專利名稱：全弧段衛(wèi)星遙控多普勒補償方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種全弧段衛(wèi)星遙控多普勒補償方法，主要用于衛(wèi)星遙控信號的基帶處理。

背景技術：
在地面站向衛(wèi)星發(fā)送遙控指令信號時，由于衛(wèi)星相對地面站運動的徑向速度較大，會造成衛(wèi)星在接收到遙控信號時會信號中會產生較大的多普勒頻率偏移。由于多普勒頻率偏移的存在，就需要衛(wèi)星在處理遙控信號時，加大載波鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬，帶來的后果就是使得遙控信號載波捕獲時間變長，而且由于環(huán)路帶寬的加大給遙控信號帶入了更多的噪聲，降低信噪比，通信質量下降。現(xiàn)有的多普勒補償方法主要采用各種算法對多普勒頻率偏移進行估計，由于使用多普勒補償的物體的運動的不規(guī)則性，這些多普勒補償的方法往往存在精度不高的缺點，對載波捕獲性能的提高有限。


發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提出一種用于全弧段衛(wèi)星遙控的多普勒補償方法，該方法的多普勒頻率補償的精度提高，載波捕獲性能大大提高。
本發(fā)明的技術解決方案是全弧段衛(wèi)星遙控多普勒補償方法，采用衛(wèi)星軌道預報的方法，計算得出衛(wèi)星在遙控時間段內各時間點的位置和速度，和地面站坐標結合起來后，算出衛(wèi)星在各時間點上的多普勒頻偏值、多普勒頻偏一階變化率二階變化率。再經由直接數字頻率合成(DDS)技術產生符號相反的多普勒頻偏值用于調制衛(wèi)星遙控信號，從而實現(xiàn)多普勒補償，具體實施如下 (1)由地面站的緯度、經度、高度得到地面站在地球固定坐標系中的坐標； (2)由瞬時衛(wèi)星開普勒軌道6根數得到在遙控時間段時各時間點上的地球固定坐標系的衛(wèi)星坐標和地球固定坐標系內的衛(wèi)星速度； (3)根據步驟(1)得到地球固定坐標系中的坐標，步驟(2)得到的地球固定坐標系的衛(wèi)星坐標和地球固定坐標系內的衛(wèi)星速度，得到衛(wèi)星相對地面站運動的徑向速度； (4)由步驟(3)得到的衛(wèi)星相對地面站運動的徑向速度得到多普勒頻偏、多普勒頻偏一階變化率和多普勒頻偏二階變化率； (5)將步驟(4)得到的多普勒頻偏、多普勒頻偏一階變化率和多普勒頻偏二階變化率同時輸入至DDS模塊進行頻率合成，頻率合成結果即為多普勒頻偏補償的頻率值； (6)根據步驟(5)得到的多普勒頻偏補償的頻率值對衛(wèi)星遙控信號進行調制，實現(xiàn)多普勒頻偏補償。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果是 (1)采用衛(wèi)星軌道預報的方法使得多普勒頻偏的計算精度提高，將現(xiàn)在多普勒補償技術中估計得出的頻偏值，變成了直接計算得出。
(2)采用直接數字頻率合成(DDS)技術使得頻率精度提高。



圖1是本發(fā)明采用衛(wèi)星軌道預報算法計算多普勒頻率偏移值的流程圖； 圖2是本發(fā)明直接數字頻率合成模塊產生多普勒補償頻率的流程圖。

具體實施例方式 如圖1所示，本發(fā)明具體實現(xiàn)由輸入數據處理、地面站坐標計算、衛(wèi)星坐標及速度計算、衛(wèi)星相對地面站的徑向速度計算、多普勒計算組成。
輸入數據處理接收外部的輸入數據，包括地面站站址坐標，即緯度、經度、高度；衛(wèi)星瞬時開普勒軌道6根數，即長半軸、偏心率、傾角、升交點赤經、近地點幅角、平近點角和該組根數對應的時間點；地面站遙控時間段和時間步長、遙控信號載波頻率。
地面站坐標計算負責把地面站站址坐標轉化成地球固定坐標系坐標。
衛(wèi)星坐標及速度計算負責計算衛(wèi)星在遙控時間段內各個時間點上的地球固定坐標系坐標和衛(wèi)星的運動速度。
衛(wèi)星相對地面站徑向速度計算負責由地面站固定坐標系坐標和衛(wèi)星固定坐標系坐標和速度，計算出遙控時間段內衛(wèi)星在各個時間點上相對于地面站的徑向速度。
多普勒計算負責由衛(wèi)星在各個時間點上的徑向速度計算得出多普勒頻偏、多普勒頻偏一階變化率、多普勒頻偏二階變化率。
本發(fā)明的具體實現(xiàn)步驟如下 (1)由地面站的緯度、經度、高度計算得到地面站在地球固定坐標系中的坐標 由地面站的緯度、經度、高度計算得到地面站在地球固定坐標系中的坐標的計算公式如下 x_ground＝(N+height)*cos(latitude)*cos(longitude) y_ground＝(N+height)*cos(latitude)*sin(longitude) z_ground＝(N*(1-e2)+height)*sin(latitude) 其中，height、latitude和longitude分別為地面站的高度、緯度和經度，x_ground、y_ground、z_ground分別為固定坐標系中X、Y、Z軸上的地面站坐標； e2＝0.00669438487525為地球扁率。
r＝6378.14為地球半徑，單位是公里。
(2)由瞬時衛(wèi)星開普勒軌道6根數計算在遙控時間段時各時間點上的地球固定坐標系的衛(wèi)星坐標和地球固定坐標系內的衛(wèi)星速度 由瞬時衛(wèi)星開普勒軌道6根數計算在遙控時間段時各時間點上的地球固定坐標系的衛(wèi)星坐標的公式 其中x_sat、y_sat、z_sat分別為固定坐標系中X、Y、Z軸上的衛(wèi)星坐標； 由瞬時衛(wèi)星開普勒軌道6根數計算地球固定坐標系內的衛(wèi)星速度的計算公式為


和

分別為固定坐標系中X、Y、Z軸的衛(wèi)星速度分量； 上述公式中 l1＝cosΩcosω-sinΩsinωcosi m1＝sinΩcosω+cosΩsinωcosi n1＝sinωsin i l2＝-cosΩsin ω-sinΩcos ω cos i m2＝-sinΩsin ω+cosΩcos ω cos i n2＝cosω sin i E-e*sin E＝M 衛(wèi)星開普勒軌道6根數分別為 a——軌道半長軸 e——偏心率 i——軌道傾角 ω——近地點幅角 Ω——升交點赤經 M——平近點角 (3)根據步驟(1)得到地球固定坐標系中的地面站坐標，步驟(2)得到的地球固定坐標系的衛(wèi)星坐標和地球固定坐標系內的衛(wèi)星速度，計算衛(wèi)星相對地面站運動的徑向速度 由地球固定坐標系中地面站坐標和地球固定坐標系中衛(wèi)星坐標與衛(wèi)星速度計算衛(wèi)星相對地面站運動的徑向速度公式為 其中，


和

分別為固定坐標系中X、Y、Z軸的衛(wèi)星速度，dx為固定坐標系X軸上衛(wèi)星到地面站的距離，dy為固定坐標系Y軸上衛(wèi)星到地面站的距離，dz為固定坐標系Z軸上衛(wèi)星到地面站的距離，d為固定坐標系中衛(wèi)星到地面站的直線距離，計算公式如下 dx＝x_sat-x_ground dy＝y(tǒng)_sat-y_ground dz＝z_sat-z_ground 其中，x_sat、y_sat和z_sat分別為衛(wèi)星在固定坐標系中X、Y、Z軸坐標，x_ground、y_ground和z_ground分別為地面站在固定坐標系中X、Y、Z軸坐標。
(4)由步驟(3)得到的衛(wèi)星相對地面站運動的徑向速度計算得到多普勒頻偏、多普勒頻偏一階變化率和多普勒頻偏二階變化率 由衛(wèi)星相對地面站運動的徑向速度計算得到多普勒頻偏、多普勒頻偏一階變化率和多普勒頻偏二階變化率的公式為 dop＝f*v/c dop_v＝(dop1-dop2)/t dop_a＝(dop_v1-dop_v2)/t 其中，dop為多普勒頻偏，dop_v為多普勒頻偏一階變化率，dop_a為多普勒頻偏二階變化率，f為載波頻率，c為光速，t為時間步長，dop_v的公式中dop1和dop2分別代表前一時刻和后一時刻的多普勒頻偏值，dop_a的公式中dop_v1和dop_v2分別代表前一時刻和后一時刻的多普勒一階變化率值，v為衛(wèi)星相對于地面站的徑向速度，v1為前一時刻衛(wèi)星相對于地面站的徑向速度，v2為后一時刻衛(wèi)星相對于地面站的徑向速度。
(5)將步驟(4)得到的多普勒頻偏、多普勒頻偏一階變化率和多普勒頻偏二階變化率同時輸入至DDS模塊進行頻率合成，頻率合成結果即為多普勒頻偏補償的頻率值 計算出多普勒頻偏、一階變化率、二階變化率之后，將這些數據送給直接數字頻率合成(DDS)模塊，DDS模塊將按照計算得出的多普勒頻偏連續(xù)調整DDS輸出頻率，調制遙控信號，實現(xiàn)多普勒頻率偏移的補償。
為了更精確、更靈活地模擬衛(wèi)星的真實動態(tài)特性，DDS模塊采用了三級相位累加方式進行DDS頻率合成。設置根據多普勒頻率偏移數據擬合成二次曲線，模擬產生與實際衛(wèi)星信號動態(tài)特性一致的多普勒頻偏及多普勒頻偏變化率。方法為 a.選定DDS模塊時鐘頻率為110MHz。為了保證頻率合成的精度，頻率控制字E至少設定為31位數，頻率一階變化率控制字F至少為26位數，頻率二階變化率控制字G至少為26位數，且F和G的最高位定義為符號位，分別用于表示頻率變化的方向和頻率變化速度的變化方向。頻率控制字E控制初始頻率值，可準確產生不大于44MHz的余弦信號。頻率變化率控制字F控制輸出頻率變化的速度，F(xiàn)的最高位控制變化方向，1為反向，頻率逐漸降低；0為正向，頻率逐漸增加。頻率二階變化率控制字G控制頻率變化的加速度，F(xiàn)的最高位控制變化方向，1為反向，頻率逐漸降低；0為正向，頻率逐漸增加。
b.頻率控制字E值的算法為其中fi表示中頻頻率，dop表示多普勒頻偏值，F(xiàn)clk表示DDS模塊時鐘頻率； 頻率變化率控制字F值的算法為其中dop_v即為多普勒頻偏一階變化率，表示頻率變化的速度，單位為Hz/s； 頻率二階變化率控制字G值的算法為其中dop_a即為多普勒頻偏的二階變化率，表示頻率變化的加速度值，單位為Hz/s2。
c.圖2為DDS模塊的實現(xiàn)原理圖，圖中A點表示經過累加頻率變化率控制字F和頻率二階變化率控制字G后的頻率控制字E，其N時刻的值為E+N＊F+(N＊N+N)＊G/2。根據DDS原理，在每一個時鐘上升沿時，對E進行累加，累加值的高位作為查找表的地址得到輸出載波對應相位的幅值，用于調制遙控信號。因為有頻率變化率控制字F、頻率二階變化率控制字G的影響，E的值是隨著時間變換的。當F不為零時，每個時鐘上升沿時，E＝E+F，則下一個時刻，E變?yōu)镋+F；當G不為零時，每個時鐘上升沿時，F(xiàn)＝F+G，則下一個時刻，F(xiàn)變?yōu)镕+G。
(6)根據步驟(5)得到的多普勒頻偏補償的頻率值對衛(wèi)星遙控信號進行調制，實現(xiàn)多普勒頻偏補償。
下面通過具體實例對本發(fā)明進行說明。
某衛(wèi)星在2007年1月31日上午8時整的軌道6根數如下 a——軌道半長軸為7148732.5529 e——偏心率為0.0011510098 i——軌道傾角為98.4430227 ω——近地點幅角為100.5383370 Ω——升交點赤經為122.4068042 M——平近點角為89.1018489 地面站的坐標為經度116.23、緯度39.54、高度200米，由前文所述的計算方法得出在2007年2月1日12點整到2007年2月1日12點0分20秒的之間的多普勒頻偏、多普勒頻偏一階變化率、多普勒頻偏二階變化率為 在2007年2月1日12點整到2007年2月1日12點0分20秒的之間，每一秒鐘將多普勒頻偏、多普勒頻偏一階變化率、多普勒頻偏二階變化率按照步驟(5)中的計算公式計算出E、F和G，傳給DDS模塊，接下來則由DDS模塊完成多普勒補償。
本發(fā)明主要利用了衛(wèi)星在空間中運行軌跡固定特點，由衛(wèi)星運行軌跡得到衛(wèi)星在各時間點和空間點上的徑向速度，從而精確得出發(fā)往衛(wèi)星的遙控信號的多普勒頻率偏移量，多普勒頻率補償的精度也大為提高。
本發(fā)明未詳細闡述的部分屬于本領域公知技術。
權利要求
1、全弧段衛(wèi)星遙控多普勒補償方法，其特征在于包括采用瞬時衛(wèi)星開普勒軌道6根數軌道預報和DDS頻率合成，實現(xiàn)步驟如下
(1)由地面站的緯度、經度、高度得到地面站在地球固定坐標系中的坐標；
(2)由瞬時衛(wèi)星開普勒軌道6根數得到在遙控時間段時各時間點上的地球固定坐標系的衛(wèi)星坐標和地球固定坐標系內的衛(wèi)星速度；
(3)根據步驟(1)得到地球固定坐標系中的坐標，步驟(2)得到的地球固定坐標系的衛(wèi)星坐標和地球固定坐標系內的衛(wèi)星速度，得到衛(wèi)星相對地面站運動的徑向速度；
(4)由步驟(3)得到的衛(wèi)星相對地面站運動的徑向速度得到多普勒頻偏、多普勒頻偏一階變化率和多普勒頻偏二階變化率；
(5)將步驟(4)得到的多普勒頻偏、多普勒頻偏一階變化率和多普勒頻偏二階變化率同時輸入至DDS模塊進行頻率合成，頻率合成結果即為多普勒頻偏補償的頻率值；
(6)根據步驟(5)得到的多普勒頻偏補償的頻率值對衛(wèi)星遙控信號進行調制，實現(xiàn)多普勒頻偏補償。
2、根據權利要求1所述的全弧段衛(wèi)星遙控多普勒補償方法，其特征在于所述步驟(1)中由地面站的緯度、經度、高度得到地面站在地球固定坐標系中的坐標公式
x_ground＝(N+height)*cos(latitude)*cos(longitude)
y_ground＝(N+height)*cos(latitude)*sin(longitude)
z_ground＝(N*(1-e2)+height)*sin(latitude)
其中，height、latitude和longitude分別為地面站的高度、緯度和經度，x_ground、y_ground、z_ground分別為固定坐標系中X、Y、Z軸上的地面站坐標；
e2＝0.00669438487525為地球扁率
r＝6378.14為地球半徑，單位是公里。
3、根據權利要求1所述的全弧段衛(wèi)星遙控多普勒補償方法，其特征在于所述步驟(2)中由瞬時衛(wèi)星開普勒軌道6根數得到在遙控時間段內各時間點上的地球固定坐標系的衛(wèi)星坐標的公式
其中x_sat、y_sat、z_sat分別為固定坐標系中X、Y、Z軸上的衛(wèi)星坐標；
l1＝cosΩcosω-sinΩsinωcosi
m1＝sinΩcosω+cosΩsinωcosi
n1＝sinωsini
l2＝-cosΩsinω-sinΩcosωcosi
m2＝-sinΩsinω+cosΩcosωcosi
n2＝cosωsini
E-e*sinE＝M
衛(wèi)星開普勒軌道6根數分別為
a——軌道半長軸
e——偏心率
i——軌道傾角
ω——近地點幅角
Ω——升交點赤經
M——平近點角
4、根據權利要求1所述的全弧段衛(wèi)星遙控多普勒補償方法，其特征在于所述步驟(2)中得到地球固定坐標系內的衛(wèi)星速度的公式為
和
分別為固定坐標系中X、Y、Z軸的衛(wèi)星速度分量；
公式中
l1＝cosΩcosω-sinΩsinωcos i
m1＝sinΩcosω+cosΩsinωcos i
n1＝sinωsin i
l2＝-cosΩsinω-sinΩcosωcosi
m2＝-sinΩsinω+cosΩcosωcosi
n2＝cosωsini
E-e*sinE＝M
衛(wèi)星開普勒軌道6根數分別為
a——軌道半長軸
e——偏心率
i——軌道傾角
ω——近地點幅角
Ω——升交點赤經
M——平近點角
5、根據權利要求1所述的全弧段衛(wèi)星遙控多普勒補償方法，其特征在于所述步驟(3)中得到衛(wèi)星相對地面站運動的徑向速度公式為
其中，
和
分別為固定坐標系中X、Y、Z軸的衛(wèi)星速度，dx為固定坐標系X軸上衛(wèi)星到地面站的距離，dy為固定坐標系Y軸上衛(wèi)星到地面站的距離，dz為固定坐標系Z軸上衛(wèi)星到地面站的距離，d為固定坐標系中衛(wèi)星到地面站的直線距離，dx、dy、dz計算公式如下
dx＝x_sat-x_ground
dy＝y(tǒng)_sat-y_ground
dz＝z_sat-z_ground
其中，x_sat、y_sat和z_sat分別為衛(wèi)星在固定坐標系中X、Y、Z軸坐標，x_ground、y_ground和z_ground分別為地面站在固定坐標系中X、Y、Z軸坐標。
6、根據權利要求1所述的全弧段衛(wèi)星遙控多普勒補償方法，其特征在于所述步驟(4)中多普勒頻偏、多普勒頻偏一階變化率和多普勒頻偏二階變化率的公式為
dop＝f*v/c
dop_v＝(dop1-dop2)/t
dop_a＝(dop_v1-dop_v2)/t
其中，dop為多普勒頻偏，dop_v為多普勒頻偏一階變化率，dop_a為多普勒頻偏二階變化率，f為載波頻率，c為光速，t為時間步長，dop_v的公式中dop1和dop2分別代表前一時刻和后一時刻的多普勒頻偏值，dop_a的公式中dop_v1和dop_v2分別代表前一時刻和后一時刻的多普勒一階變化率值，v為衛(wèi)星相對于地面站的徑向速度。
7、根據權利要求1所述的全弧段衛(wèi)星遙控多普勒補償方法，其特征在于所述的步驟(6)中得到的多普勒頻偏、多普勒頻偏一階變化率和多普勒頻偏二階變化率同時輸入至DDS模塊進行頻率合成，頻率合成結果即為多普勒頻偏補償的頻率值，方法為
a.選定DDS模塊時鐘頻率為110MHz，為了保證頻率合成的精度，頻率控制字E至少設定為31位數，頻率一階變化率控制字F至少為26位數，頻率二階變化率控制字G至少為26位數，且F和G的最高位定義為符號位，分別用于表示頻率變化的方向和頻率變化速度的變化方向；
b.頻率控制字E值的算法為其中fi表示中頻頻率，dop表示多普勒頻偏值，F(xiàn)clk表示DDS模塊時鐘頻率；
頻率變化率控制字F值的算法為其中dop_v即為多普勒頻偏一階變化率，表示頻率變化的速度，單位為Hz/s；
頻率二階變化率控制字G值的算法為其中dop_a即為多普勒頻偏的二階變化率，表示頻率變化的加速度值，單位為Hz/s2；
c.頻率控制字E，其N時刻的計算公式為E+N＊F+(N＊N+N)＊G/2，根據DDS原理，在每一個時鐘上升沿時，對E進行累加，累加值的高位作為查找表的地址得到輸出載波對應相位的幅值，用于調制遙控信號。
全文摘要
全弧段衛(wèi)星遙控多普勒補償方法，運用衛(wèi)星軌道計算和DDS實現(xiàn)補償衛(wèi)星軌道計算由地面站站址坐標(緯度、經度、高度)、衛(wèi)星瞬時開普勒軌道6根數即長半軸、偏心率、傾角、升交點赤經、近地點幅角、平近點角和該組根數對應的時間點、地面站遙控時間段和時間步長和遙控信號載波頻率這些輸入數據，可以運用幾何學計算，得出衛(wèi)星在遙控時間段內精確的軌道位置，進而得到各時間點上的多普勒頻偏值、多普勒頻率一階變化率和二階變化率。這些計算得出的多普勒相關數據傳給DDS模塊產生與多普勒頻率偏移符號相反、絕對值相同的頻率，用于調制遙控信號，產生多普勒頻率偏移的補償。本方法可以使衛(wèi)星接收到遙控信號后，可以用較小的鎖相環(huán)路帶寬實現(xiàn)對遙控信號載波的捕獲，從而縮短載波捕獲的時間提高載波捕獲能力，并且減少環(huán)路帶寬內噪聲對有用信號的干擾。
文檔編號H04B7/01GK101420253SQ20081023895
公開日2009年4月29日 申請日期2008年12月5日 優(yōu)先權日2008年12月5日
發(fā)明者宋振宇, 沙立偉, 李博韜 申請人:航天恒星科技有限公司