基于非合作导航卫星信号的无码多普勒定轨方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于卫星导航技术领域，特别设及了基于非合作导航卫星信号的无码多普 勒定轨方法。
【背景技术】
[0002] 卫星轨道精密测量是卫星应用的基础。目前，国内外采用的定轨方式主要是依赖 地基测控网，结合星上应答机获得测距、测速信息后精密校正轨道并上注，但是该种定轨方 式不但在恶劣环境时生存保障较为困难，而且定轨精度约为百米到十米量级并随着星上轨 道预报后精度逐渐下降，有时难W满足精度要求。
[0003] 法国提出并研制的DORIS定轨系统，是一套星上自主实时定轨软件，其解算周期 为10s，能够快速、准确地确定卫星轨道。中国首颗海洋动力环境卫星海洋二号（HY-2)主要 用于观测全球海洋动力环境参数。
[0004] 卫星激光测距系统观测精度可达到毫米级，可W满足精度要求，但是全球观测台 站少、分布不均，W及受观测区域和气候条件的限制，部分台站还无法实现常规白天测距， 使观测数据较为有限，而且SLR设备较为复杂庞大，价格不菲。
[0005] 目前，GPS、化0NASS等国外的卫星导航系统是当前天基跟踪测量的主流手段，是地 基定轨系统的重要补充，其中WGI^S为主。但是GI^S卫星导航系统是国外军方控制，在恶劣 环境下，明码信号面临关闭的风险，该样就无法通过普通的接收机得到卫星伪距、伪距率， 也就无法实现定位和定轨。我国的北斗系统目前是一个区域导航系统，尚不能实现全轨道 覆盖。
【发明内容】
[0006] 为了解决上述【背景技术】提出的技术问题，本发明旨在提供基于非合作导航卫星信 号的无码多普勒定轨方法，在明码信号不可用的情况下，利用卫星导航系统发送的加密导 航信号，实现高精度定轨。
[0007] 为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
[000引基于非合作导航卫星信号的无码多普勒定轨方法，包括W下步骤：
[0009] (1)对接收到的导航卫星信号经数字下变频后，采样得到数字中频信号，消除数字 中频信号的保密调制码，根据消码后的信号计算得到载波频率的估计值；
[0010] (2)将步骤（1)得到的载波频率的估计值作为载波跟踪环跟踪的初始频率，产生 载波跟踪环的本振信号，将步骤（1)中消码后的信号作为载波跟踪环的输入信号，恢复出 载波信号，并测量提取出各个导航卫星信号的多普勒频移；
[0011] (3)计算各个导航卫星信号的先验值，结合步骤（2)得到的多普勒频移的实测值， 建立含有接收机频差的多普勒频移实测值和先验值的识别匹配算法，完成导航星的识别与 匹配；
[0012] (4)利用统计定轨算法实现轨道测量，利用轨道动力学方程建立状态方程，利用载 波相位测量值建立相位差测量方程，再利用卡尔曼滤波器估计用户卫星的轨道参数。
[0013] 其中，步骤（1)中所述根据消码后的信号得到载波频率的估计值的具体步骤；
[0014] (A)选取合适的捜索步长，产生若干候选频率，对每一个候选频率产生一个载波相 位调整信号；
[0015] 炬）将步骤（A)产生的载波相位调整信号分别与消码后的信号相乘，对每一个相 乘后的信号按照一定单位长度进行分块，累加分块数据，从而得到信号增强的新数据；
[0016] (C)对步骤炬）得到的新数据进行FFT运算，检查频谱结果，寻找超过口限的尖峰， 对于每一个尖峰，记录其对应的频率值，即为载波频率的估计值。
[0017] 其中，步骤（3)的具体步骤：
[001引 （a)根据步骤似恢复出的载波信号，由用户卫星的初始轨道和周期上注的导航 卫星星历计算出各导航卫星信号的多普勒频移先验值；
[0019] 化）将步骤（2)得到的多普勒频移实测值和步骤（a)得到的多普勒频移先验值分 别按照高低顺序排列成两组数据样本，引入待求解的整体平移量，该整体平移量用于将多 普勒频移先验值作整体平移；
[0020] (C)对各导航卫星信号的多普勒频移实测值与平移后的多普勒频移先验值的频差 绝对值求和得到匹配指标；
[0021] (d)求解在匹配指标取最小值时的整体平移量，将多普勒频移先验值作整体平移， 实现多普勒频移实测值与多普勒频移先验值的匹配，实现导航星识别。
[0022] 其中，在步骤（d)中，采用=分法求解在匹配指标取最小值时的整体平移量，其具 体步骤：
[002引 （I)假设某导航卫星信号的多普勒频移先验值作平移的频率区间是[a/i，4/；]， 选取该区间的I/3、2/3处的坐标巧=4^WA/'i-a/i] /3，=a/;-[A/i-a/; ]Z3，把整个区 间分成S个小区间[A/>,]，虹1，ni2]，机，4/;];
[0024] (II)分别计算在叫、m2处匹配指标e(m1)、e相），若e相）>e相），则舍弃区间
[A/p巧]，令=所1，否则舍弃 ，令 4/] = % ;
[00巧](III)重复步骤（I)-(II)，直到小于某一预设阔值时，即为整体平移 量。
[0026] 其中，在步骤（1)中，采用平方法消除数字中频信号的保密调制码。
[0027] 其中，在步骤（1)中，采用交叉相关法消除数字中频信号的保密调制码。
[002引采用上述技术方案带来的有益效果：
[0029] 本发明可W提高利用卫星导航系统实现卫星定轨的可靠性和安全性，可用作卫星 定轨接收机的备份工作模式。同时本发明可望达到较高定轨精度。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明的流程图；
[0031] 图2是射频信号下变频原理框图；
[0032] 图3是平方法消码示意图；
[0033] 图4是交叉相关法消码示意图；
[0034] 图5是锁相环结构示意图；
[0035] 图6是本发明S分法的3种情况示意图。
【具体实施方式】
[0036]W下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0037] 如图1所示本发明的流程图，用户卫星射频前端将导航卫星信号转换为数字中频 信号，对得到的中频信号进行消码处理得到连续载波信号；基于相位补偿、数据块累加及频 谱分析来精确估计消码后的载波的频率；将频率估计值作为载波跟踪环路的频率初始值， 载波环路对载波信号动态跟踪，测量出各个导航星信号的多普勒频移；然后采用基于多普 勒频移特征的匹配算法寻找出某频移对应的导航星；将导航卫星当作一个频率已知的无线 电信标，建立高精度测量模型，结合轨道动力学模型，采用扩展卡尔曼滤波算法估计出高精 度轨道参数。其具体过程如下。
[003引 1、中频信号获取及其消码处理
[0039] 在GI^S接收机中，通常采用混频方式将射频信号从高频下变频得到频率较低的中 频模拟信号，继而通过模数转换器转换为数字中频信号。射频信号下变频原理如图2所示。
[0040] 在图2中，射频信号ri(t)和本地载波信号r2(t)经过混频器混频，得到下变频的 中频信号。便于信号处理，射频信号采用正交下变频得到正交的中频信号。混频后的信号分 为两路，分别采样得到正交的卫星中频信号r(t)。导航卫星信号经正交采样后可表示为：
[0041] r(t) =ACDej'2"ft+n(t) (1)式中，A为信号幅度，C为未知的伪随机码，D为电文 数据位，是用复指数形式描述的正弦信号，其中f为中频载波频率，t是时间，JT是圆 周率，j表示复数的虚部，n(t)为白噪声。
[0042] 对中频信号r(t)进行平方或者交叉相关法进行消码处理，平方法和交叉相关法 消码原理分别如图3、4所示。
[0043]W平方法为例，对中频信号r(t)平方可得：
[0047] 处于±1状态的调制码，经平方后均为+1，而+1不改变信号相位和载波 频率。平方后的载波信号变为连续的二倍频载波，其他两项频谱是噪声，n' (t) = n2(t)+2ACDeJ'2"tXn(t)。
[0048] 2、无码载波频率估计技术
[0049] 传统的捕获环节利用伪随机码良好的相关特性，完成对载波频率和码相位的粗略 估计，实现跟踪通道初始化W及导航卫星识别。但是，消码处理后的信号削弱了信号强度， 所W对该信号进行FFT变换，几乎检测不到峰值；而且在轨高动态条件下的多普勒频移捜 索范围为几十曲Z，若采用逐步捜索法，会耗费大量时间。所W载波频率初值的获取是需要 解决的关键问题。
[0化0] 由于信号叠加可增强信号强度，W平方消码后的信号为例，WT为单位分成L个数 据块进行叠加：
[0051]
(3)
[0052] 式中，i表示第i个数据块。
[0化3] 上式中
时可W取得最大值。但与频率f有关，每 个数据块的起始载波相位不同步，则信号直接累加不能保证每个数据块都能取到最大值。[0化4] 让本地产生一个频率为的正弦载波调整信号P(t)，对r2 (t)进行相位补偿。相 位补偿后的信号：
[0化5] (4)
[0化6] 其中，= ，调整信号的引入只改变了载波频率，与噪声相乘依然是噪声。
[0057] 仍然将相位补偿后的信号W T为单位分为L个数据块，并对L个数据块累加：
[0化引
（5)
[0059] 式中，S(t)为累加后的数据，f' = 2f+fi。
[0060] 当f' T=M是一个整数时，才有
[0061] 6巧"' "=e巧二1 做
[0062] 把使（6)式成立的称作优化频率。若数据块的长度为1ms，即T=1ms，则f' T 是整数的条件就等同于f'是1曲Z的整数倍，的捜索范围是[0,1曲Z]。
[006引当做式成立时，累加后的数据可表示为：
[0064]
[0065] 平方信号经相位补偿和数据块累加得到了一个被放大了L倍的信号。对累加后的 数据进行FFT运算，得到频谱分量的峰值，对平方法消码的信号而言，将尖峰频率值减去fi 再除W2,结果就对应某颗卫星信号的实际载波频率。
[0066] 3、载波跟踪测量与恢复
[0067] 中频数据消除了