深空探测器多普勒频率被动式测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多普勒频率测量领域，尤其涉及深空探测器多普勒频率被动式测量方 法。
【背景技术】
[0002] 高精度多普勒对于深空探测器精密测定轨以及无线电科学应用有重要意义。多普 勒测量有单向，双向和三向等三种模式。它们的主要区别在于发送端和接收端频率参考标 准的不同。单向多普勒的频率标准由探测器自带的频率源提供；双向多普勒接收和发送均 在地面同一测站，使用同一原子钟频率源；三向多普勒使用两个地面测站，其中一个向探测 器发送上行信号，经探测器转发后由另一个测站接收，两站使用各自的频率参考标准。
[0003] 现有的多普勒测量方法主要有以下几种：
[0004] (一）数周数方法，适用于深空观测站（如佳木斯、喀什、三亚等）的双向与三向测 量。深空观测站具有发射上行信号的能力，在已知上行站发射信号的详细信息的前提下，能 通过数周数的方法，获得计数起点和终点的相位周数变化，从而获得双向或三向距离，再求 其时间微商，即可获得双向/三向多普勒数据。该方法在文献1【三向测量技术在深空探测 中的应用研究.黄磊，王宏，樊敏.飞行器测控学报，2012年，31卷第3期：6-10页】中有记 载。
[0005] 该测量方法的不足之处在于：需要了解上行站的详细信息，对设备要求较高，只适 用于深空站。
[0006] (二）瞬时多普勒测量方法。
[0007] 文献2【深空探测器被动式高精度多普勒测量方法与应用.郑为民，马茂莉，王文 彬。宇航学报，2013年第34卷第11期：1462-1467】介绍了瞬时测量方法，具体步骤如下：
[0008] (1)对接收的信号进行FFT频谱分析，获得粗估的多普勒频率；
[0009] (2)利用粗估的频率构造参考信号，再与实际的信号共辄相乘，获得参考信号与实 际信号的相位差；
[0010] (3)对相位差进行多项式拟合，获得相位差随时间的变化关系式；
[0011] (4)对相位变化关系式进行求导，获得频率差随时间的变化关系式，通过内插，获 得实际信号相对于参考信号的任意时刻的残余频率；
[0012] (5)结合参考频率与残余频率，获得实测多普勒频率。
[0013] 该测量方法的不足之处在于：由于待测信号频率变化较快，构造的参考信号只适 用于较短的时间（依赖于探测器的运动速度，一般为Is)，积分时间A T的选取也极受限制。 A T越小，相位的测量噪声越大，但Δ T越大，容易产生无法消除的模糊度。Δ T -般取1~ l〇ms，相当于滤波带宽1000~100Hz。构造的参考信号的时间长度以及积分时间△ T的选 择一般来自于经验，这使得系统不稳定。
[0014] (三）锁相环测量方法。
[0015] 文献3【孟令鹏，郑为民.采用软件锁相环技术提取深空探测器高精度多普勒频 率.中国科学院上海天文台年刊，2012第O期P83-91】介绍了锁相环（PLL)的测量方法， 步骤如下：
[0016] (1)通过FFT变换，获得粗估的多普勒频率；
[0017] (2)利用粗估的频率作为锁相环的中心频率，利用鉴相器，对信号进行跟踪测量， 获得相对于中心频率的残余频率和相位；
[0018] (3)结合残余频率和中心频率，获得实测多普勒频率。
[0019] 该测量方法的不足之处在于：PLL的跟踪精度与环路带宽（Loop bandwidth，简称 BL)有关，BL越小，跟踪精度越高，但锁定需要的时间越长，系统越不稳定。由于待测信号频 率的快速变化，该方法使用的BL需要保持在百Hz以上，探测器视向运动越快，BL取值越大， 从而限制了测量精度。
[0020] (四）文献5【用于YH_1无线电科学探测的软件开环多普勒测量技术一一初步研 发和应用.张素军，简念川，尚堃，等。测绘通报：1-14】描述了一种开环多普勒测量方法， 步骤为：
[0021] (1)对测站接收的信号进行FFT变换，获得初步的多普勒频率；
[0022] (2)对测站接收的多普勒信号在时域进行带通滤波；
[0023] (3)设置合适的参考频率，对带通滤波后的信号进行下变频；
[0024] (4)对下变频后的信号进行低通滤波；
[0025] (5)对低通滤波后的信号进行多普勒计数，获得相位信息。
[0026] (6对一段时间内的相位平均，即得到多普勒频率；或者，利用多项式对相位进行 拟合，对拟合的相位进行平均，也获得多普勒频率。
[0027] 该测量方法的不足之处在于：探测器接收的信号包含主载波、测距调制信号等。为 了将主载波与测距调制信号中分离，该方法使用的滤波器必须高阶。如文献中描述的50 阶、100阶、1000阶，阶数越高，计算量越大；当多普勒变化较快时，如Is变化50Hz，5s变化 250Hz，要求滤波器的带宽不得少于250Hz，限制了滤波效果；积分时间越长，由于多普勒展 宽，多普勒信号的频谱越宽，不易于测量，即不能输出任意积分时间的频率测量值；且经过 了带通、低通反复滤波，设计较为繁琐。
【发明内容】
[0028] 针对上述现有技术的不足，本发明提供一种深空探测器多普勒频率被动式测量方 法，以有效地、高精度地测量多普勒频率。
[0029] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0030] 一种深空探测器多普勒频率被动式测量方法，包括以下步骤：
[0031] 步骤1，对测站接收的原始信号进行滤波、多项式拟合、多普勒补偿和降采样处理， 以获得第一拟合多项式和一重构信号；
[0032] 步骤2,利用第一锁相环对所述重构信号进行跟踪滤波，以获取其滤波后的相位及 滤波信号；
[0033] 步骤3,对所述重构信号的滤波后的相位进行多项式拟合，以得到第二拟合多项 式；
[0034] 步骤4,根据所述第二拟合多项式构造第二模型信号；
[0035] 步骤5,将所述第二模型信号与所述重构信号的所述滤波信号共辄相乘，以得到第 二补偿信号；
[0036] 步骤6,利用第二锁相环对所述第二补偿信号进行跟踪滤波，以获取其滤波后的频 率；以及
[0037] 步骤7,根据所述第一拟合多项式、所述第二拟合多项式和所述第二补偿信号的滤 波后的频率获取多普勒频率。
[0038] 在一个实施例中，所述步骤1包括以下步骤：
[0039] 步骤All，利用瞬时多普勒测量方法，根据所述原始信号求初步多普勒频率；
[0040] 步骤A12,对所述初步多普勒频率进行多项式拟合，以得到所述第一拟合多项式；
[0041] 步骤A13,根据所述第一拟合多项式构造一第一模型信号；
[0042] 步骤A14,将所述第一模型信号与所述原始信号进行共辄相乘，以得到第一补偿信 号；以及
[0043] 步骤A15,对所述第一补偿信号进行分段积分，以求出其分段相位，并根据所述第 一补偿信号的所述分段相位建立所述重构信号。
[0044] 在另一个实施例中，所述步骤1包括以下步骤：
[0045] 步骤B11，利用第三锁相环对所述原始信号进行跟踪，以得到其相位和滤波信号；
[0046] 步骤B12,对所述原始信号的相位进行多项式拟合，以得到所述第一拟合多项式；
[0047] 步骤B13,利用所述第一拟合多项式构造第一模型信号；
[0048] 步骤B14,将所述第一模型信号与所述原始信号的滤波信号进行共辄相乘，以得到 第一补偿信号；以及
[0049] 步骤B15,对所述第一补偿信号进行降采样处理，得到所述重构信号。
[0050] 综上所述，本发明利用实测频率对待侧原始信号进行多普勒补偿。补偿后的信号 变化较慢，因此可以通过积分的方式进行初步滤波，同时降采样，大大减少数据处理量。使 用PLL跟踪时，缓慢变化的信号利于降低PLL环路带宽；通过PLL迭代的方式，在补偿绝大 部分多普勒的基础上，再补偿残余多普勒频率，使PLL的环路带宽更窄，滤波效果更佳，从 而实现高精度测量的目的。与现有技术的方法相比，本发明具有如下优点：
[0051] 1)与数周数方法相比，本发明的测量方法不需要任何上行站发射信号的信息，不 需要初始动力学模型，适用于任何观测站，适用于单向、双向、三向的多普勒测量。
[0052] 2)本发明是在瞬时多普勒与PLL的基础上进行的，相比于瞬时多普勒测量方法， 本发明滤波效果更好，测量精度更高，并且能够输出长积分段的频率；相比于PLL的测量方 法，迭代多普勒补偿与滤波的实施，大大降低了 PLL的环路带宽，改善滤波效果。
【附图说明】
[0053] 图1是本发明深空探测器多普勒频率被动式测量方法的一个实施例的流程图；
[0054] 图2是图1中的瞬时多普勒测量步骤的流程图；
[0055] 图3是本发明一个实例的MEX X波段频谱图；
[0056] 图4是本发明一个实例的第一个观测弧段间的初步多普勒频率⑴的曲线图；
[0057] 图5是本发明一个实例的原始信号P(t)与模型信号R1U)的比较示意图；
[0058] 图6是本发明一个实例的多普勒补偿信号C