一种基于卫星仰角和多普勒频偏的低轨卫星非合作信号识别方法

本发明涉及卫星导航定位领域，具体为一种基于卫星仰角和多普勒频偏的低轨卫星非合作信号识别方法。

背景技术：

1、相比中高轨道卫星，低轨卫星具有信号落地强度高、传播时延低、发射成本较低等优势。近年来，随着卫星互联网等新兴产业的快速发展，全球已建成50余个低轨卫星星座，卫星数量显著增加。目前，绝大多数低轨卫星主要用于通信与遥感领域，并不直接提供导航定位服务。然而，基于卫星信号的多普勒效应，可利用低轨卫星通信或遥感信号中所含的多普勒频偏信息实现间接定位功能。由于这类低轨卫星不对外广播星历等导航数据，且其信号结构、伪码生成方式等关键信息通常未知，因此其信号被视为“非合作信号”。利用低轨卫星非合作信号进行定位，可作为全球卫星导航系统（gnss）的备用手段，在gnss信号受遮挡或被干扰时提供补充定位能力，具有重要的研究与实用价值。

2、然而，低轨卫星非合作信号无法被完全解调，难以从中直接提取卫星身份标识（id）信息，导致接收端无法判断所收信号具体来源于哪一颗卫星，进而无法结合卫星轨道信息实现定位功能，因此，对低轨卫星非合作信号的身份识别是至关重要的。目前，该领域的研究主要存在以下问题：

3、第一，依赖于商用卫星分析软件stk（satellite tool kit）进行卫星可见性分析。stk由美国analytical graphics公司开发，广泛用于航天任务分析与仿真。但该软件自6.0版本后已对中国禁售，存在技术依赖风险，且其内部实现机制不公开，不利于自主技术发展。

4、第二，在信号识别方面，通常采用将接收信号的频谱与目标星座中所有可见卫星的理论频谱进行匹配的方法。该类方法一般采用快速傅里叶变换（fft）进行频谱估计，但fft方法存在频率分辨率低、频谱泄漏等问题，影响了多普勒频偏估计的准确性，从而降低了信号来源识别的可靠性。

5、因此，亟需一种不依赖于国外专用软件、具备高精度频率估计能力，并能有效识别低轨卫星非合作信号来源的技术方法。

技术实现思路

1、针对低轨卫星非合作信号在定位应用中存在的卫星信号来源难以分辨的问题，本发明提出一种基于卫星仰角和多普勒频偏的低轨卫星非合作信号识别方法，可应用于识别导频信号为单音信号或调制类型为psk（phase shift keying, 相移）的低轨卫星信号；该方法在不使用stk软件的情况下，不仅可判断低轨卫星在指定空域是否可见，获知其可见时长，而且可通过采用现代谱估计方法对信号的功率谱进行高分辨率估计，获得多普勒频偏信息，进而可准确辨别接收到的信号来自于哪颗低轨卫星。

2、本发明的技术方案为：

3、一种基于卫星仰角和多普勒频偏的低轨卫星非合作信号识别方法，包括以下步骤：

4、s1：获取目标低轨卫星星座的tle数据，并基于sgp4轨道模型计算指定时刻卫星在teme坐标系下的位置与速度；

5、s2：将所述卫星的位置与速度从teme坐标系转换至ecef坐标系；

6、s3：在接收机初始位置处建立站心坐标系，基于接收机位置和卫星在ecef坐标系下的位置，在站心坐标系下计算卫星相对于接收机的仰角，并根据预设的仰角门限筛选出可见卫星集合；

7、s4：基于所述可见卫星集合中卫星与接收机在ecef坐标系下的相对位置及卫星速度，预测各卫星信号在接收机处的理论多普勒频偏值；

8、s5：接收低轨卫星信号，经下变频及调制消除处理后，采用基于ar模型的现代谱估计方法估计信号的实际多普勒频偏测量值；

9、s6：将所述理论多普勒频偏值与所述实际多普勒频偏测量值进行序列匹配，根据匹配结果确定接收信号的来源卫星。

10、进一步的，步骤s2中，所述坐标系转换具体包括：根据指定时刻计算格林尼治平恒星时；基于所述格林尼治平恒星时构建地球自转矩阵；利用所述自转矩阵将卫星位置从teme坐标系转换至ecef坐标系，且在转换卫星速度时，补偿因地球自转引起的线速度分量。

11、进一步的，步骤s3中，所述计算卫星相对于接收机的仰角具体为：根据接收机在ecef坐标系下的位置计算其经度与纬度；基于所述经度与纬度构建ecef坐标系至站心坐标系的转换矩阵；利用所述转换矩阵将卫星相对于接收机的相对位置矢量转换至站心坐标系；根据转换后相对位置矢量的天向分量计算仰角。

12、进一步的，步骤s4中，所述预测理论多普勒频偏值的公式为：

13、

14、其中，为卫星信号发射时的频率，为ecef坐标系下第颗卫星与接收机之间的相对位置矢量，为ecef坐标系下第颗卫星的速度矢量，为光速，表示矢量的模运算。

15、进一步的，步骤s5中，所述调制消除处理包括：若接收信号为bpsk调制，则对信号进行二次方运算；若接收信号为qpsk调制，则对信号进行四次方运算；若接收信号为单音导频信号，则直接进行谱估计。

16、进一步的，步骤s5中，所述采用基于ar模型的现代谱估计方法具体包括：计算处理后信号的自相关函数；基于所述自相关函数建立yule-walker方程；采用burg算法求解所述yule-walker方程，获得ar模型系数；根据所述模型系数计算信号功率谱，并通过检测功率谱峰值位置估计实际多普勒频偏值。

17、进一步的，步骤s4与步骤s5中，所述理论多普勒频偏值与所述实际多普勒频偏测量值均是在多个连续时刻分别形成的预测序列与测量序列。

18、进一步的，步骤s6中，所述序列匹配具体为：计算所述测量序列与每一个可见卫星的预测序列之间的欧氏距离；选取最小欧氏距离值，并将其与预设检测门限进行比较；若所述最小欧氏距离值不大于所述检测门限，则判定匹配成功，所述测量序列对应的信号来源于该预测序列对应的卫星。

19、进一步的，所述检测门限根据卫星轨道误差、接收机位置误差及测量噪声中的至少一种因素确定。

20、此外，本发明还提出一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法。

21、有益效果

22、本发明提出的基于卫星仰角和多普勒频偏的低轨卫星非合作信号识别方法，具有以下优点：

23、1、摆脱对外部软件的依赖：本发明完全基于公开tle数据和sgp4模型进行卫星轨道计算与可见性分析，不依赖于stk等国外商用软件，保障技术自主可控。

24、2、高精度频率估计：本发明采用基于ar模型的现代谱估计方法替代传统fft，显著提高多普勒频偏的估计分辨率与准确性。

25、3、有效实现信号来源识别：本发明通过仰角初筛与频偏精匹配的结合，可准确判定接收信号所属卫星，为非合作信号的应用奠定基础。

26、4、适用信号类型广泛：本发明可适用于导频单音信号及psk类调制信号，具有良好的通用性与实用价值。

27、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。