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| title | tags | summary |
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| 多普勒频移与测距率 | doppler, frequency-offset, clock, ranging, tracking | 卫星运动如何改变其被接收到的频率,以及该频移如何换算为位置。 |
多普勒频移与测距率
卫星被观测到的频率与其发射频率不同,因为它在运动。这个差是跟踪系统的主要观测量,而把它换算成位置就是全部测距工作。
定义
多普勒频移是沿视线方向的相对运动所引起的观测频率改变。测距率是距离的变化率,它是同一个物理量:一个是频率,另一个是速度。
对沿径向以 v_r 运动、距离为 R 的卫星,接收频率的偏移为
delta_f / f = -v_r / c
接近使频率升高。非相对论形式对轨道速度已足够;相对论改正约为 10^-13 量级,只在时钟驯服实验中才有意义。
数学含义
双向频移
往返各一次的信号被偏移两次,因此观测到的相对频移为
delta_f / f = -2 * v_r / c
其中 v_r 为测距率。因子二就是同一颗卫星在双向跟踪下看起来频移加倍的原因,而忽略它的测距模型带有很容易漏掉的二倍误差。
由累积频移得到距离
对双向频移积分即得距离:
R(t) = R0 - integral 2 * c * v_r / f0 dt
这就是跟踪系统把距离测成频率的积分而非测时的原因。累积器随参考频率的任何误差漂移,因此参考时钟是整条链路上的限制环节。
由载波得到测距率
另一种做法是直接对载波相位求差,得到无需累积器的测距率。这是常用做法,但噪声大,因为相位噪声微分后被载波频率放大。取舍是干净的测距率换一个变差的测距率。
时钟偏移
与运动分开看,发射频率可能不等于标称值。航天器时钟与参考之间的频率偏移在短弧段上与测距率无法区分,因为两者都会移动相位。区分它们需要第二个可观测量,通常来自另一个站点的测距,或自参考的上行。
单位约定
- 频率:赫兹;偏移常以十亿分之一表示。
- 测距率:米每秒或千米每秒。
- 距离:千米,载波频率用赫兹,因子
2 c / f自带单位。 - 因子二适用于双向;单向即单次情形。
适用边界
多普勒对上下行共有的噪声不敏感,这正是受干扰环境下首选该观测量的原因:干扰机必须相干才能欺骗它。
该频移大到可测,又小到会混叠。若测距率估计误差超过每个采样间隔半个载波周期,跟踪就会回绕,恢复出的位置将完全错误。这是实际中的真实失效模式,也因此采样率必须相对动力学受限。
单向系统需要航天器上有稳定参考,双向系统需要地面有稳定参考。无论哪种,限制环节通常是时钟而非天线。
标准
- 距离与多普勒约定:CCSDS Space Link Protocol 规定的跟踪与数据链路消息
- 参考振荡器驯服:同一批文档的时间与频率部分
另见
- link-budget:是否有足够信号可测
- interference:相干干扰如何影响该测量
- tt-and-c:完整测量链路