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重力卫星高精度测距系统观测量的降速率滤波算法

刘玄 杨珊珊 臧荣春

刘玄, 杨珊珊, 臧荣春. 重力卫星高精度测距系统观测量的降速率滤波算法[J]. 空间科学学报, 2023, 43(1): 156-163. doi: 10.11728/cjss2023.01.220321030
引用本文: 刘玄, 杨珊珊, 臧荣春. 重力卫星高精度测距系统观测量的降速率滤波算法[J]. 空间科学学报, 2023, 43(1): 156-163. doi: 10.11728/cjss2023.01.220321030
LIU Xuan, YANG Shanshan, ZANG Rongchun. Research on the Down-rate Filtering Method for Observations of Precision Ranging System of Gravity Satellite (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2023, 43(1): 156-163 doi: 10.11728/cjss2023.01.220321030
Citation: LIU Xuan, YANG Shanshan, ZANG Rongchun. Research on the Down-rate Filtering Method for Observations of Precision Ranging System of Gravity Satellite (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2023, 43(1): 156-163 doi: 10.11728/cjss2023.01.220321030

重力卫星高精度测距系统观测量的降速率滤波算法

doi: 10.11728/cjss2023.01.220321030
基金项目: 航天创新基金项目资助(21GFH-HT01-36)
详细信息
    作者简介:

    刘玄:E-mail:liuxuan0229@qq.com

  • 中图分类号: V556

Research on the Down-rate Filtering Method for Observations of Precision Ranging System of Gravity Satellite

  • 摘要: 在卫星时频传递、矢量测量技术领域,有效观测数据的高精度滤波处理十分重要,其基本要求是在保留有效观测信息的同时能够降低噪声干扰,实现原始信息的高效、高精度传递。以中国地球重力场测量卫星高精度测距系统的工程研制为背景,为实现高频噪声抑制、保留低频重力场信息,基于对FIR滤波器结构的优化和窗函数的改进,提出了一种对10 Hz采样率的原始测距数据降速率、降噪滤波的算法。相比其他类似算法,所提方法同时具备降速滤波和差分运算两种功能,噪声抑制抑制度优于44%,且频率截止特性陡峭,第一旁瓣抑制度达到–94 dB。该算法在提高测距精度、充分保留重力场信息的同时,实现了地面数据后处理流程的简化,为微波测量系统、激光测量系统的数据处理提供了一种优选方案。

     

  • 图  1  FIR滤波器的基本结构

    Figure  1.  Basic structure of FIR filter

    图  2  CEDF-7传递函数频率响应的时域曲线

    Figure  2.  CEDF-7 transfer function time domain curve

    图  3  卷积7次的CEDF测距滤波器频域响应(a)及时域特性(b)

    Figure  3.  Frequency domain response (a) and time domain characteristics (b) of the CEDF ranging filter with 7 convolutions

    图  4  KBR系统静态测试距离曲线(局部曲线呈现白噪声、闪烁噪声和随机游走噪声三种特征)

    Figure  4.  Static range curve of KBR system (local curve presents three characteristics: white noise, flicker noise and random walk noise)

    图  5  滤波器降噪性能时域对比(静态数据)

    Figure  5.  Time-domain comparison of filter noise reduction performance (using static data)

    图  6  滤波器降噪性能频域比对

    Figure  6.  Frequency domain comparison of filter noise reduction performance

    图  7  滤波器降噪性能时域比对(动态数据)

    Figure  7.  Time-domain comparison of filter noise reduction performance (using dynamic data)

    图  8  卷积7次的CEDF速度滤波器和加速度滤波器时域特性

    Figure  8.  Time-domain characteristics of CEDF velocity filter and acceleration filter with 7th convolution

    图  9  CEDF滤波器提取距离、速度和加速度的观测量实例

    Figure  9.  Example of CEDF filter to extract range, velocity and acceleration observations

    表  1  载荷数据生成参数

    Table  1.   Parameter configuration of payload test

    卫星号星间距离/
    km
    载噪比/
    (dB·Hz)
    测试时长/
    h
    原数据速率/
    Hz
    KBR-A22080710
    KBR-B22080710
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    表  2  参与对比的滤波器参数

    Table  2.   Filter parameters involved in the comparison

    滤波器名称阶数/抽取因子截止带宽/Hz第一旁瓣幅度衰减量/dB噪声抑制度/(%)
    CIC滤波器 50(抽取因子) 0.1 –80 25.4
    基于FIR半带滤波器 32阶 0.1 –85 33.0
    基于FIR降速抽取滤波器 50(抽取因子) 0.1 –91 43.0
    CEDF滤波器 7阶 0.1 –94 44.4
     参考图34,噪声抑制度为 $\left[ {1 - { { { {({\rm{RMS} })}_{0.2\; {\rm{Hz} } } } } \mathord{\left/ {\vphantom { { { {({\rm{RMS} })}_{0.2\; {\rm{Hz} } } } } { { {({\rm{RMS} })}_{10\; {\rm{Hz} } } } } } } \right. } { { {({\rm{RMS} })}_{10\; {\rm{Hz} } } } } } } \right] \times 100\% 。$
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    表  3  星间运动参数

    Table  3.   Inter-satellite motion parameters

    运动工况步进/mm幅度/mm速度/(mm·s–1加速度/(mm·s–2
    单向阶梯运动0.10.90.010.001
    双向往返运动550.10.01
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-18
  • 录用日期:  2022-05-30
  • 修回日期:  2022-11-13
  • 网络出版日期:  2023-02-13

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