本發(fā)明屬于高動(dòng)態(tài)信號(hào)同步。

背景技術(shù)：

1、衛(wèi)星、飛行器等運(yùn)動(dòng)速度快，對(duì)于這類高動(dòng)態(tài)運(yùn)行的載體間的通信，其信號(hào)的多普勒頻移隨時(shí)間變化很快，即存在著由載體高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈多普勒效應(yīng)。高動(dòng)態(tài)環(huán)境不僅使得信號(hào)的多普勒頻移范圍很大，還存在多普勒頻移隨時(shí)間的變化率很快，甚至高階變化率很大的問(wèn)題，這加大了接收端捕獲和跟蹤信號(hào)的難度，嚴(yán)重影響了接收信號(hào)的質(zhì)量。

2、利用載體的運(yùn)動(dòng)特征計(jì)算收發(fā)載體之間的相對(duì)速度、加速度，進(jìn)而預(yù)測(cè)信號(hào)的多普勒和多普勒變化率的估計(jì)結(jié)果，通過(guò)在接收或者發(fā)送端的預(yù)補(bǔ)償大幅減小正常捕獲范圍。該方法在低軌衛(wèi)星通信中非常常見(jiàn)，首先根據(jù)星歷信息和終端位置估計(jì)出多普勒參數(shù)，然后在信管站或星上發(fā)射端進(jìn)行提前補(bǔ)償，進(jìn)而頻移捕獲范圍提升十倍以上。

3、衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)特征具有周期性和規(guī)律性，其星歷信息可以提前獲取或計(jì)算得到。但是，對(duì)于飛行器，特別是具有攔截作用的飛行器，其飛行軌跡動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)快變，現(xiàn)有的估計(jì)和預(yù)補(bǔ)償方法無(wú)法滿足應(yīng)用需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有高動(dòng)態(tài)運(yùn)行載體間通信多普勒頻移補(bǔ)償精度差，信號(hào)同步時(shí)間長(zhǎng)，頻率補(bǔ)償范圍小的問(wèn)題，現(xiàn)提供一種基于運(yùn)動(dòng)信息測(cè)量的高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)載體通信信號(hào)同步方法。

2、本發(fā)明所述的基于運(yùn)動(dòng)信息測(cè)量的高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)載體通信信號(hào)同步方法，包括：

3、步驟一、建立高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)載體的慣性參照坐標(biāo)系o-xyz，在坐標(biāo)系o-xyz中建立目標(biāo)載體的軌道動(dòng)力學(xué)方程組，利用所述動(dòng)力學(xué)方程組，計(jì)算獲得目標(biāo)載體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信息；

4、步驟二、根據(jù)所述目標(biāo)載體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信息，基于飛行器動(dòng)力學(xué)理論，利用制導(dǎo)律外推目標(biāo)載體速度規(guī)律；

5、步驟三、利用所述目標(biāo)載體速度規(guī)律，對(duì)所述目標(biāo)載體的速度進(jìn)行預(yù)測(cè)；

6、步驟四、建立快變信道下制導(dǎo)信號(hào)的多普勒變化新模型，利用預(yù)測(cè)的目標(biāo)載體的速度，計(jì)算多普勒頻移：

7、步驟五、利用所述多普勒頻移對(duì)目標(biāo)載體的通信信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的同步。

8、進(jìn)一步地，本發(fā)明中，步驟一中，目標(biāo)載體的軌道動(dòng)力學(xué)方程組為：

9、

10、其中，m是飛行器質(zhì)量，σ是滾轉(zhuǎn)角，kd是誘導(dǎo)阻力系數(shù)；l是目標(biāo)載體的升力，d是目標(biāo)載體承受的阻力，g為重力加速度，表示目標(biāo)載體縱向射程x的導(dǎo)數(shù)、表示目標(biāo)載體橫向射程y的導(dǎo)數(shù)，表示目標(biāo)載體海拔高度z的導(dǎo)數(shù)，v是目標(biāo)載體的速度，表示目標(biāo)載體運(yùn)動(dòng)速度的導(dǎo)數(shù)，γ是目標(biāo)載體的彈道傾角，相對(duì)水平參考線逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，表示目標(biāo)載體運(yùn)動(dòng)的彈道傾角的導(dǎo)數(shù)，ψ是目標(biāo)載體的航向角，目標(biāo)載體速度的水平分量與x軸的夾角，相對(duì)于x軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，表示目標(biāo)載體航向角的導(dǎo)數(shù)；其中，升力l和阻力d為：

11、

12、由于則有：

13、

14、ρ表示大氣密度；s為機(jī)翼參考面積；氣動(dòng)系數(shù)cl和阻力系數(shù)cd為：

15、

16、其中，是升力系數(shù)息率，cd0是零升阻力系數(shù)，kd是誘導(dǎo)阻力系數(shù)，cl表示升力系數(shù),cd表示阻力系數(shù),α是飛行器攻角。

17、進(jìn)一步地，本發(fā)明中，步驟一中，計(jì)算獲得目標(biāo)載體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信息的方法為：

18、根據(jù)目標(biāo)載體的控制方式，獲取制導(dǎo)指令加速度過(guò)載acmd，利用所述制導(dǎo)指令加速度過(guò)載acmd，計(jì)算目標(biāo)載體運(yùn)動(dòng)的攻角α和傾角σ；

19、

20、x1＝[sin(ψ),-cos(ψ),0]t

21、x2＝[-sin(γ)cos(ψ),-sin(γ)sin(ψ),cos(ψ)]t

22、其中，cl0是零攻角升力系數(shù)；

23、結(jié)合所述攻角α和傾角σ，再采用四階龍格-庫(kù)塔數(shù)值積分方法對(duì)目標(biāo)載體的軌道動(dòng)力學(xué)方程組求解，得到目標(biāo)載體運(yùn)動(dòng)的彈道傾角γ和運(yùn)動(dòng)速度v的外推結(jié)果，計(jì)算獲得目標(biāo)載體的下一時(shí)刻的實(shí)時(shí)速度。

24、進(jìn)一步地，本發(fā)明中，步驟二中，利用制導(dǎo)律外推目標(biāo)載體速度規(guī)律的方法為：

25、步驟二一、根據(jù)所述目標(biāo)載體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信息計(jì)算實(shí)時(shí)加速度，將實(shí)時(shí)速度和實(shí)時(shí)加速度轉(zhuǎn)換為測(cè)站坐標(biāo)系下的實(shí)時(shí)速度和實(shí)時(shí)加速度；

26、步驟二二、對(duì)測(cè)站坐標(biāo)系下的實(shí)時(shí)速度和實(shí)時(shí)加速度分解為切向和法向分量；

27、步驟二三、對(duì)目標(biāo)載體的實(shí)時(shí)速度和實(shí)時(shí)加速度分解為切向和法向分量進(jìn)行擬合，對(duì)下一時(shí)刻目標(biāo)飛行器的速度進(jìn)行擬合外推，獲取目標(biāo)載體速度規(guī)律。

28、進(jìn)一步地，本發(fā)明中，步驟二一中，將所述實(shí)時(shí)速度和實(shí)時(shí)加速度轉(zhuǎn)換為測(cè)站坐標(biāo)系的方法為：

29、建立轉(zhuǎn)換矩陣g：

30、

31、其中，j表示經(jīng)度，b表示緯度；利用所述轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行坐標(biāo)系o-xyz到測(cè)站坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換：

32、as(t)＝g·a(t)

33、vd(t)＝g·v(t)

34、其中，a(t)為目標(biāo)載體在坐標(biāo)系o-xyz下的實(shí)時(shí)加速度，v(t)為為目標(biāo)載體在坐標(biāo)系o-xyz下的實(shí)時(shí)速度，vd(t)為目標(biāo)載體測(cè)站坐標(biāo)系的速度，as(t)為目標(biāo)載體測(cè)站坐標(biāo)系的加速度。

35、進(jìn)一步地，本發(fā)明中，步驟二二中，對(duì)測(cè)站坐標(biāo)系下的實(shí)時(shí)速度和實(shí)時(shí)加速度分解為切向和法向分量的公式為：

36、vd,//(k)＝vd,//(k-t)+as,//(k)·t+s//(k)+ε//(k)

37、vd,⊥(k)＝vd,⊥(k-t)+as,⊥(k)·t+s⊥(k)+ε⊥(k)

38、其中，ε⊥(k)表示k時(shí)刻測(cè)量隨機(jī)誤差向量ε(k)的法向分量，ε//(k)表示k時(shí)刻測(cè)量隨機(jī)誤差向量ε(k)的切向分量，as,//(k)表示目標(biāo)載體k時(shí)刻加速度的切向分量，as,⊥(k)表示目標(biāo)載體k時(shí)刻加速度的法向分量，vd,⊥(k-t)表示目標(biāo)載體k-t時(shí)刻速度的法向分量，vd,//(k-t)表示目標(biāo)載體k-t時(shí)刻速度的切向分量，s//(k)表示k時(shí)刻測(cè)量的系統(tǒng)誤差向量s(k)的切向分量，s⊥(k)表示k時(shí)刻測(cè)量的系統(tǒng)誤差向量s(k)的法向分量；將統(tǒng)誤差表示為系統(tǒng)誤差參數(shù)的函數(shù)：

39、s(t)＝s(t,β)

40、其中，β表示系統(tǒng)誤差參數(shù)向量。

41、進(jìn)一步地，本發(fā)明中，步驟二三中，獲取目標(biāo)載體速度規(guī)律為：

42、φ(vd)＝‖vd(k)‖＝(vd,//(k)2+vd,⊥(k)2)1/2

43、a＝arctan(vd,⊥(k)/vd,//(k))

44、其中，vd,//(k)和vd,⊥(k)分別表示測(cè)站坐標(biāo)系下k時(shí)刻目標(biāo)載體速度的vd(k)的切向分量和法向分量；

45、vd,//(k)＝vd,//(k-t)+as,//(k)·t+s//(k)+ε//(k)

46、vd,⊥(k)＝vd,⊥(k-t)+as,⊥(k)·t+s⊥(k)+ε⊥(k)

47、其中，as,//(k)和as,⊥(k)分別表示測(cè)站坐標(biāo)系下k時(shí)刻加速度as(k)的切向分量和法向分量；ε//(k)和ε⊥(k)分別表示測(cè)量的隨機(jī)誤差向量ε(k)的切向分量和法向分量；

48、最終目標(biāo)載體速度規(guī)律簡(jiǎn)化為：

49、φ(vd)＝f(a,t)

50、a＝g(vd,t)

51、其中，t是k-t時(shí)刻至k時(shí)刻經(jīng)過(guò)的時(shí)間。

52、進(jìn)一步地，本發(fā)明中，步驟四中，多普勒頻移為：

53、fd＝((φ(vd)/λ)×cos(θ))

54、＝((f(vx(k-t),vy(k-t),vz(k-t),dv’xk,dv’yk,dv’zk,t)/λ)×cos(θ))

55、其中，fd為多普勒頻移，λ為載波波長(zhǎng)，θ是相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向與收發(fā)端連線的夾角，

56、(vxd,vyd,vzd)＝f(vx(k-t),vy(k-t),vz(k-t),dv'xk,dv'yk,dv'zk,t)k

57、vxd,vyd,vzd表示飛行器在測(cè)站坐標(biāo)系下的速度矢量x、y、z軸的分量，dv'xk,dv'yk,dv'zk分別表示在測(cè)站坐標(biāo)系下的對(duì)速度矢量的x、y和z方向分量的一階導(dǎo)數(shù)。

58、進(jìn)一步地，本發(fā)明中，步驟五中，利用所述多普勒頻移對(duì)目標(biāo)載體的通信信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒椋?/p>

59、根據(jù)多普勒頻移的估計(jì)值，將接收的目標(biāo)載體的通信信號(hào)的頻率范圍劃分為多個(gè)變化率子槽，通過(guò)查表的方式獲取每個(gè)變化率子槽的多普勒頻移的補(bǔ)償波形，將補(bǔ)償波形與接收的數(shù)據(jù)復(fù)乘，實(shí)現(xiàn)載波多普勒變化率的頻率補(bǔ)償。

60、本發(fā)明所述方法建立快變信道下制導(dǎo)信號(hào)的多普勒變化新模型，通過(guò)多普勒變化模型函數(shù)估計(jì)瞬時(shí)頻移，突破彈載算力約束，解決了飛行器等高動(dòng)態(tài)載體超高過(guò)載和三維隨機(jī)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的多普勒頻移大范圍快速變化問(wèn)題。首先，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基于制導(dǎo)律外推飛行器速度規(guī)律，可得到飛行器的速度和加速度信息；然后，建立快變信道下多普勒變化模型，將飛行器速度作為輸入可得到多普勒頻移變化值；最后，依據(jù)多普勒變化值進(jìn)行頻頻粗補(bǔ)償和頻頻細(xì)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)捕獲信號(hào)的快速同步。通過(guò)彈載先驗(yàn)信息導(dǎo)引，本發(fā)明所述方法可將多普勒捕獲范圍擴(kuò)大5倍，同步時(shí)間降低至2/3，實(shí)現(xiàn)彈道軌跡預(yù)測(cè)的頻移估計(jì)和補(bǔ)償。