所述第二補償信號進行跟蹤濾波，以獲取其濾波后的頻 率；以及
[0037] 步驟7,根據所述第一擬合多項式、所述第二擬合多項式和所述第二補償信號的濾 波后的頻率獲取多普勒頻率。
[0038] 在一個實施例中，所述步驟1包括以下步驟：
[0039] 步驟All，利用瞬時多普勒測量方法，根據所述原始信號求初步多普勒頻率；
[0040] 步驟A12,對所述初步多普勒頻率進行多項式擬合，以得到所述第一擬合多項式；
[0041] 步驟A13,根據所述第一擬合多項式構造一第一模型信號；
[0042] 步驟A14,將所述第一模型信號與所述原始信號進行共輒相乘，以得到第一補償信 號；以及
[0043] 步驟A15,對所述第一補償信號進行分段積分，以求出其分段相位，并根據所述第 一補償信號的所述分段相位建立所述重構信號。
[0044] 在另一個實施例中，所述步驟1包括以下步驟：
[0045] 步驟B11，利用第三鎖相環對所述原始信號進行跟蹤，以得到其相位和濾波信號；
[0046] 步驟B12,對所述原始信號的相位進行多項式擬合，以得到所述第一擬合多項式；
[0047] 步驟B13,利用所述第一擬合多項式構造第一模型信號；
[0048] 步驟B14,將所述第一模型信號與所述原始信號的濾波信號進行共輒相乘，以得到 第一補償信號；以及
[0049] 步驟B15,對所述第一補償信號進行降采樣處理，得到所述重構信號。
[0050] 綜上所述，本發明利用實測頻率對待側原始信號進行多普勒補償。補償后的信號 變化較慢，因此可以通過積分的方式進行初步濾波，同時降采樣，大大減少數據處理量。使 用PLL跟蹤時，緩慢變化的信號利于降低PLL環路帶寬；通過PLL迭代的方式，在補償絕大 部分多普勒的基礎上，再補償殘余多普勒頻率，使PLL的環路帶寬更窄，濾波效果更佳，從 而實現高精度測量的目的。與現有技術的方法相比，本發明具有如下優點：
[0051] 1)與數周數方法相比，本發明的測量方法不需要任何上行站發射信號的信息，不 需要初始動力學模型，適用于任何觀測站，適用于單向、雙向、三向的多普勒測量。
[0052] 2)本發明是在瞬時多普勒與PLL的基礎上進行的，相比于瞬時多普勒測量方法， 本發明濾波效果更好，測量精度更高，并且能夠輸出長積分段的頻率；相比于PLL的測量方 法，迭代多普勒補償與濾波的實施，大大降低了 PLL的環路帶寬，改善濾波效果。
【附圖說明】
[0053] 圖1是本發明深空探測器多普勒頻率被動式測量方法的一個實施例的流程圖；
[0054] 圖2是圖1中的瞬時多普勒測量步驟的流程圖；
[0055] 圖3是本發明一個實例的MEX X波段頻譜圖；
[0056] 圖4是本發明一個實例的第一個觀測弧段間的初步多普勒頻率⑴的曲線圖；
[0057] 圖5是本發明一個實例的原始信號P(t)與模型信號R1U)的比較示意圖；
[0058] 圖6是本發明一個實例的多普勒補償信號C