应用于地面站的导航信号的频偏校正方法及装置

1.本公开涉及卫星导航定位测速技术领域，尤其涉及一种应用于地面站的导航信号的频偏校正方法及装置。


背景技术：

2.在转发式卫星导航系统中，原子钟位于可以作为导航上行站的地面站，导航信号及导航电文通过地面站发射上行至卫星，卫星转发下行至用户接收机，通过地面站构建虚拟钟参数，将虚拟钟参数注入到导航电文中，用以修正导航上行伪距，将转发式导航转换为直播式导航的方式，利用测量伪距球面交汇的方式解算用户接收机的位置及速度。在用户接收机的位置和速度的解算过程中，对于用户接收机位置的解算，可以通过虚拟钟修正，将用户的伪距转化为直播式，同样在用户接收机速度的解算时，用户接收机的多普勒频率观测值包含了上行多普勒频偏、卫星转发器频偏及下行多普勒频偏三部分参数。因此，需要地面站通过自闭环的方式修正上行多普勒频偏和卫星转发器频偏，在地面站构建转发式卫星导航的测速源，使得导航信号下行的频偏“纯净”的属于由于卫星运动及用户接收机运动而产生的相对运动引起的下行多普勒频偏，用户接收机可以根据导航电文星历信息解算出卫星速度，分解到径向速度上，用户接收机由于卫星运动导致的径向速度剥离剩下由于自身运动导致的径向速度分量，从而解算出自身的运动状态信息及钟漂。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.为解决上述卫星导航定位测速技术中所存在的技术问题至少之一，本公开提供了一种应用于地面站的导航信号的频偏校正方法及装置，可以为转发式卫星导航系统提供测速源，该测速源可以供用户接收机实现高精度测速。
5.(二)技术方案
6.本公开的一个方面提供了一种应用于地面站的导航信号的频偏校正方法，其中，包括：根据星站距残差函数确定卫星转发该导航信号下行至该地面站的卫星信号发射时刻；确定该卫星信号发射时刻对应的卫星星站径向速度；以及基于该卫星星站径向速度获取该导航信号对应该卫星信号发射时刻的至少一个分量频偏值，该至少一个分量频偏值用于地面站的导航信号的频偏校正。
7.根据本公开的实施例，在该根据星站距残差函数确定卫星转发该导航信号下行至该地面站的卫星信号发射时刻之前，还包括：确定该导航信号对应该地面站的地面站发射时刻；获取该卫星信号发射时刻对应的卫星位置坐标。
8.根据本公开的实施例，在该确定该导航信号对应该地面站的地面站发射时刻中，包括：确定与该导航信号对应该地面站的地面站接收时刻相对应的大环伪距时延；根据该地面站接收时刻和对应大环伪距时延确定该地面站发射时刻。
9.根据本公开的实施例，在该确定该导航信号对应该地面站的地面站发射时刻中，
还包括：根据导航信号对应的导航电文和对应导航电文的伪码参数确定该地面站发射时刻。
10.根据本公开的实施例，在该根据星站距残差函数确定卫星转发该导航信号下行至该地面站的卫星信号发射时刻中，包括：根据该卫星位置坐标确定该卫星信号发射时刻对应的星站距残差函数；通过该星站距残差函数确定该卫星信号发射时刻对应的时间增量，该时间增量用于确定该卫星信号发射时刻；其中，该星站距残差函数为上行星站距残差函数或下行星站距残差函数。
11.根据本公开的实施例，在该确定该卫星信号发射时刻对应的卫星站星径向速度中，包括：根据该卫星位置坐标确定该卫星信号发射时刻对应的卫星站星径向速度。
12.根据本公开的实施例，在该基于该卫星星站径向速度获取该导航信号对应该卫星信号发射时刻的至少一个分量频偏值中，包括：根据该地面站上行至卫星的该导航信号的理论频率确定该卫星转发下行至地面站的导航信号的卫星发射载波频率；根据该卫星发射载波频率确定该地面站接收该卫星转发下行的导航信号的地面站接收真实频率；以及根据该地面站接收真实频率和该卫星星站径向速度确定该卫星的转发器频偏值作为该至少一个分量频偏值中的一个分量频偏值。
13.根据本公开的实施例，在该基于该卫星星站径向速度获取该导航信号对应该卫星信号发射时刻的至少一个分量频偏值中，还包括：根据该地面站上行至卫星的该导航信号的理论频率和该卫星星站径向速度确定该卫星运动引起的上行多普勒频偏值作为该至少一个分量频偏值中的另一个分量频偏值。
14.根据本公开的实施例，在该基于该卫星星站径向速度获取该导航信号对应该卫星信号发射时刻的至少一个分量频偏值之后，还包括：根据该至少一个分量频偏值对该地面站综合基带进行该导航信号的发射频率预置。
15.本公开的另一方面提供了一种应用于地面站的导航信号的频偏校正装置，其中，包括发射时刻确定模块、径向速度确定模块和分量频偏值获取模块。发射时刻确定模块用于根据星站距残差函数确定卫星转发该导航信号下行至该地面站的卫星信号发射时刻；径向速度确定模块用于确定该卫星信号发射时刻对应的卫星星站径向速度；以及分量频偏值获取模块用于基于该卫星星站径向速度获取该导航信号对应该卫星信号发射时刻的至少一个分量频偏值，该至少一个分量频偏值用于地面站的导航信号的频偏校正。
16.本公开的另一方面提供了一种电子设备，包括一个或多个处理器和存储器；存储器用于存储一个或多个程序，其中，当上述一个或多个程序被上述一个或多个处理器执行时，使得上述一个或多个处理器实现本公开实施例的方法。
17.本公开的另一方面提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，上述指令在被执行时用于实现本公开实施例的方法。
18.本公开的另一方面提供了一种计算机程序，上述计算机程序包括计算机可执行指令，上述指令在被执行时用于实现本公开实施例的方法。
19.(三)有益效果
20.本公开实施例的应用于地面站的导航信号的频偏校正方法和装置至少应当具有如下技术效果：
21.(1)仅凭系统现有导航信号单频实现了对上行多普勒频偏及转发器频偏等频偏分
量的实时解算，极大提升了测速系统的效费比；
22.(2)实时给出了转发式导航信号上行至卫星转发下行的发射时刻，提高了卫星动态多普勒效应解算精度及转发器频偏解算精度，继而可以构建高精度的测速源，以用于实现用户接收机的高精度测速。
附图说明
23.图1示意性示出了根据本公开实施例的转发式卫星导航系统的导航信号的传递图；
24.图2a示意性示出了根据本公开实施例的应用于地面站的导航信号的频偏校正方法的流程图；
25.图2b示意性示出了根据本公开实施例的频偏分量的确定方法流程图；
26.图3示意性示出了根据本公开实施例的应用于地面站的导航信号的频偏校正装置的组成图；
27.图4示意性示出了根据本公开实施例的电子设备的框图。
具体实施方式
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
29.需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
30.还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
31.并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
32.再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
33.说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序或是制造方法上的顺序，这些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
34.本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把他们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把他们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何
s203的处理之后，可以使得经处理之后的信号数据被用户接收机130用于实现高精度测速，换言之，本公开实施例能够实现在导航上行站的测速源构建。
44.其中，地面站的导航综合基带、上下变频器、功放、低噪声放大器、天线等设备都已经具备相应的功能性工作。进一步需要说明的是，地面站可以有至少一个，卫星也可以有至少一个，所对应的用户接收机也应当数量满足至少一个，具体以实现其针对用户接收机130的导航定位测速为准。其中，用户接收机130可以是能够和地面站发射的导航信号参数相对应的专用接收机，具体可以应用于由用户所拥有使用的便携式智能电子设备，如手机、平板、pad、笔记本、定位仪、车载导航器等。
45.星站距残差函数为对应上述卫星信号发射时刻的上行星站距方程或下行星站距方程对应的函数。卫星信号发射时刻为将地面站上行至卫星的导航信号转发下行的卫星转发的发射时刻。其中，如前述所言，此处所对应的卫星、地面站可以有多个，具体地，地面站发射导航信号并上行的卫星和导航信号被转发下行的卫星可以为两个不同的卫星，发射导航信号上行至卫星的地面站和接收卫星转发下行导航信号的地面站也可以为两个不同的地面站。在本公开实施例中，上行至的卫星和转发下行的卫星可以是同一颗卫星，发射地面站和接收地面站可以是不同的地面站，但是不同的地面站之间需要保持时间同步。因此，在一个地面站的天线对应一颗卫星，且可以多站多星保持在站间时间同步的基础上，不同的地面站可以对应不同的卫星进行包括上行多普勒频偏和卫星转发器的频偏校正。
46.由于地球存在自转和公转，卫星相对于地球本身也存在相应的围绕运动，且卫星自身也存在一定的自转运动。卫星星站径向速度为上述卫星信号发射时刻对应的导航信号下行发射的卫星相对地面站的径向速度，具体与该卫星的坐标位置及速度相关。
47.对应上述卫星星站径向速度，分量频偏值可以是相应卫星转发下行的导航信号的载波频率的分量频偏，例如上行多普勒频偏、下行多普勒频偏以及卫星转发器标称频率的转发器频偏等。通过确定这些分量频偏值可以使得地面站能够对接收的卫星转发下行的导航信号进行频偏校正，从而能够使得导航信号更加接近真实频率，从而使得用户接收机接收到的导航信号更加准确的反应自身的速度状态，使得地面站的信号处理可以有效构建用户接收机的测速源，使得用户接收机的测速更为精准。
48.其中，上述频偏校正的过程完全仅凭上述地面站方面对所接收到的卫星转发下行的导航信号的处理，而该导航信号实际仍然是由地面站方面作为导航上行站发射上行至卫星的，换言之，本公开实施例的上述频偏校正方法仅依靠现有转发式卫星导航系统的导航信号实现对上述分量频偏值的单频实时解算，从而极大提升了测速系统的效费比。
49.因此，本公开的上述频偏校正方法，可以利用系统现有导航信号单频实时解算上行多普勒频偏及转发器频偏等频偏分量，极大提升了测速系统的效费比。进一步地，能够实时给出转发式导航信号上行至卫星转发下行的发射时刻，从而提高了卫星动态多普勒效应解算精度及转发器频偏等频偏校正过程的解算精度，继而可以构建以地面站为中心的高精度测速源，以显著提供用户接收机的测速精度和效率。
50.为对上述本公开实施例的频偏校正方法作详尽说明，特结合如图2b所示对本公开实施例的频偏分量的确定过程s210-s260作更进一步地说明如下：
51.如图2a所示，根据本公开的实施例，在步骤s201该根据星站距残差函数确定卫星转发该导航信号下行的卫星信号发射时刻之前，还包括：
52.确定该导航信号对应该地面站的地面站发射时刻；
53.获取该卫星信号发射时刻对应的卫星位置坐标。
54.如图2a和图2b所示，根据本公开的实施例，在该确定该导航信号对应该地面站的地面站发射时刻中，包括：
55.确定与该导航信号对应该地面站的地面站接收时刻相对应的大环伪距时延；
56.根据该地面站接收时刻和对应大环伪距时延确定该地面站发射时刻。
57.如图2b所示，在步骤s210中，通过地面站解算在卫星转发下行导航信号至地面站的地面站接收时刻tr的大环伪距时延从而确定组合其中，地面站接收时刻tr为地面站接收卫星转发下行的导航信号解算大环伪距时延的采集时刻。
58.地面站发射上行至卫星的导航信号为载波频率为f
cs
的数据信号，通过地面站自发自收的方式，在利用地面站导航综合基带锁定伪码捕获状态、锁定伪码环路状态、锁定载波环路状态、锁定位同步状态以及锁定帧同步状态之后，获得地面站综合发射基带上行到卫星、并由卫星转发下行到地面站，使得地面站综合接收基带在地面站接收该卫星转发下行的导航信号的地面站接收时刻tr的大环伪距时延从而确定组合其中，该组合中，每个导航信号下行的地面站接收时刻tr可以对应一个大环伪距时延
59.如图2b所示，在步骤s220中，确定导航信号在地面站的地面站发射时刻t
trans
。其中，地面站发射时刻t
trans
为地面向卫星发射上行导航信号的时刻。
60.其中，导航信号在地面站的发射时刻可以通过地面站时频统一基准利用如下方式获得。其中，地面站的时频都由原子钟时频统一系统提供，因此地面站接收时刻tr和大环伪距时延是非常准确的，可以直接作为系统的时间基准计算，因此对应地面站发射时刻t
trans
可以由以下公式(1)计算：
[0061][0062]
如图2a和图2b所示，根据本公开的实施例，在该确定该导航信号对应该地面站的地面站发射时刻中，还包括：
[0063]
根据导航信号对应的导航电文和对应导航电文的伪码参数确定该地面站发射时刻。
[0064]
作为另一实施例，导航信号在地面站的发射时刻还可以通过如下方式获得。其中，根据导航信号所对应的导航电文及对应导航电文的伪码参数可以确定相应的地面站发射时刻。具体地，每帧导航电文都有时标，根据转发式导航系统的参数特征，优选1个超帧包含15个子帧，每个子帧包含500bits(卷积之后)，导航电文的信息速率为500bps(卷积之后)，每个子帧持续时间为1s，伪码速率为20mcps，伪码长度为10000，可以计算出导航电文每bit持续时间为2ms，伪码周期为0.5ms，因此1bit包含了4个伪码周期，码片持续时间为0.05us(50ns)，因此地面站发射时刻t
trans
可以参考以下公式(2)：
[0065][0066]
其中，g是超帧数，取值范围1～5760，可以由导航电文给出；w为帧数，取值范围1～3，可以由导航电文给出；z为子帧数，取值范围1～5，可以由导航电文给出；n
bit
为bit数，取
值范围1～500，可以由子帧bit计数器给出；n
ct
为伪码周期数，取值范围1～4，可以由伪码周期计数器给出；是码片数，取值范围为1～10000，可以由伪码相位计算给出，其中转发式导航系统的时间可以用天内秒的形式表示。
[0067]
如图2a所示，根据本公开的实施例，在步骤s201该根据星站距残差函数确定卫星转发该导航信号下行至该地面站的卫星信号发射时刻之前，还包括：获取该卫星信号发射时刻对应的卫星位置坐标。
[0068]
卫星的星历通常用切比雪夫多项式系数给出，假定卫星转发导航下行的卫星信号发射时刻为t
sv
，根据切比雪夫多项式系数的特征，进一步可以确定该卫星信号发射时刻t
sv
对应的卫星相对地球的卫星位置坐标(x(t
sv
)，y(t
sv
)，z(t
sv
))如下公式(3)：
[0069][0070]
其中，m为切比雪夫系数的阶数，常为m＝6；a
xi
、a
yi
和a
zi
为xyz三个方向的切比雪夫系数；ti(τ)为第一类的切比雪夫多项式系数；τ＝[2(t
sv-t
0e
)/δt]-1，δt为数据有效龄，t
0e
为数据切比雪夫系数拟合的起始时刻，t
sv
∈[t
0e
，t
0e
+δt]。
[0071]
如图2a和图2b所示，根据本公开的实施例，在步骤s201该根据星站距残差函数确定卫星转发该导航信号下行至该地面站的卫星信号发射时刻中，包括：
[0072]
根据该卫星位置坐标确定该卫星信号发射时刻对应的星站距残差函数；
[0073]
通过该星站距残差函数确定该卫星信号发射时刻对应的时间增量，该时间增量用于确定该卫星信号发射时刻；
[0074]
其中，该星站距残差函数为上行星站距残差函数或下行星站距残差函数。
[0075]
如图2b所示，在步骤s230，构建星站距残差函数，以用于确定卫星转发导航信号下行的发射时刻t
sv
，即确定卫星转发该导航信号下行至地面站的卫星信号发射时刻。
[0076]
其中，通过星站距残差函数确定上述卫星转发导航信号下行的发射时刻t
sv
也可以参照下述过程实现：
[0077]
其中，关于卫星转发导航信号下行的发射时刻t
sv
的上行星站距方程如下式(4)：
[0078]
t
sv-t
trans
＝
[0079]
τ
devup
+τ
ionup
+τ
tropup
+τs+||(x(t
sv
)-x0，y(t
sv
)-y0，z(t
sv
)-z0)||/c
[0080]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0081]
基于上述公式(4)，可以构建上行星站距残差函数如下式(5)：
[0082]
f(x(t
sv
)，y(t
sv
)，z(t
sv
))＝
[0083]
t
sv-t
trans-τ
devup-τ
ionup-τ
tropup-τ
s-||(x(t
sv
)-x0，y(t
sv
)-y0，z(t
sv
)-z0)||/c
ꢀꢀ
(5)
[0084]
进一步地，可以利用上行星站距残差函数(5)，进行迭代求解算卫星转发导航信号下行的发射时刻的增量
[0085]
[0086]
其中，通过发射时刻对应的初始值和增量可以获得第j次迭代的卫星转发导航信号下行的发射时刻即上述卫星信号发射时刻t
sv
。其中，一般j＝3，为第j-1次迭代时的发射时刻，初始值可以为地面站信号发射时刻t
trans
；(x0，y0，z0)为地面站天线的旋转中心坐标或者天线的相位中心坐标，可以根据不同天线类型选择，抛物面天线可以选择为旋转中心，多波束天线可以选择为相位中心，其值为t
trans
时刻的坐标值；t
trans
可以为上述地面站导航信号发射的地面站发射时刻；τ
devup
为地面站上行设备时延值；τ
ionup
为导航信号上行电离层时延值；σ
tropup
为导航信号上行对流层时延值；τs为卫星转发器的时延值；||(x(t
sv
)-x0，y(t
sv
)-y0，z(t
sv
)-z0)||为上述卫星信号发射时刻t
sv
对应的星站距；c为光速，取值299792458m/s。
[0087]
以上为根通过构建上行星站距残差函数确定上述卫星信号发射时刻的过程，同样地，还可以通过构建下行星站距残差函数确定上述卫星信号发射时刻，具体地，可以参照下述过程实现：
[0088]
其中，关于卫星转发导航信号下行的发射时刻t
sv
的下行星站距方程如下式：
[0089]
t
r-t
sv
＝
[0090]
τ
devdow
+τ
iondow
+τ
tropdow
+||(x(t
sv
)-x0，y(t
sv
)-y0，z(t
sv
)-z0)||/c
[0091]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0092]
基于上述公式(7)，可以构建下行星站距残差函数如下式(8)：
[0093]
f(x(t
sv
)，y(t
sv
)，z(t
sv
))＝
[0094]
t
r-t
sv-τ
devdow-τ
iondow-[0095]
τ
tropdow-||(x(t
sv
)-x0，y(t
sv
)-y0，z(t
sv
)-z0)||/c
ꢀꢀ
(8)
[0096]
进一步地，可以利用下行星站距残差函数(8)，进行迭代求解出卫星转发导航信号下行的发射时刻的增量
[0097][0098]
其中，也可以通过发射时刻对应的初始值和增量获得第q次迭代的卫星转发导航信号下行的发射时刻即上述卫星信号发射时刻t
sv
。其中，一般q＝3，为第q-1次迭代时的发射时刻，初始值可以为伪距接收时刻tr；(x0，y0，z0)为地面站天线的旋转中心坐标或者天线的相位中心坐标，可以根据不同天线类型选择，抛物面天线可以选择为旋转中心，多波束天线可以选择为相位中心，其值为上述地面站接收时刻tr的坐标值；τ
devdow
为地面站下行设备时延值；τ
iondow
为导航信号下行电离层时延值；τ
tropdow
为导航信号下行对流层时延值；||(x(t
sv
)-x0，y(t
sv
)-y0，z(t
sv
)-z0)||为t
sv
时刻的星站距；c为光速，取值299792458m/s。
[0099]
如图2a和图2b所示，根据本公开的实施例，在步骤s202该确定该卫星信号发射时刻对应的卫星星站径向速度中，包括：
[0100]
根据该卫星位置坐标确定该卫星信号发射时刻对应的卫星星站径向速度。
[0101]
基于前述所确定的卫星位置坐标(x(t
sv
)，y(t
sv
)，z(t
sv
))，可以根据切比雪夫多项式系数解算确定卫星星站径向速度v
sr
为：
[0102][0103]
如图2a和图2b所示，根据本公开的实施例，在步骤s203该基于该卫星星站径向速度获取该导航信号对应该卫星信号发射时刻的至少一个分量频偏值中，包括：
[0104]
根据该地面站上行至卫星的该导航信号的理论频率确定该卫星转发下行至地面站的导航信号的卫星发射载波频率；
[0105]
根据该卫星发射载波频率确定该地面站接收该卫星转发下行的导航信号的地面站接收真实频率；以及
[0106]
根据该地面站接收真实频率和该卫星星站径向速度确定该卫星的转发器频偏值作为该至少一个分量频偏值中的一个分量频偏值。
[0107]
如图2b所示，在步骤s240中，确定地面站接收该卫星转发下行的导航信号的地面站接收真实频率。首先，地面站上行的导航信号理论频率为f
cs
(即该地面站上行至卫星的该导航信号的理论频率)，地面站的综合基带预设频率预偏值为δf；卫星转发器的标称频率为fs。其中，对于c波段转发器而言，一般fs＝2225mhz；而ku波段转发器而言，一般fs＝1748mhz。导航信号上行至卫星转发下行发射时刻t
sv
卫星对地面站的径向速度为v
sr
，卫星发射载波频率f
s_out
(也即该卫星转发下行至地面站的导航信号的卫星发射的真实频率)可以表示为卫星转发器频偏δfs的函数。
[0108][0109]
其中，地面站解算卫星转发下行时(卫星转发发射对应的卫星信号发射时刻t
sv
)，卫星转发发射的导航信号的卫星发射载波频率为f
s_out
。其中，该导航信号的卫星发射载波频率f
s_out
可以包含卫星运动引起的上行卫星多普勒频偏δf
dop_up
(即上行多普勒频偏分量)、下行卫星多普勒频偏δf
dop_dow
(即下行多普勒频偏分量)和卫星转发器标称频率的频偏量δfs(即卫星转发器频偏分量)三个分量，载波环路通过频率控制字对载波数字控制振荡器(numerical controlled oscillator，简称nco)的输出进行调整。
[0110]
在载波环路锁定的同时，地面站综合接收基带在k时刻根据工作时钟频率f
clk
读取载波nco的相位步进寄存器的值载波相位累加器对该值进行积分运算，可以获得载波相位累加值因此，可以根据如下公式(12)计算获得频率控制字
[0111][0112]
其中，n为相位累加器的位数；为相位累加值，取值范围为(0～2
n-1)。
[0113]
需要说明的是，载波nco的输出频率f
nco
由当前相位累加器值决定，因此转换为频率控制字的控制输出频率满足如下式(13)：
[0114][0115]
因此，地面站接收到的卫星转发下行时(该导航信号可以用于实现用户接收机接
收)，地面站接收的下行的导航信号的接收载波频率为f＝f
nco
+δfd。其中，f
nco
包含了多普勒频偏观测量(含上行多普勒频偏δf
dop_up
和下行多普勒频偏δf
dop_dow
之和)和卫星转发器标称频率的频偏量δfs，δfd为地面站下行变频器的标称频率，通常δfd＝2750mhz，采用基带工作时钟f
clk
＝82mhz，相位累加器的位数n＝32，利用累加器的低24位(高位为符号位且低位23位为数据位)可以根据公式(13)的频率控制字的控制输出频率完成载波中心频率调整。
[0116]
进一步地，如图2b所示，在步骤s250中，确定该卫星的转发器频偏值，具体可以根据卫星链路模型计算卫星转发导航信号下行的发射时刻t
sv
卫星转发器的频偏δfs。
[0117]
因此，基于导航信号上行至卫星转发下行发射时刻t
sv
卫星对地面站的径向速度为v
sr
，结合卫星发射的真实载波频率f
s_out
可以表示地面站导航信号接收真实频率值为：
[0118][0119]
其中，f
c_in
即上述该地面站接收该卫星转发下行的导航信号的地面站接收真实频率。进一步地，地面站综合接收基带根据载波nco环路计算上报大环链路频偏值为：
[0120]
δf
cb
＝f
c_in-f
cs-fsꢀꢀ
(15)
[0121]
联立式(11)、式(14)和式(15)可以解算出卫星转发器的频偏值δfs为：
[0122][0123]
其中，该频偏值δfs为上述转发器频偏值。因此，基于上述公式(10)关于卫星转发下行发射时刻t
sv
的卫星对地面站的卫星星站径向速度v
sr
，可以确定上述该卫星的转发器频偏值δfs作为该至少一个分量频偏值中的一个分量频偏值。
[0124]
如图2a和图2b所示，根据本公开的实施例，在步骤s203该基于该卫星星站径向速度获取该导航信号对应该卫星信号发射时刻的至少一个分量频偏值中，还包括：
[0125]
根据该地面站上行至卫星的该导航信号的理论频率和该卫星星站径向速度确定该卫星运动引起的上行多普勒频偏值作为该至少一个分量频偏值中的另一个分量频偏值。
[0126]
如图2b所示，在步骤s260中，确定该卫星的上行多普勒频偏值。具体可以根据卫星对导航信号转发下行的发射时刻t
sv
计算上行多普勒频偏δf
dop_up
。
[0127]
其中，当上述地面站发射的导航信号上行至卫星，由于卫星运动引起的上行多普勒频偏值为：
[0128][0129]
其中，f
cs
为该地面站上行至卫星的导航信号的理论频率，δf为地面站综合基带预设频率预偏值，具体可以在地面站综合基带获得，v
sr
为上述公式(10)所确定的卫星转发下行发射时刻t
sv
的卫星对地面站的卫星星站径向速度v
sr
。
[0130]
根据本公开的实施例，在步骤s203该基于该卫星星站径向速度获取该导航信号对应该卫星信号发射时刻的至少一个分量频偏值之后，还包括：
[0131]
根据该至少一个分量频偏值对该地面站综合基带进行该导航信号的发射频率预置。
[0132]
如图2b所示，结合上述卫星转发器频偏值δfs和上行多普勒频偏值δf
dop_up
，可以通过地面站的综合发射基带对待发射的导航信号进行发射频率的预置。
[0133]
首先，可以在卫星链路状态稳定后，持续获得稳定的大环伪距时延值地面站的运控系统可以根据综合基带上报的状态进行系统频偏预置触发；之后，当地面站综合接收基带锁定伪码捕获状态、锁定伪码环路状态、锁定载波环路状态、锁定位同步状态和锁定帧同步状态时，触发系统进入计数状态，否则返回上述“系统频偏预置触发”的步骤；进一步地，判断以上五种状态(锁定伪码捕获状态、锁定伪码环路状态、锁定载波环路状态、锁定位同步状态和锁定帧同步状态)是否能够持续锁定30秒，如果满足持续30秒，则进一步触发系统对基带发射载波的频偏预置阈值，否则也返回上述“系统频偏预置触发”的步骤。其中，在“触发系统对基带发射载波的频偏预置阈值”过程中，需要判断设置的频偏值δf
dop_up
+δfs是否为当前预置的数值，如果不是当前预置数值，则将最新的频偏值δf
dop_up
+δfs设置给综合发射基带，以形成预置后的发射载波中心频率；如果是当前预置数值，则返回上述“系统频偏预置触发”的步骤。
[0134]
因此，基于本公开实施例的上述频偏校正方法，实现能够针对用户接收机高精度测速的基于地面站的测速源的构建，能够有效利用导航信号的发射上行及转发下行的特征，在地面站的收发基带进行接口计算及控制，从而实现简便而效费比极高的基于地面站的高精度测速源。
[0135]
如图3所示，本公开的另一方面提供了一种应用于地面站的导航信号的频偏校正装置300，其中，包括发射时刻确定模块310、径向速度确定模块320和分量频偏值获取模块330。
[0136]
发射时刻确定模块310用于根据星站距残差函数确定卫星转发该导航信号下行至该地面站的卫星信号发射时刻。其中，发射时刻确定模块310可以用于实现如图2a所示流程步骤s201的方法，在此不作赘述。
[0137]
径向速度确定模块320用于确定该卫星信号发射时刻对应的卫星星站径向速度。其中，径向速度确定模块320可以用于实现如图2a所示流程步骤s202的方法，在此不作赘述。
[0138]
分量频偏值获取模块330用于基于该卫星星站径向速度获取该导航信号对应该卫星信号发射时刻的至少一个分量频偏值，该至少一个分量频偏值用于地面站的导航信号的频偏校正。其中，分量频偏值获取模块330可以用于实现如图2a所示流程步骤s203的方法，在此不作赘述。
[0139]
需要注意的是，图3所示仅为可以应用本公开实施例的频偏校正装置300的示例，以帮助本领域技术人员理解本公开的技术内容，但并不意味着本公开实施例不可以用于其他设备、系统、环境或场景。此外，应用于地面站的导航信号的频偏校正装置300部分的实施例方式与应用于地面站的导航信号的频偏校正方法部分的实施例方式对应类似，并且所达到的技术效果也对应类似，在此不再赘述。
[0140]
图4示意性示出了根据本公开实施例的电子设备的框图。
[0141]
本公开的另一方面提供了一种电子设备，包括一个或多个处理器和存储器；存储器用于存储一个或多个程序，其中，当上述一个或多个程序被上述一个或多个处理器执行时，使得上述一个或多个处理器实现本公开实施例的方法。
[0142]
图4示意性示出了根据本公开实施例的电子设备的框图。图4示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。
[0143]
如图4所示，根据本公开实施例的计算机系统400包括处理器401，其可以根据存储在只读存储器(rom)402中的程序或者从存储部分408加载到随机访问存储器(ram)403中的程序而执行各种适当的动作和处理。处理器401例如可以包括通用微处理器(例如cpu)、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如，专用集成电路(asic))，等等。处理器401还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器401可以包括用于执行根据本公开实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。
[0144]
在ram 403中，存储有系统400操作所需的各种程序和数据。处理器401、rom 402以及ram 403通过总线404彼此相连。处理器401通过执行rom 402和/或ram 403中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。需要注意，所述程序也可以存储在除rom 402和ram 403以外的一个或多个存储器中。处理器401也可以通过执行存储在所述一个或多个存储器中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。
[0145]
根据本公开的实施例，系统400还可以包括输入/输出(i/o)接口405，输入/输出(i/o)接口405也连接至总线404。系统400还可以包括连接至i/o接口405的以下部件中的一项或多项：包括键盘、鼠标等的输入部分406；包括诸如阴极射线管(crt)、液晶显示器(lcd)等以及扬声器等的输出部分407；包括硬盘等的存储部分408；以及包括诸如lan卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分409。通信部分409经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器410也根据需要连接至i/o接口408。可拆卸介质411，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器410上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分408。
[0146]
根据本公开的实施例，根据本公开实施例的方法流程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读存储介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分409从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质411被安装。在该计算机程序被处理器401执行时，执行本公开实施例的系统中限定的上述功能。根据本公开的实施例，上文描述的系统、设备、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。
[0147]
本公开还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本公开实施例的方法。
[0148]
根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以是非易失性的计算机可读存储介质，例如可以包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。例如，根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以包括上文描述的rom 402和/或ram403和/或rom402和ram403以外的一个或多个存储器。
[0149]
附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代
表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0150]
本公开的另一方面提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，上述指令在被执行时用于实现本公开实施例的方法。
[0151]
具体地，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本公开实施例的应用于地面站的导航信号的频偏校正方法。
[0152]
或者，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本公开实施例的方法。
[0153]
本公开的另一方面提供了一种计算机程序，上述计算机程序包括计算机可执行指令，上述指令在被执行时用于实现本公开实施例应用于地面站的导航信号的频偏校正方法。
[0154]
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。
[0155]
附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0156]
本领域技术人员可以理解，尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
[0157]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种应用于地面站的导航信号的频偏校正方法，其中，包括：根据星站距残差函数确定卫星转发所述导航信号下行至所述地面站的卫星信号发射时刻；确定所述卫星信号发射时刻对应的卫星星站径向速度；以及基于所述卫星星站径向速度获取所述导航信号对应所述卫星信号发射时刻的至少一个分量频偏值，所述至少一个分量频偏值用于地面站的导航信号的频偏校正。2.根据权利要求1所述的应用于地面站的导航信号的频偏校正方法，其中，在所述根据星站距残差函数确定卫星转发所述导航信号下行至所述地面站的卫星信号发射时刻之前，还包括：确定所述导航信号对应所述地面站的地面站发射时刻；获取所述卫星信号发射时刻对应的卫星位置坐标。3.根据权利要求2所述的应用于地面站的导航信号的频偏校正方法，其中，在所述确定所述导航信号对应所述地面站的地面站发射时刻中，包括：确定与所述导航信号对应所述地面站的地面站接收时刻相对应的大环伪距时延；根据所述地面站接收时刻和对应大环伪距时延确定所述地面站发射时刻。4.根据权利要求2所述的应用于地面站的导航信号的频偏校正方法，其中，在所述确定所述导航信号对应所述地面站的地面站发射时刻中，还包括：根据导航信号对应的导航电文和对应导航电文的伪码参数确定所述地面站发射时刻。5.根据权利要求2所述的应用于地面站的导航信号的频偏校正方法，其中，在所述根据星站距残差函数确定卫星转发所述导航信号下行至所述地面站的卫星信号发射时刻中，包括：根据所述卫星位置坐标确定所述卫星信号发射时刻对应的星站距残差函数；通过所述星站距残差函数确定所述卫星信号发射时刻对应的时间增量，所述时间增量用于确定所述卫星信号发射时刻；其中，所述星站距残差函数为上行星站距残差函数或下行星站距残差函数。6.根据权利要求2所述的应用于地面站的导航信号的频偏校正方法，其中，在所述确定所述卫星信号发射时刻对应的卫星星站径向速度中，包括：根据所述卫星位置坐标确定所述卫星信号发射时刻对应的卫星星站径向速度。7.根据权利要求2所述的应用于地面站的导航信号的频偏校正方法，其中，在所述基于所述卫星星站径向速度获取所述导航信号对应所述卫星信号发射时刻的至少一个分量频偏值中，包括：根据所述地面站上行至卫星的所述导航信号的理论频率确定所述卫星转发下行至地面站的导航信号的卫星发射载波频率；根据所述卫星发射载波频率确定所述地面站接收所述卫星转发下行的导航信号的地面站接收真实频率；以及根据所述地面站接收真实频率和所述卫星星站径向速度确定所述卫星的转发器频偏值作为所述至少一个分量频偏值中的一个分量频偏值。8.根据权利要求2所述的应用于地面站的导航信号的频偏校正方法，其中，在所述基于所述卫星星站径向速度获取所述导航信号对应所述卫星信号发射时刻的至少一个分量频
偏值中，还包括：根据所述地面站上行至卫星的所述导航信号的理论频率和所述卫星星站径向速度确定所述卫星运动引起的上行多普勒频偏值作为所述至少一个分量频偏值中的另一个分量频偏值。9.根据权利要求1所述的应用于地面站的导航信号的频偏校正方法，其中，在所述基于所述卫星星站径向速度获取所述导航信号对应所述卫星信号发射时刻的至少一个分量频偏值之后，还包括：根据所述至少一个分量频偏值对所述地面站综合基带进行所述导航信号的发射频率预置。10.一种应用于地面站的导航信号的频偏校正装置，其中，包括：发射时刻确定模块，用于根据星站距残差函数确定卫星转发所述导航信号下行至所述地面站的卫星信号发射时刻；径向速度确定模块，用于确定所述卫星信号发射时刻对应的卫星星站径向速度；以及分量频偏值获取模块，用于基于所述卫星星站径向速度获取所述导航信号对应所述卫星信号发射时刻的至少一个分量频偏值，所述至少一个分量频偏值用于地面站的导航信号的频偏校正。

技术总结
本公开提供了一种应用于地面站的导航信号的频偏校正方法及装置。其中，该方法包括：根据星站距残差函数确定卫星转发该导航信号下行至该地面站的卫星信号发射时刻；确定该卫星信号发射时刻对应的卫星星站径向速度；以及基于该卫星星站径向速度获取该导航信号对应该卫星信号发射时刻的至少一个分量频偏值，该至少一个分量频偏值用于地面站的导航信号的频偏校正。因此，可以为转发式卫星导航系统提供测速源，该测速源可以供用户接收机实现高精度测速。测速。测速。


技术研发人员：胡正群 艾国祥 马利华 张丽荣 张亚琨 张杰 李靖华 裴军 吕昌 马冠一 崔君霞 杜晓辉 范江涛 庞峰 胡超
受保护的技术使用者：中国科学院国家天文台
技术研发日：2023.02.03
技术公布日：2023/10/20