专利名称：全弧段卫星遥控多普勒补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种全弧段卫星遥控多普勒补偿方法，主要用于卫星遥控信号的基带处理。
背景技术：
在地面站向卫星发送遥控指令信号时，由于卫星相对地面站运动的径向速度较大，会造成卫星在接收到遥控信号时会信号中会产生较大的多普勒频率偏移。由于多普勒频率偏移的存在，就需要卫星在处理遥控信号时，加大载波锁相环的环路带宽，带来的后果就是使得遥控信号载波捕获时间变长，而且由于环路带宽的加大给遥控信号带入了更多的噪声，降低信噪比，通信质量下降。现有的多普勒补偿方法主要采用各种算法对多普勒频率偏移进行估计，由于使用多普勒补偿的物体的运动的不规则性，这些多普勒补偿的方法往往存在精度不高的缺点，对载波捕获性能的提高有限。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提出一种用于全弧段卫星遥控的多普勒补偿方法，该方法的多普勒频率补偿的精度提高，载波捕获性能大大提高。
本发明的技术解决方案是全弧段卫星遥控多普勒补偿方法，采用卫星轨道预报的方法，计算得出卫星在遥控时间段内各时间点的位置和速度，和地面站坐标结合起来后，算出卫星在各时间点上的多普勒频偏值、多普勒频偏一阶变化率二阶变化率。再经由直接数字频率合成(DDS)技术产生符号相反的多普勒频偏值用于调制卫星遥控信号，从而实现多普勒补偿，具体实施如下 (1)由地面站的纬度、经度、高度得到地面站在地球固定坐标系中的坐标； (2)由瞬时卫星开普勒轨道6根数得到在遥控时间段时各时间点上的地球固定坐标系的卫星坐标和地球固定坐标系内的卫星速度； (3)根据步骤(1)得到地球固定坐标系中的坐标，步骤(2)得到的地球固定坐标系的卫星坐标和地球固定坐标系内的卫星速度，得到卫星相对地面站运动的径向速度； (4)由步骤(3)得到的卫星相对地面站运动的径向速度得到多普勒频偏、多普勒频偏一阶变化率和多普勒频偏二阶变化率； (5)将步骤(4)得到的多普勒频偏、多普勒频偏一阶变化率和多普勒频偏二阶变化率同时输入至DDS模块进行频率合成，频率合成结果即为多普勒频偏补偿的频率值； (6)根据步骤(5)得到的多普勒频偏补偿的频率值对卫星遥控信号进行调制，实现多普勒频偏补偿。
本发明与现有技术相比的有益效果是 (1)采用卫星轨道预报的方法使得多普勒频偏的计算精度提高，将现在多普勒补偿技术中估计得出的频偏值，变成了直接计算得出。
(2)采用直接数字频率合成(DDS)技术使得频率精度提高。
图1是本发明采用卫星轨道预报算法计算多普勒频率偏移值的流程图； 图2是本发明直接数字频率合成模块产生多普勒补偿频率的流程图。
具体实施例方式 如图1所示，本发明具体实现由输入数据处理、地面站坐标计算、卫星坐标及速度计算、卫星相对地面站的径向速度计算、多普勒计算组成。
输入数据处理接收外部的输入数据，包括地面站站址坐标，即纬度、经度、高度；卫星瞬时开普勒轨道6根数，即长半轴、偏心率、倾角、升交点赤经、近地点幅角、平近点角和该组根数对应的时间点；地面站遥控时间段和时间步长、遥控信号载波频率。
地面站坐标计算负责把地面站站址坐标转化成地球固定坐标系坐标。
卫星坐标及速度计算负责计算卫星在遥控时间段内各个时间点上的地球固定坐标系坐标和卫星的运动速度。
卫星相对地面站径向速度计算负责由地面站固定坐标系坐标和卫星固定坐标系坐标和速度，计算出遥控时间段内卫星在各个时间点上相对于地面站的径向速度。
多普勒计算负责由卫星在各个时间点上的径向速度计算得出多普勒频偏、多普勒频偏一阶变化率、多普勒频偏二阶变化率。
本发明的具体实现步骤如下 (1)由地面站的纬度、经度、高度计算得到地面站在地球固定坐标系中的坐标 由地面站的纬度、经度、高度计算得到地面站在地球固定坐标系中的坐标的计算公式如下 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分别为地面站的高度、纬度和经度，x_ground、y_ground、z_ground分别为固定坐标系中X、Y、Z轴上的地面站坐标； e2＝0.00669438487525为地球扁率。
r＝6378.14为地球半径，单位是公里。
(2)由瞬时卫星开普勒轨道6根数计算在遥控时间段时各时间点上的地球固定坐标系的卫星坐标和地球固定坐标系内的卫星速度 由瞬时卫星开普勒轨道6根数计算在遥控时间段时各时间点上的地球固定坐标系的卫星坐标的公式 其中x_sat、y_sat、z_sat分别为固定坐标系中X、Y、Z轴上的卫星坐标； 由瞬时卫星开普勒轨道6根数计算地球固定坐标系内的卫星速度的计算公式为
和
分别为固定坐标系中X、Y、Z轴的卫星速度分量； 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 卫星开普勒轨道6根数分别为 a——轨道半长轴 e——偏心率 i——轨道倾角 ω——近地点幅角 Ω——升交点赤经 M——平近点角 (3)根据步骤(1)得到地球固定坐标系中的地面站坐标，步骤(2)得到的地球固定坐标系的卫星坐标和地球固定坐标系内的卫星速度，计算卫星相对地面站运动的径向速度 由地球固定坐标系中地面站坐标和地球固定坐标系中卫星坐标与卫星速度计算卫星相对地面站运动的径向速度公式为 其中，
和
分别为固定坐标系中X、Y、Z轴的卫星速度，dx为固定坐标系X轴上卫星到地面站的距离，dy为固定坐标系Y轴上卫星到地面站的距离，dz为固定坐标系Z轴上卫星到地面站的距离，d为固定坐标系中卫星到地面站的直线距离，计算公式如下 dx＝x_sat-x_ground dy＝y_sat-y_ground dz＝z_sat-z_ground 其中，x_sat、y_sat和z_sat分别为卫星在固定坐标系中X、Y、Z轴坐标，x_ground、y_ground和z_ground分别为地面站在固定坐标系中X、Y、Z轴坐标。
(4)由步骤(3)得到的卫星相对地面站运动的径向速度计算得到多普勒频偏、多普勒频偏一阶变化率和多普勒频偏二阶变化率 由卫星相对地面站运动的径向速度计算得到多普勒频偏、多普勒频偏一阶变化率和多普勒频偏二阶变化率的公式为 dop＝f*v/c dop_v＝(dop1-dop2)/t dop_a＝(dop_v1-dop_v2)/t 其中，dop为多普勒频偏，dop_v为多普勒频偏一阶变化率，dop_a为多普勒频偏二阶变化率，f为载波频率，c为光速，t为时间步长，dop_v的公式中dop1和dop2分别代表前一时刻和后一时刻的多普勒频偏值，dop_a的公式中dop_v1和dop_v2分别代表前一时刻和后一时刻的多普勒一阶变化率值，v为卫星相对于地面站的径向速度，v1为前一时刻卫星相对于地面站的径向速度，v2为后一时刻卫星相对于地面站的径向速度。
(5)将步骤(4)得到的多普勒频偏、多普勒频偏一阶变化率和多普勒频偏二阶变化率同时输入至DDS模块进行频率合成，频率合成结果即为多普勒频偏补偿的频率值 计算出多普勒频偏、一阶变化率、二阶变化率之后，将这些数据送给直接数字频率合成(DDS)模块，DDS模块将按照计算得出的多普勒频偏连续调整DDS输出频率，调制遥控信号，实现多普勒频率偏移的补偿。
为了更精确、更灵活地模拟卫星的真实动态特性，DDS模块采用了三级相位累加方式进行DDS频率合成。设置根据多普勒频率偏移数据拟合成二次曲线，模拟产生与实际卫星信号动态特性一致的多普勒频偏及多普勒频偏变化率。方法为 a.选定DDS模块时钟频率为110MHz。为了保证频率合成的精度，频率控制字E至少设定为31位数，频率一阶变化率控制字F至少为26位数，频率二阶变化率控制字G至少为26位数，且F和G的最高位定义为符号位，分别用于表示频率变化的方向和频率变化速度的变化方向。频率控制字E控制初始频率值，可准确产生不大于44MHz的余弦信号。频率变化率控制字F控制输出频率变化的速度，F的最高位控制变化方向，1为反向，频率逐渐降低；0为正向，频率逐渐增加。频率二阶变化率控制字G控制频率变化的加速度，F的最高位控制变化方向，1为反向，频率逐渐降低；0为正向，频率逐渐增加。
b.频率控制字E值的算法为其中fi表示中频频率，dop表示多普勒频偏值，Fclk表示DDS模块时钟频率； 频率变化率控制字F值的算法为其中dop_v即为多普勒频偏一阶变化率，表示频率变化的速度，单位为Hz/s； 频率二阶变化率控制字G值的算法为其中dop_a即为多普勒频偏的二阶变化率，表示频率变化的加速度值，单位为Hz/s2。
c.图2为DDS模块的实现原理图，图中A点表示经过累加频率变化率控制字F和频率二阶变化率控制字G后的频率控制字E，其N时刻的值为E+N＊F+(N＊N+N)＊G/2。根据DDS原理，在每一个时钟上升沿时，对E进行累加，累加值的高位作为查找表的地址得到输出载波对应相位的幅值，用于调制遥控信号。因为有频率变化率控制字F、频率二阶变化率控制字G的影响，E的值是随着时间变换的。当F不为零时，每个时钟上升沿时，E＝E+F，则下一个时刻，E变为E+F；当G不为零时，每个时钟上升沿时，F＝F+G，则下一个时刻，F变为F+G。
(6)根据步骤(5)得到的多普勒频偏补偿的频率值对卫星遥控信号进行调制，实现多普勒频偏补偿。
下面通过具体实例对本发明进行说明。
某卫星在2007年1月31日上午8时整的轨道6根数如下 a——轨道半长轴为7148732.5529 e——偏心率为0.0011510098 i——轨道倾角为98.4430227 ω——近地点幅角为100.5383370 Ω——升交点赤经为122.4068042 M——平近点角为89.1018489 地面站的坐标为经度116.23、纬度39.54、高度200米，由前文所述的计算方法得出在2007年2月1日12点整到2007年2月1日12点0分20秒的之间的多普勒频偏、多普勒频偏一阶变化率、多普勒频偏二阶变化率为 在2007年2月1日12点整到2007年2月1日12点0分20秒的之间，每一秒钟将多普勒频偏、多普勒频偏一阶变化率、多普勒频偏二阶变化率按照步骤(5)中的计算公式计算出E、F和G，传给DDS模块，接下来则由DDS模块完成多普勒补偿。
本发明主要利用了卫星在空间中运行轨迹固定特点，由卫星运行轨迹得到卫星在各时间点和空间点上的径向速度，从而精确得出发往卫星的遥控信号的多普勒频率偏移量，多普勒频率补偿的精度也大为提高。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
权利要求
1、全弧段卫星遥控多普勒补偿方法，其特征在于包括采用瞬时卫星开普勒轨道6根数轨道预报和DDS频率合成，实现步骤如下
(1)由地面站的纬度、经度、高度得到地面站在地球固定坐标系中的坐标；
(2)由瞬时卫星开普勒轨道6根数得到在遥控时间段时各时间点上的地球固定坐标系的卫星坐标和地球固定坐标系内的卫星速度；
(3)根据步骤(1)得到地球固定坐标系中的坐标，步骤(2)得到的地球固定坐标系的卫星坐标和地球固定坐标系内的卫星速度，得到卫星相对地面站运动的径向速度；
(4)由步骤(3)得到的卫星相对地面站运动的径向速度得到多普勒频偏、多普勒频偏一阶变化率和多普勒频偏二阶变化率；
(5)将步骤(4)得到的多普勒频偏、多普勒频偏一阶变化率和多普勒频偏二阶变化率同时输入至DDS模块进行频率合成，频率合成结果即为多普勒频偏补偿的频率值；
(6)根据步骤(5)得到的多普勒频偏补偿的频率值对卫星遥控信号进行调制，实现多普勒频偏补偿。
2、根据权利要求1所述的全弧段卫星遥控多普勒补偿方法，其特征在于所述步骤(1)中由地面站的纬度、经度、高度得到地面站在地球固定坐标系中的坐标公式
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分别为地面站的高度、纬度和经度，x_ground、y_ground、z_ground分别为固定坐标系中X、Y、Z轴上的地面站坐标；
e2＝0.00669438487525为地球扁率
r＝6378.14为地球半径，单位是公里。
3、根据权利要求1所述的全弧段卫星遥控多普勒补偿方法，其特征在于所述步骤(2)中由瞬时卫星开普勒轨道6根数得到在遥控时间段内各时间点上的地球固定坐标系的卫星坐标的公式
其中x_sat、y_sat、z_sat分别为固定坐标系中X、Y、Z轴上的卫星坐标；
l1＝cosΩcosω-sinΩsinωcosi
m1＝sinΩcosω+cosΩsinωcosi
n1＝sinωsini
l2＝-cosΩsinω-sinΩcosωcosi
m2＝-sinΩsinω+cosΩcosωcosi
n2＝cosωsini
E-e*sinE＝M
卫星开普勒轨道6根数分别为
a——轨道半长轴
e——偏心率
i——轨道倾角
ω——近地点幅角
Ω——升交点赤经
M——平近点角
4、根据权利要求1所述的全弧段卫星遥控多普勒补偿方法，其特征在于所述步骤(2)中得到地球固定坐标系内的卫星速度的公式为
和
分别为固定坐标系中X、Y、Z轴的卫星速度分量；
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
卫星开普勒轨道6根数分别为
a——轨道半长轴
e——偏心率
i——轨道倾角
ω——近地点幅角
Ω——升交点赤经
M——平近点角
5、根据权利要求1所述的全弧段卫星遥控多普勒补偿方法，其特征在于所述步骤(3)中得到卫星相对地面站运动的径向速度公式为
其中，
和
分别为固定坐标系中X、Y、Z轴的卫星速度，dx为固定坐标系X轴上卫星到地面站的距离，dy为固定坐标系Y轴上卫星到地面站的距离，dz为固定坐标系Z轴上卫星到地面站的距离，d为固定坐标系中卫星到地面站的直线距离，dx、dy、dz计算公式如下
dx＝x_sat-x_ground
dy＝y_sat-y_ground
dz＝z_sat-z_ground
其中，x_sat、y_sat和z_sat分别为卫星在固定坐标系中X、Y、Z轴坐标，x_ground、y_ground和z_ground分别为地面站在固定坐标系中X、Y、Z轴坐标。
6、根据权利要求1所述的全弧段卫星遥控多普勒补偿方法，其特征在于所述步骤(4)中多普勒频偏、多普勒频偏一阶变化率和多普勒频偏二阶变化率的公式为
dop＝f*v/c
dop_v＝(dop1-dop2)/t
dop_a＝(dop_v1-dop_v2)/t
其中，dop为多普勒频偏，dop_v为多普勒频偏一阶变化率，dop_a为多普勒频偏二阶变化率，f为载波频率，c为光速，t为时间步长，dop_v的公式中dop1和dop2分别代表前一时刻和后一时刻的多普勒频偏值，dop_a的公式中dop_v1和dop_v2分别代表前一时刻和后一时刻的多普勒一阶变化率值，v为卫星相对于地面站的径向速度。
7、根据权利要求1所述的全弧段卫星遥控多普勒补偿方法，其特征在于所述的步骤(6)中得到的多普勒频偏、多普勒频偏一阶变化率和多普勒频偏二阶变化率同时输入至DDS模块进行频率合成，频率合成结果即为多普勒频偏补偿的频率值，方法为
a.选定DDS模块时钟频率为110MHz，为了保证频率合成的精度，频率控制字E至少设定为31位数，频率一阶变化率控制字F至少为26位数，频率二阶变化率控制字G至少为26位数，且F和G的最高位定义为符号位，分别用于表示频率变化的方向和频率变化速度的变化方向；
b.频率控制字E值的算法为其中fi表示中频频率，dop表示多普勒频偏值，Fclk表示DDS模块时钟频率；
频率变化率控制字F值的算法为其中dop_v即为多普勒频偏一阶变化率，表示频率变化的速度，单位为Hz/s；
频率二阶变化率控制字G值的算法为其中dop_a即为多普勒频偏的二阶变化率，表示频率变化的加速度值，单位为Hz/s2；
c.频率控制字E，其N时刻的计算公式为E+N＊F+(N＊N+N)＊G/2，根据DDS原理，在每一个时钟上升沿时，对E进行累加，累加值的高位作为查找表的地址得到输出载波对应相位的幅值，用于调制遥控信号。
全文摘要
全弧段卫星遥控多普勒补偿方法，运用卫星轨道计算和DDS实现补偿卫星轨道计算由地面站站址坐标(纬度、经度、高度)、卫星瞬时开普勒轨道6根数即长半轴、偏心率、倾角、升交点赤经、近地点幅角、平近点角和该组根数对应的时间点、地面站遥控时间段和时间步长和遥控信号载波频率这些输入数据，可以运用几何学计算，得出卫星在遥控时间段内精确的轨道位置，进而得到各时间点上的多普勒频偏值、多普勒频率一阶变化率和二阶变化率。这些计算得出的多普勒相关数据传给DDS模块产生与多普勒频率偏移符号相反、绝对值相同的频率，用于调制遥控信号，产生多普勒频率偏移的补偿。本方法可以使卫星接收到遥控信号后，可以用较小的锁相环路带宽实现对遥控信号载波的捕获，从而缩短载波捕获的时间提高载波捕获能力，并且减少环路带宽内噪声对有用信号的干扰。
文档编号H04B7/01GK101420253SQ20081023895
公开日2009年4月29日 申请日期2008年12月5日 优先权日2008年12月5日
发明者宋振宇, 沙立伟, 李博韬 申请人:航天恒星科技有限公司