全天空射电成像阵列的基线测量和信号同步方法

技术领域

本公开涉及射电观测的技术领域，尤其涉及全天空射电成像阵列的基线测量和信号同步方法。

背景技术

在射电天文观测中，为了进行综合孔径成像，射电阵列中不同天线的信号需要进行相关处理，且相关的信号在时间和相位必须是同步的，这就要求在观测时需确切知道天线单元之间的相对位置，从而能够对不同天线间的信号延迟进行精确的时间补偿。此外，不同天线信号的采样时钟也必须进行同步。

对于空间甚低频射电阵列，阵列的天线安装于不同的卫星上面。在完成天线的布设后，每个卫星天线在空间中的位置不同，分布的范围很大，最高可能几十到上百公里量级。由于不同天线之间的相对位置和距离的不同，以及各天线单元的信号时钟之间的不同步，都会导致不同天线到中心参考天线之间的信号链路差别很大。为了能够进行准确的射电综合孔径成像观测，空间中分布式天线之间的三维基线矢量的精确测量和不同天线之间的信号同步是关键技术之一。

传统的卫星间基线矢量的测量(包括测距和测角)采用的是激光或是微波的方式来进行。激光技术适用于点对点的通信，对于由一颗主星加若干颗子星组成的空间卫星编队来说并不太适用。微波技术可以用于一对多通信的情况，比较适合空间甚低频射电阵列的需求，但这一技术主要用于测距和信号的同步，并不能够实现天线位置和角度的测量。如果要进行测角，需要额外的设备，如星敏器件配合来进行，大大增加了卫星的荷载重量。

发明内容

鉴于上述问题，本公开提供了全天空射电成像阵列的基线测量和信号同步方法，以改善需要额外设备进行基线矢量测定，增加了卫星的荷载重量的问题。

本公开提供了一种全天空射电成像阵列的基线测量和信号同步方法，包括：确定两个待测的卫星天线及N个已知的射电源；以其中一个卫星天线为原点建立三维坐标系，获取N个射电源相较于坐标原点的第一俯仰角和第一方位角；基于第一相关运算计算每个射电源发出的信号在两个卫星天线上的时间差；基于第二相关运算，根据第一俯仰角、第一方位角和时间差计算两个待测的卫星天线之间的基线矢量；其中，基线矢量包括两个卫星天线之间的距离、第二俯仰角和第二方位角。

可选地，根据第一相关运算计算每个射电源发出的信号在两个卫星天线上的时间差，包括：在两个卫星天线之间的时钟相同的条件下，计算两个卫星天线之间的路径几何差作为时间差，根据路径几何差和第一相关运算获得的时间差构建如下第一关系式：

其中，ΔT为时间差，Δτ为路径几何差，c为光速值，θ

可选地，根据第一相关运算计算每个射电源发出的信号在两个卫星天线上的时间差，包括：在两个卫星天线之间的时钟不相同的条件下，计算两个卫星天线信号之间的路径几何差与两个卫星天线接收系统的时钟差之和作为时间差，根据时间差、路径几何差和时钟差构建第二关系式：

ΔT＝Δτ+Δt

其中，Δt为两个卫星天线接收系统的时钟差。

可选地，根据第一相关运算计算每个射电源发出的信号在两个卫星天线上的时间差还包括：对两个卫星天线上射电源信号的时间数据序列进行互相关运算，获取互相关函数，得到不同时间位移的相关结果；获取相关结果中的极大值，根据极大值对应的数据序列移位确定每个射电源发出的信号在两个卫星天线上对应的时间差。

可选地，获取相关结果中的极大值，根据极大值对应的数据序列移位确定每个射电源发出的信号在两个卫星天线上对应的时间差包括：对每一个极大值附近的时间位移序列进行高斯拟合，获得拟合曲线；将拟合曲线的幅度极大值对应的时间位移作为每个射电源发出的信号在两个卫星天线上对应的时间差。

可选地，基于第二相关运算，根据第一俯仰角、第一方位角和时间差计算两个待测的卫星天线之间的基线矢量包括：根据第一俯仰角、第一方位角、第二俯仰角、第二方位角、时间差和时钟差构建如下关系式作为第二相关运算：

其中，c为光速值，

可选地，基于第二相关运算，根据第一俯仰角、第一方位角和时间差计算两个待测的卫星天线之间的基线矢量包括：将第一关系或第二关系式代入第二相关运算中计算两个待测的卫星天线之间的基线矢量。

可选地，卫星天线的采样率采用90-120MHz。

可选地，卫星天线采用阵子天线。

可选地，卫星天线采用电小天线。

本公开实施例采用的上述至少一个技术方案至少包括以下有益效果：

相较于相关技术中采用微波链路技术、激光技术、星敏设备等来进行两个卫星天线之间基线矢量的测量，本公开通过利用待测的卫星天线和已知的射电源，不需要额外增加额外的星载设备，采用被动观测的方式即可测定两个卫星天线之间的基线矢量，大大的降低了两个卫星天线之间基线矢量测定的复杂度，且显著降低了卫星的荷载重量，减少研究成本，具有更好的经济性；

通过利用第一相关运算和第二相关运算在获得基线矢量的同时，也能够同步获得两个卫星天线之间的时钟差，保证信号同步，实现基线矢量的精准测量；

通过采用低频的电小天线同时观测多个射电源，利用毫秒级的原始采样数据即可快速实现两个卫星天线之间的信号同步和基线矢量的测定，一次测量即可完成，无需多次切换测量模式，测量的实时性更好；

相关技术中利用微波或激光技术等进行的基线矢量测量或信号同步，实际反映的是卫星平台及测量链路的参数，相较于相关技术，本公开利用科学观测的卫星天线系统进行测量，测量结果反映的也是科学卫星天线系统及信号链路自身的参数特征，从而使得观测数据更为精确；

该方法通过采用毫秒级的原始采样数据，在信噪比≤-10dB的情况下，也能够实现两个卫星天线之间测量距离的精度小于0.5米，方位角和俯仰角的测量精度小于0.1度；

本公开提出的方法不仅适用于射电成像阵列中卫星间基线矢量的测量和信号同步，对于空间卫星编队及地面大视场射电阵列中基线矢量的测量同样适用，具有较高的推广和应用价值。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了本公开实施例提供的一种全天空射电成像阵列的基线测量和信号同步方法的流程图；

图2示意性示出了本公开实施例提供的全天空射电成像阵列的基线测量和信号同步方法中射电源与卫星天线的示意图；

图3示意性示出了本公开实施例提供的全天空射电成像阵列的基线测量和信号同步方法中多个极大值幅度高斯拟合后的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

本公开实施例提供一种全天空射电成像阵列的基线测量和信号同步方法，

图1示意性示出了本公开实施例提供的一种全天空射电成像阵列的基线测量和信号同步方法的流程图。

参照图1，该全天空射电成像阵列的基线测量和信号同步方法例如可以包括操作S100～操作S400。

在操作S100中，确定两个待测的卫星天线及N个已知的射电源。

在操作S200中，以其中一个卫星天线为原点建立三维坐标系，获取N个射电源相较于坐标原点的第一俯仰角和第一方位角。

在操作S300中，基于第一相关运算计算每个射电源发出的信号在两个卫星天线上的时间差。

在操作S400中，基于第二相关运算，根据第一俯仰角、第一方位角和时间差计算两个待测的卫星天线之间的基线矢量。

其中，基线矢量包括两个卫星天线之间的距离、第二俯仰角和第二方位角。

图2示意性示出了本公开实施例提供的全天空射电成像阵列的基线测量和信号同步方法中射电源与卫星天线的示意图。

参照图2，根据本公开的实施例，在操作S100中，确定两个待测的卫星天线及N个已知的射电源。

其中，N≥4，由于本公开中未知参数包括基线矢量的三个参数和时钟差一个参数，因此至少需要四个射电源的信息进行相关计算。需要说明的是，该方法可以通过不少于四个射电源的信息进行计算，随着N数量的增大，能够增加原始采样数据的长度，从而获得更为准确的基线矢量测量和时钟差数据。

例如，本公开实施例以两个待测的卫星天线和五个已知的射电源为例进行观测计算，卫星天线采用阵子天线中的电小天线。

根据本公开的实施例，在操作S200中，以其中一个卫星天线为原点建立三维坐标系，获取N个射电源相较于坐标原点的第一俯仰角和第一方位角。

其中，将射电源与原点之间的连线记为第一连线，射电源在X和Z轴所在平面的正投影与原点连线记为第二连线，第一连线与第二连线之间的夹角为第一俯仰角，第二连线与X轴之间的夹角为第一方位角。需要说明的是，第二连线定义时不局限于射电源在X和Z轴所在平面的正投影与原点连线，研究人员可根据自己坐标系的设计重新定义，第一方位角也不局限于第二连线与X轴之间的夹角，研究人员可根据测量需求重新定义。

根据本公开的实施例，在操作S300中，基于第一相关运算计算每个射电源发出的信号在两个卫星天线上的时间差，包括操作S301～操作S303。

在操作S301中，对两个卫星天线上射电源信号的时间数据序列-进行互相关运算，获取互相关函数，得到不同时间位移的相关结果。

其中，卫星天线的采样率采用90-120MHz，本公开实施例中采样率采用100MHz。

具体的，对两个卫星天线上射电源信号的时间数据序列进行移位、相乘，得到不同的相关结果。

在操作S302中，获取相关结果中的极大值，根据极大值对应的数据序列移位确定每个射电源发出的信号在两个卫星天线上对应的时间差。

在操作S303中，分为两种情况：

情况一：在两个卫星天线之间的时钟相同的条件下，计算两个卫星天线之间的路径几何差作为时间差，根据路径几何差和时间差构建如下第一关系式：

其中，ΔT为时间差，Δτ为路径几何差，c为光速值，θ

情况二：在两个卫星天线之间的时钟不相同的条件下，计算两个卫星天线信号之间的路径几何差与两个卫星天线接收系统的时钟差之和作为时间差，根据时间差、路径几何差和时钟差构建第二关系式：

ΔT＝Δτ+Δt

其中，Δt为两个卫星天线接收系统的时钟差。

图3示意性示出了本公开实施例提供的全天空射电成像阵列的基线测量和信号同步方法中多个极大值幅度高斯拟合后的示意图。

参照图3，根据本公开实施例，为了获得更高精度的时间差，在操作S302中：

获取相关结果中的极大值，由于极大值的幅度可以反应射电源发出的信号的强度，因此可以根据极大值的幅度判断每个射电源所对应的极大值。

对每一个极大值附近的时间位移序列进行高斯拟合，获得拟合曲线。

将拟合曲线的幅度极大值对应的时间位移作为每个射电源发出的信号在两个卫星天线上对应的时间差。

其中，由于射电源发出的信号在被卫星天线接收时，已经进行了数字化采样，因此时间差是采样间隔的整数倍，也即时间差的误差最大可以达到一个采样间隔，使得经过高斯拟合获取的时间差，最高可以得到小于采样间隔十分之一的时间精度。

根据本公开的实施例，在操作S400中，基于第二相关运算，根据第一俯仰角、第一方位角和时间差计算两个待测的卫星天线之间的基线矢量，包括S401～操作S402。

在操作S401中，根据第一俯仰角、第一方位角、第二俯仰角、第二方位角、时间差和时钟差构建如下关系式作为第二相关运算：

其中，c为光速值，

在操作S402中，将第一关系或第二关系式代入第二相关运算中计算两个待测的卫星天线之间的基线矢量。

例如，本公开实施例中采用五个射电源进行计算，则第二相关计算为：

根据在操作S300中求得的五个射电源的时间差(分别记为ΔT

在两个卫星天线之间的时钟相同的条件下，Δt为0，其中，

由于

在两个卫星天线之间的时钟不相同的条件下，Δt＝ΔT-Δτ，

根据ΔT

其中

本公开中两个卫星天线之间基线矢量和时钟差这四个参数并不一定同时均为未知量，而在已知一个或两个参数的情况下，完全可以用较少的射电源求出未知量，计算更加高效。

以上所述的具体实施例，对本发明的技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。