基于图像位移的低轨卫星自主导航技术

基于图像位移的低轨卫星自主导航技术（精选2篇）

基于图像位移的低轨卫星自主导航技术 篇1

基于GPS的低轨伴飞卫星自主导航轨道确定

对基于EKF算法的相对导航滤波器和基于全球卫星定位系统(GPS)伪距测量的伴飞星定轨进行了研究.用几何法与相对动力学方法联合获得目标星轨道信息,给出了伴飞卫星伪距测量定位的模型.仿真结果表明:该定轨方法可用于低轨卫星实时定位导航,定轨精度较高.

作 者：杨文博 李英波 施常勇 周曜 作者单位：杨文博,李英波,施常勇(上海航天控制工程研究所,上海,33)

周曜(中智上海经济技术合作公司,上海,200030)

刊 名：上海航天 PKU英文刊名：AEROSPACE SHANGHAI年，卷(期)：27(2)分类号：V412.41关键词：伴飞星 自主导航 全球卫星定位系统 扩展Kalman滤波 伪距 定轨

基于图像位移的低轨卫星自主导航技术 篇2

参考文献[1]提出了Interplex,并给出多路复用调制系数和调制效率通式,对两路信号互复用进行了分析。参考文献[4]介绍了Galileo三路信号Interplex和GPS系统三路信号CASM复用如何实现恒包络星座图并比较了功率谱密度。参考文献[5]研究了CASM技术和多数表决法,分别给出GPS系统3、4和5路信号复用情况下,调制效率与功率比之间的关系,以及N路复用调制效率通式。参考文献[6]介绍了GPS Block IIR-M的L1/L2和Galileo系统的E1/E6,导航信号的复用方案。参考文献[7]给出了功率效率最大化的功率配置方式和调制效率的下限。参考文献[8]分析了C/A和P(Y)码互复用的性能。

诸多文献主要分析功率比与调制效率的关系,均未研究功率比与峰均比的关系,也未研究4路信号Interplex互复用,然而峰均比性能限制了功率比的选择范围。本文主要以低轨卫星扩频通信系统为例,深入研究Interplex互复用技术,仿真分析了3、4路信号复用情况下的调制星座图、调制效率和峰均比,并给出功率比合适的选择范围。

1 恒包络调制技术———Interplex

互复用调制是一种特殊的相移键控/相位调制(PSK/PM),其基本原理是生成互调项(IM-Inter-Modulation)信号与各信号组合成具有恒包络特性的混合信号。互调项的个数根据输入信号个数不同而不同,是输入信号的所有或部分与一个特定功率比例因子的乘积,这个比例因子是与各路信号功率有关的函数。

互复用调制可以表示如下[1]:

式(1)、式(2)中:s1,…,sn(t)为调制信号,低轨卫星扩频通信系统中假设sn(t)=dn(t)·cn(t),dn(t)为数据信息,cn(t)为扩频码,且sn(t)=±1;θn为调制系数(调制角度),它的大小决定了各路信号的功率分配;P为信号总功率;fc为载波频率;N为复用信号数,φ为任意初相。

当sn(t)=±1时,把式(2)代入式(1)可化简得式(3):

式(3)中:Pc为未经信号调制的载波功率,其值由调制系数θ1,θ2,…,θN决定;Pk为k路的数据功率(k>1);PIM1PIM2为互调分量IM1(t),IM2(t)的功率。

2 Interplex调制的实现

以下所有公式推导都假设调制系数θ1=-π/2(即可以获得易于实现的正交调制器结构),并将导频信号调制在Q路,即导频作为s1(t),其他数据信号调制在I路。

2.1 三路信号Interplex公式推导

导频信号与两路数据信号复用,由式(1)、式(2)推导3路信号互复用可表示为式(4)[4]。

互调分量为IM(t)=s1(t)s2(t)s3(t)sinθ2sinθ3。实际功率如下式所示:

2.2 4路信号Interplex公式推导

导频信号与3路数据信号复用,由式(1)、式(2)推导得到4路信号互复用可表示为:

互调分量为:

实际功率如下式所示:

2.3 Interplex调制实现框图

由式(4)得三路信号互复用调制实现图,如图1所示。

由式(6)可得到4路信号互复用调制实现框图。

对3、4路信号直接复用星座图和互复用调制星座图进行比较。

直接复用的复用信号公式相对于互复用信号公式(4)和(6),分别不含IM(t)项、IM1(t)和IM2(t)项,直接复用的复用信号zd(t)如下:

对于3路信号互复用,假设|θ2|=|θ3|=0.615 5,则P2=0.5·P1,P2=P3。对于4路信号互复用,假设|θ2|=|θ3|=|θ4|=0.615 5。则P2=0.5·P1,P2=P3=P4。

直接复用星座图和互复用调制星座图如图2所示。

图2左上图和左下图分别是3路信号直接复用和互复用调制星座图,图2右上图和右下图分别是4路信号直接复用和互复用调制星座图,由以上两组图对比可见互复用调制星座图具有恒定包络特性。

3 Interplex调制仿真分析

3.1 调制效率分析

调制效率(η)[1]作为衡量恒包络算法优劣的重要指标,表征了有用信号功率在信号总功率中所占的比重,定义为:

定义功率比:αk=Pk/P1(k>1),α1=1,即αk为Pk(k>1)与P1的功率比。则调制系数和调制效率可表示为:

为了使有用信号调制效率最大,由式(12)得:令载波功率Pc为0,则Pc取决于各调制系数。由式(10)得:Pc取0,则调制系数θ1=±π/2。式(12)可化简为下式:

由于将导频信号调制在Q路,即导频作为s1(t),其他数据信号调制在I路,各路数据信号对功率要求相同,因此令各路数据信号功率相等,则Pk=α·P1(k>1),α为某一路数据信号和导频功率比。

由图3可知,当功率比α相同时,N越大,调制效率越低;当N相同时,功率比α越大,调制效率越低;当N=2时,η=1。

由以上分析有如下结论:

(1)对于各路信号功率确定时,当αk=Pk/P1≤1,即s1(t)取各路信号中功率最大的信号时,可使有用信号的调制效率最高。如图3,功率比α越小(即s1(t)功率越大),调制效率越高。当导频作为s1(t)时,由于下行同一信道信号同步,捕获跟踪导频即可,导频功率最大,便于终端捕获跟踪导频。

(2)当αk→0时,由式(13)可知η→1,故当s1(t)的功率远远大于其他各路信号的功率时,使用互复用调制进行恒包络处理可得到接近1的调制效率。

利用以上结论进一步详细分析调制系数(或信号功率比)与调制效率的关系。

在θ1=-π/2,|θ2|=|θ3|=…=|θn|(n>1),Ppilot代表P1(s1(t)功率强度)的条件下:

假设各数据信号功率相等,即P2=P3=P4=…,令PS代表某一数据信号功率强度,代替P2、P3、P4等,令功率比α=PS/Ppilot。

3、4路互复用调制,将导频信号调制在Q路作为s1(t),其余数据信号调制在I路。部分调制效率如表1所示。

由表1可知,对于3路和4路互复用调制,当α<0.5时,调制效率η大于80%,α在0.1～0.2之间时,调制效率η大于90%,当α<0.1时,调制效率η增加已不明显,趋近于100%。所以保证大于80%的调制效率则选取α在0.1～0.5之间。

3.2 峰均比分析

峰均比[9],或称为峰均功率比PARR(Peak-to-Average Power Ratio)作为衡量恒包络算法优劣的另一个重要指标,表征信号峰值功率和平均功率之比,定义为:

通常使用CCDF(互补累积分布函数)曲线表现峰均比性能。CCDF定义为:

式(15)中z为峰均比的门限值。

CCDF曲线坐标的意义:当y坐标取1%时,PAPR超过x坐标上门限值的概率为1%,

在3.1节给定的调制系数的条件下选取不同功率比α,对扩频通信中成形滤波后的每个码片分别计算峰均比,进行性能分析。

导频信号和其他信号数据速率取2.4 kb/s,采用扩展m序列(m序列最长连0后补一个0)扩频,码长512,码速率取1.228 8 Mb/s,进行8倍过采样,采用滚降因子为0.3的升余弦成型滤波器。

仿真数据符号取24 000个,即利用1.228 8×107个码片,分别对每个码片求峰均比,描绘峰均比性能曲线。3路和4路信号互复用峰均比性能如图4所示。

图4(a)曲线当CCDF<0.1%、图4(b)曲线当CCDF<0.05%时没有超过峰均比门限值的点。所以统计CCDF=1%时的数据,3路和4路信号互复用调制峰均比仿真结果统计如表2所示。

3,4路信号采用直接复用调制,当CCDF=1%时,功率比α=1.0对应的PAPR分别为5.26 dB、6.55 d B,功率比α=0.5对应的PAPR分别为4.73 dB、5.83 dB。可见进行恒包络处理的互复用调制相对于直接复用调制峰均比性能有明显的改善。

3路信号互复用调制,当CCDF=1%时,功率比α与PAPR关系如图5所示。

由图5仿真结果可知:3路信号互复用调制,当CCDF=1%时,α<0.5或1<α<2的情况下,随着功率比α的减小,PAPR增大,峰均比性能变差;α>2或0.5<α<1的情况下,随着功率比α的增大,PAPR增大,峰均比性能变差。α=2或0.5时,峰均比性能最优。在0.125<α<8的范围内,PAPR最大差值为0.23 dB。

4 路信号互复用调制,当CCDF=1%时,功率比α与PAPR关系如图6所示。4路信号互复用调制,当CCDF=1%时,0.55<α<1或0.23<α<0.23的情况下,随着功率比α的增加,PAPR增大,峰均比性能变差。0.33<α<0.55或α<0.23的情况下,随着功率比α的减小,PAPR增大,峰均比性能变差。在0.125<α<8的范围内,α取值为0.33、1和3时,峰均比性能较差;α取值为0.23、0.55、1.89和4时,峰均比性能较优;PAPR最大差值为0.32 dB。

恒包络调制技术-Interplex利用互调项使得互用信号具有恒包络特性。由以上分析得到以下结论:

(1)3路和4路互复用调制,随着功率比α的减小,调制效率增大,保证80%以上调制效率选取功率α比小于0.5。

(2)3路互复用调制,α=2或0.5时,峰均比性能最优。4路互复用调制,在α<0.5范围内,α=0.33峰均比性能较差,α=0.23峰均比性能最优。

综合考虑调制效率和峰均比性能,3路互复用调制,功率比α的最佳选取范围为0.2～0.5。4路互复用调制,功率比α的最佳选取范围0.22～0.24。得到的结果可以作为恒包络调制信号在经过非线性功放后误码率性能分析的输入条件之一。

随着未来系统复用信号数的增加,调制效率与峰均比性能之间的矛盾愈发明显,恒包络调制技术研究愈发重要。

参考文献

[1]BUTMAN S,TIMOR U.Interplex-an efficient multichannelPSK/PM telemetry system[J].Communications,IEEE Trans-actions on.1972,20(3):415-419.

[2]DAFESH P A,NGUYEN T M,LAZAR S.Coherent adap-tive subcarrier modulation(CASM)for GPS modernization[C].Proceedings of 1999 ION National Technical Meeting,SanDiego,Jan.1999.

[3]ORR R S.Code multiplexing via majority logic for GPSmodernization[C].Proceedings of the ION International Tech-nical Meeting,Nashville,USA,September 1998.

[4]REBEYROL E A M C.Interplex modulation for navigationsystems at the L1 band[J].Proceedings of the NationalTechnical Meeting of the Institute of Navigation,ION-NTM.2006.

[5]FAN T,LIN V S,WANG G H,et al.Study of signalcombining methodologies for future GPS flexible navigationpayload(Part II)[Z].2008:1079-1089.

[6]HOLMES J K,RAGHAVAN S.A summary of the newGPS IIR-M and IIF modernization signals[C].VehicularTechnol ogy Conference.IEEE,2004.

[7]吴勇敢,刘亚欢,李国通,等.导航信号生成互复用技术研究[J].宇航学报,2011,32(7):1457-1461.

[8]DAFESH P A,COOPER L,PARTRIDGE M.Compatibilityof the interplex modulation method with C/A and P(Y)code Signals[C].Proceedings of the 13th InternationalTechnical Meeting of the Satellite Division of the Instituteof Navigation.,Salt Lake City,UT,September 2000.