一種地面產(chǎn)生衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)航信號的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及一種衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)碼和載波參數(shù)的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 20世紀(jì)80年代，美國建成GPS，前蘇聯(lián)建成GL0MSS(Global Navigation satellite system,化ONASS)，兩者在星上都放置有高性能的星載原子鐘，導(dǎo)航信號都在衛(wèi) 星上產(chǎn)生，技術(shù)實現(xiàn)難度高、風(fēng)險大，使系統(tǒng)的建設(shè)成本高、周期長。
[0003] 2002年11月，中國科學(xué)院的科研人員提出了通過信號轉(zhuǎn)發(fā)的方式組建中國區(qū)域定 位系統(tǒng)(化ineseArea化sitioningSystem,CAPS)的設(shè)想，利用商用通信衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器 轉(zhuǎn)發(fā)地面原子鐘信號和導(dǎo)航電文，進(jìn)行導(dǎo)航定位。2004年，中國的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)航定位系統(tǒng)建 成，具備導(dǎo)航、定位、授時服務(wù)能力。該系統(tǒng)的導(dǎo)航信號在地面產(chǎn)生，衛(wèi)星采用地球同步軌道 (GE0)衛(wèi)星或傾斜軌道同步（IGS0)衛(wèi)星，不需要高精度的星載原子鐘，降低了系統(tǒng)建設(shè)技術(shù) 實現(xiàn)難度，使系統(tǒng)建設(shè)成本降低、周期減短、風(fēng)險降低。同時，該系統(tǒng)信號產(chǎn)生功能在地面實 現(xiàn)，可W采用高性能的地面鐘組提供時頻參考，地面設(shè)備不受重量、體積等因素限制，系統(tǒng) 的功能和性能指標(biāo)能發(fā)揮到最佳水平。
[0004] 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的工作模式是利用衛(wèi)星的透明轉(zhuǎn)發(fā)功能，將地面產(chǎn)生的導(dǎo) 航信號通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，其比通用的GI^導(dǎo)航信號多了一條上行鏈路，使系統(tǒng)用戶接收 機(jī)收到的信號附加了該上行鏈路及衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的影響，使該用戶接收機(jī)的工作機(jī)制不用于 普通用戶接收機(jī)，增加了接收機(jī)的設(shè)計成本，使系統(tǒng)不易于同其他導(dǎo)航系統(tǒng)無縫融合；而 且，地面產(chǎn)生的高性能信號經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，其指標(biāo)被惡化。為了使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對信號的影 響在地面得到補(bǔ)償，使系統(tǒng)的高性能指標(biāo)能夠體現(xiàn)到用戶接收端，同時，為了提高系統(tǒng)的適 用性，使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的信號類似于衛(wèi)星直發(fā)信號，W更好的服務(wù)于用戶，實現(xiàn)系統(tǒng)信號在 地面的準(zhǔn)確預(yù)調(diào)整是該系統(tǒng)亟需解決的一個問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種控制地面發(fā)射信號碼和載波參數(shù)的方 法，使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)航信號同于衛(wèi)星直發(fā)的導(dǎo)航信號，且性能更優(yōu)。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括W下步驟：
[0007] 步驟1，建立衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)碼偽距觀測模型，地面站到衛(wèi)星再到地面站的環(huán)路觀測 時延PRloop = PRhw,叩+PRtr,叩+PRio,叩+PRsat+PRio, d+PRtr, d+PRhw, d+2PRgr，其中，PRhw,叩、PRhw, d分別 為地面站上行和下行設(shè)備時延;PRtr,up、PRtr,d分別為上、下行對流層引起的時延;PRie,up、 PRiD,d分別為上、下行電離層引起的時延;PRsat為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶來的時延;PRgr為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器 到地面站幾何距離時延；
[000引步驟2,建立衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)頻率觀測模型，計算得到實測偽碼速率feDde = fcode,nominal + fucode,d 叩+fdcode,dop, τΡ 算^ 丫守受J 頭:/則董carri - f carri 'nominal+fucarri,dw - f sat, nominal+f sat, of f set+f dcarri, dop，中，f code, nominal為標(biāo)稱偽碼速率，fuGCKle，dop為由星地相對運(yùn) 動引起的上行偽碼多普勒頻率，fdcode,dop為由星地相對運(yùn)動引起的下行偽碼多普勒頻率， fcarri,nominal為標(biāo)稱載波速率，fucarri,d叩為由星地相對運(yùn)動引起的上行載波多普勒頻率， fsat,nominal為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器工作搬移標(biāo)稱頻率，fsat, offset為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻率變換過程中引起的 頻率偏移量，f dcarri, dDp為由星地相對運(yùn)動引起的下行載波多普勒頻率；
[0009]步驟3,建立衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)地面站發(fā)射信號參數(shù)預(yù)偏模型，碼相位調(diào)整量PRAdj = PRhw,叩+PRtr,叩+PRi。,叩+PRsat+PRgr，碼頻率調(diào)整量
載波頻率調(diào)整量
其中，fucode, dop為衛(wèi)星相對地面站運(yùn)動引起的 上行信號碼多普勒，fucarri,dDp為衛(wèi)星相對地面站運(yùn)動引起的上行信號載波多普勒，戶k。^為 偽距變化率，ΔΙ^為由上行鏈路包括上行電離層變化、對流層變化、星地相對運(yùn)動等因素在 A t時間段內(nèi)引起的偽距變化，Aucarri為地面站發(fā)射信號上行載波波長；
[0010] 步驟4,采用PID控審巧法對比例增益虹、積分時間Τι、微分時間Td和采樣時間T進(jìn)行 控制，其中，實時調(diào)整量u(t)=Kp · e(t)-Ki · e(t-l)+KD · e(t-2)，積分因子Ki = KpT/Ti，微 分因子Kd = KpTd/T，e ( t)為當(dāng)前時刻t的調(diào)整量，即步驟帥的PRAdj、f code, Ad域f carri, Ad j。
[0011] 所述的比例增益Kp取值為0.1~0.5;積分因子Ki取值為0.01~0.5;微分因子Kd取 值為0.01~0.5;采樣時間T取值為10ms~10s。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是:通過對地面站發(fā)射信號參數(shù)如碼相位、碼頻率及載波頻率 進(jìn)行調(diào)整，即在信號發(fā)射之前對其參數(shù)進(jìn)行預(yù)偏，實現(xiàn)在接收機(jī)端收到的信號類似于從衛(wèi) 星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射天線相位中屯、直接發(fā)出的信號。本發(fā)明使建設(shè)周期短、成本低的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系 統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)于通用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能，使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號類似于直接從衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射天 線相位中屯、發(fā)射的信號，使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的用戶接收終端與通用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收終端 易于融合，提高了系統(tǒng)的適用性。
【附圖說明】
[0013] 圖1是地面站產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航信號的控制框圖；
[0014] 圖2是未調(diào)節(jié)之前不同發(fā)射節(jié)點處發(fā)射帖頭與參考時間的關(guān)系示意圖；
[0015] 圖3是在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射天線相位中屯、處信號的同步關(guān)系示意圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實施 例。
[0017] 本發(fā)明將衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)航信號控制到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射天線相位中屯、，使得衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā) 導(dǎo)航系統(tǒng)提供給用戶接收機(jī)的信號類似于從衛(wèi)星直接發(fā)射的信號，W提高衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的 適用性。本發(fā)明步驟如下：
[0018] 步驟1:建立衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)碼偽距觀測模型，包括
[0019] PRloop = PRhw,up+PRtr, up+PRio, up+PRsat+PRio, d+PRtr, d+PRhw, d+2PRgr ( 1 )
[0020] PRiddp為地面站到衛(wèi)星再到地面站的環(huán)路觀測時延，表示綜合基帶接收終端測量 出信號從綜合基帶發(fā)射終端發(fā)出，經(jīng)射頻發(fā)射通道、空間上行、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)、空間下行、射頻接 收通道和綜合基帶接收終端的時延；PRhw,up、PRhw,d分別為地面站上行和下行設(shè)備時延； PRtr,叩、PRtr,d分別為上、下行對流層引起的時延;PRio,叩、PRio,d分別為上、下行電離層引起的 時延;PRsat為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶來的時延;PRgr為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器到地面站幾何距離時延。
[0021 ]步驟2:建立衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)頻率觀測模型，包括：
[0024] f code為實測偽碼速率，fcode,nominal為標(biāo)稱偽碼速率，fucode,d叩為由星地相對運(yùn)動引 起的上行偽碼多普勒頻率，fdcode,dop為由星地相對運(yùn)動引起的下行偽碼多普勒頻率.
[00巧]fcarri為實測載波速率，fcarri, nominal為標(biāo)稱載波速率，fucarri, dop為由星地相對運(yùn)動 弓旭的上行載波多普勒頻率，fsat,瞧皿功衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器工作搬移標(biāo)稱頻率，fsat, offset為衛(wèi)星 轉(zhuǎn)發(fā)器頻率變換過程中引起的頻率偏移量，fdcarri,dDp為由星地相對運(yùn)動引起的下行載波多 普勒頻率。
[0026]步驟3:建立衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)地面站發(fā)射信號參數(shù)預(yù)偏模型，包括：
[0030] PRAdj為碼相位調(diào)整量，fwde,Adj為碼頻率調(diào)整量，fEarri,Adj為載波頻率調(diào)整量， f ucode, dop為衛(wèi)星相對地面站運(yùn)動引起的上行信號碼多普勒，f ucarri, dop為衛(wèi)星相對地面站運(yùn) 動引起的上行信號載波多普勒，/苗為偽距變化率，A PR為由上行鏈路包括上行電離層變 化、對流層變化、星地相對運(yùn)動等因素在A t時間段內(nèi)引起的偽距變化，Aucarri為地面站發(fā)射 信號上行載波波長。
[0031 ]步驟4:各參數(shù)控制方法
[0032]由于衛(wèi)星相對地面站的運(yùn)動、地面站上空電離層和氣象參數(shù)的變化，將引起上行 鏈路時延、碼速率、載波頻率的調(diào)整量隨時間變化，如果按照實施測量得到的調(diào)整量對上行 信號直接進(jìn)行調(diào)整，將引起各參數(shù)的階躍跳變，使輸出信號的相位不連續(xù)，整個系統(tǒng)信號的 質(zhì)量被惡化，為了保證信號調(diào)整的速度能夠及時跟隨信號的變化，同時解決相位不連續(xù)和 信號質(zhì)量惡化的問題，系統(tǒng)提出采用PID控制方法對各參數(shù)進(jìn)行控制。
[0036] Τι為積分時間；Td為微