[發明專利]一種用于深空探測的寬范圍高精度多普勒測量方法

有效

• 申請號: 201811251798.1
• 申請日: 2018-10-25
• 公開（公告）號: CN109633574B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 費聚鋒;李騰飛;韓家宇;馬少飛;王召利;李阿明
• 申請（專利權）人: 上海無線電設備研究所
• 主分類號: G01S7/40
• 分類號: G01S7/40;H04B17/309
• 代理公司: 上海元好知識產權代理有限公司 31323
• 代理人: 徐雯瓊;張妍

本發明涉及一種用于深空探測的寬范圍高精度多普勒測量方法。發射端的模擬PM_BPSK信號能形成周期重復的雙信號塊。接收端將接收信號轉換為數字基帶信號，第一步對數字基帶信號進行FFT計算，根據FFT結果獲得該信號的多普勒頻率粗估計值。第二步根據所得的粗估計值，對原始的數字基帶信號進行頻率取整校正、補償后，并經窄帶濾波得到殘余載波信號；對該殘余載波信號進行基于雙信號塊的共軛復相關精估計運算，得到多普勒精估計值。第三步對粗估計值和精估計值進行擬合，得到寬范圍高精度的多普勒估計值。本發明相對于傳統多普勒估計方法，兼顧了測量效率、測量范圍和測量精度，且測量范圍大，測量精度高，軟件復雜度低，具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明涉及深空探測領域器間通信領域，特別地涉及一種器間通信中利用副載波調制方式實現寬范圍高精度多普勒測量的方法。

背景技術

當聲音，光和無線電波等振動源與觀測者相對運動時，觀測者所收到的振動頻率與振動源所發出的頻率有所不同，這一現象稱之為多普勒效應。當發射器發射一固定頻率的脈沖波對空掃描時，如遇到活動目標，回波的頻率與發射波的頻率出現頻率差，稱為多普勒頻率。根據多普勒頻率的大小，可測出目標對發射器的徑向相對運動速度；根據發射脈沖和接收的時間差，可以測出目標的距離，實現對目標的定位。

火星自主探測任務屬于深空探測任務，環繞器與著陸器之間的中繼通信主要采用UHF波段通信實現。在著陸器進入火星大氣、下降和著陸階段，采用UHF頻段軌道器中繼方案，在中繼通信的同時環繞器中繼通信接收機對著陸器UHF中繼通信系統轉發的載波信息進行實時的多普勒精確測量，以實現對著陸器運行軌道進行實時測量，并完成對著陸點定位；著陸后火星車在火星表面開展巡視探測過程中繼續通過UHF波段中繼通信通道進行多普勒信息測量，實現對火星車的實時定位。因此，高精度多普勒測量技術是火星中繼通信系統中的關鍵技術之一。

我國首次火星探測中繼通信采用的是PM_BPSK的傳輸信號波形，沒有提供獨立的多普勒測量通道，需要在環繞器與著陸器之間雙向通信的同時實現10mHz量級精度的多普勒測量。對基于這種傳輸信號波形，環繞器中繼通信機如何設計，才能確保環繞器在大橢圓軌道下既能實時變速率傳輸又能實時實現高精度的多普勒測量，對中繼通信系統設計和多普勒的信號處理算法都帶來了挑戰。

目前，應用于航天器的多普勒測量模式有很多，根據通訊系統的上下行鏈路的構型和地面站對航天器的跟蹤模式，大體可以分成三大類：單程、雙程和三程模式。

雙程多普勒頻率測量是一種主動測量技術，測站向目標探測器發射信號，探測器設有應答機，對接受的信號鎖頻后再發射至測站，測站通過多普勒計數原理可計算出探測器多普勒頻率，此方法的缺點是若某時刻一旦發生跳周現象，將直接影響計數結果，使測量出現偏差。三程測量模式與雙程類似，區別只在于信號發射和接收由兩個不同的臺站來完成，這樣雖然可以避免跳周現象，但需要有兩個站的代價。