[发明专利]深空探测器多普勒频率被动式测量方法

说明书

技术领域

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

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。

现有的多普勒测量方法主要有以下几种：

(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。

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。

(二)瞬时多普勒测量方法。

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：

(1)对接收的信号进行FFT频谱分析，获得粗估的多普勒频率；

(2)利用粗估的频率构造参考信号，再与实际的信号共轭相乘，获得参考信号与实际信号的相位差；

(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；

(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；

(5)结合参考频率与残余频率，获得实测多普勒频率。

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1s)，积分时间ΔT的选取也极受限制。ΔT越小，相位的测量噪声越大，但ΔT越大，容易产生无法消除的模糊度。ΔT一般取1～10ms，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ΔT的选择一般来自于经验，这使得系统不稳定。

(三)锁相环测量方法。

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0期P83-91】介绍了锁相环(PLL)的测量方法，步骤如下：

(1)通过FFT变换，获得粗估的多普勒频率；

(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；

(3)结合残余频率和中心频率，获得实测多普勒频率。

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。

(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——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：

(1)对测站接收的信号进行FFT变换，获得初步的多普勒频率；

(2)对测站接收的多普勒信号在时域进行带通滤波；

(3)设置合适的参考频率，对带通滤波后的信号进行下变频；

(4)对下变频后的信号进行低通滤波；

(5)对低通滤波后的信号进行多普勒计数，获得相位信息。

(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。