本发明属于行星探测与多普勒信号处理领域，特别是设计一种多普勒信号频率精确估算方法和装置。
背景技术：
0、技术背景
1、在过去的几十年里，人类开展了一系列由近及远的深空探测任务，范围覆盖了从月球到火星、金星以及太阳系其他行星的广泛区域。在这一过程中，美国、欧洲和日本等地的航天机构相继发射了超过100个行星探测器，这些探测器极大地丰富了人类对太阳系的认知，提升了对宇宙探索的深度与广度。
2、行星探测器的多普勒信号是行星探测领域中至关重要的工具。分析发送到行星探测器以及由探测器返回的无线电频率信号的多普勒频移可以获取关于目标天体引力场、重力场、旋转动力学和轨道参数的详细信息。此外，分析多普勒信号还能够帮助测定航天器的速度，从而构建准确的轨道模型，并验证引力理论。分析利用行星探测器的多普勒信号显著促进了我们对行星、卫星和小行星动力学和结构的理解，是行星科学发展中至关重要的工具。
3、整体的多普勒测量系统根据上行链路和下行链路的构成类型主要分为三类：单程多普勒测量系统、双程多普勒测量系统和三程多普勒测量系统。
4、其中，双程多普勒测量系统应用广泛。在此系统中下行链路信号的接收中，信号通过vlbi天线接收行星探测器发射的信号数据，经由模拟高速下变频将信号的频率降为中频，此时信号频率在0.5～2mhz范围内。通过a/d采样器，将模拟信号转化为数字信号，并采用数字下变频技术再次降低信号的采样率，最后对信号的频率进行估计并输入到上位机中。
5、在多普勒信号频率估计方面，传统的算法主要分为时域法和频域法两大类。时域法包括过零检测法、相位拟合法和相位差加权平均法等，但在处理低信噪比信号时，以上方法往往表现出较低的精度。因此，频域法成为处理这类信号的主要手段。频域法主要包括比值法、频谱细化方法、能量重心法和相位差法等。其中，基于离散傅里叶变换的比值算法是一种常见的方法，但由于计算量的考虑，快速傅里叶变换也得到了广泛应用。然而，当信号频率接近量化频率点时，以上两种方法会引入较大的误差。
技术实现思路
1、本发明的目的是克服基于dft的迭代复数插值法迭代过程中计算量较大的问题，去除了算法中迭代和细估计的部分，并在此基础上加入多项式插值的方法，提供一种多普勒信号频率精确估算方法，通过去除算法中迭代和细估计部分，并且通过二次多项式拟合的方式，精确估计最大频峰所在的位置，提高算法的精度。
2、为达到上述发明目的，本发明的技术方案是多普勒信号频率精确估算方法，通过对传统的基于dft的迭代复数插值法深入研究，发现迭代和细估计对于信号频率估计的影响较小。因而进行去除算法迭代和细估计，减少计算量加快解算速度。并且为了进一步提高算法在低信噪比情况下的估计精确度，在此基础上加入多项式插值的方法，通过二次多项式拟合的方式，精确估计最大频峰所在的位置，进一步提高算法的精度。具体步骤如下：
3、s1，对多普勒复数信号进行补零操作，并进行傅立叶变换；
4、s2，利用步骤s1得到的结果，取傅立叶变换后的最大值点以及其周围的四个点对应的傅里叶变换值进行二次多项式拟合插值，得到插值后的最值点；
5、s3，以步骤s2得到的插值后的最值点为中心，取邻域内一定范围区间进行三线插值迭代计算得到频率残差值；
6、s4，利用频率计算公式，根据步骤s2得到的最值点、步骤s3得到的频率残差值和序列长度得到最终频率值。
7、进一步的，步骤s1中，多普勒复数信号x(n)具体公式为：
8、x(n)＝a(n)ej2πfn+w(n)
9、式中，n是离散时间索引，j是虚数单位，f是频率，a(n)是信号的振幅，w(n)为信号的相位。
10、进一步的，步骤s2中，进行二次多项式拟合插值的具体步骤为：
11、s21，取变换后的最大值点mk以及其周围的mk±2，mk±1.5，mk±1，mk±0.5对应的快速傅里叶变换值；
12、s22，通过最小二乘法求解拟合的多项式系数a,b,c得到二次多项式拟合插值公式；
13、s23，利用二次多项式求边界点函数值，和其求一阶导得零时函数值进行比较，其中较大的数值为利用二次多项式拟合插值公式得到插值后的最值取值点mr。
14、进一步的，步骤s21中，变换后的最大值点mk对应的快速傅里叶变换值x0计算公式为：
15、
16、式中，x2n(n)是多普勒复数信号，j是虚数单位，n是时间索引，2n是序列长度；
17、变换后的最大值点mk周围的mk±i′对应的快速傅里叶变换值x±i′计算公式为：
18、
19、式中，i′是距最大值点距离，取值为0.5、1、1.5、2。
20、进一步的，步骤s22中，通过最小二乘法求解拟合的多项式系数a,b,c的公式为：
21、
22、式中，z1到是变换后的最大值点mk以及其周围的n1个观测值，例如mk±2，mk±1.5，mk±1，mk±0.5，y1到是对应观测值的初始残差，即观测值减0，可理解成z1到在mk以及其周围观测值上的快速傅里叶变换值，n1是观测值数。
23、进一步的，步骤s23中，利用二次多项式求极值法得到其在边界点区间的极值，再与边界点取值进行比较，其中最大值即为拟合的多项式计算插值结果mr，具体步骤为：
24、step1、多项式函数值对独立参数t求一阶导，得到一阶导数表达式；
25、f(t)＝at2+bt+c
26、式中，f(t)是多项式函数值，t是独立参数，a，b，c为估计后的多项式系数；
27、
28、式中，表示f(t)在t处求一阶导；
29、step2、令一阶导数表达式导数值为0，求解独立参数t0数值大小；
30、
31、式中，t0表示在一阶导函数值为0时参数的取值；
32、step3、将t0带入f(t)中得到极值f(t0)；
33、step4、将t1＝mk+2,t2＝mk-2代入一阶导数表达式，得到f(mk+2)，f(mk-2)，所得f(t0)，f(mk+2)，f(mk-2)中最大值对应的t取值即为mr，得到插值后的最值点mr。
34、进一步的，步骤s3的具体实现方式为：
35、s31，取幅值最高点和最高点附近幅值计算残差；
36、s32，利用残差得到频率估计精确值，并计算期望值；
37、s33，利用期望值改进得到新的多普勒复数信号表达式，联立求解得到三线插值后的频率残差值。
38、进一步的，步骤s33中，将s31中计算残差公式变化为：
39、
40、式中，a1是信号的振幅，i表示迭代次数，x0是变换后的最大值点对应的快速傅里叶变换值，x±0.5是变换后的最大值点周围的mk±0.5对应的快速傅里叶变换值，j是虚数单位，n是时间索引，2n是序列长度；
41、对上面两个式子进行进一步推导得到：
42、
43、进而得到进行三线插值后的频率残差值：
44、
45、式中，h1(i+1)表示第i+1次迭代的频率残差值，h1(i)表示第i次迭代的频率残差值。
46、进一步的，步骤s4中，频率值f的公式为：
47、
48、式中，mr是插值后的最值点，是表示第i次迭代的频率残差值，2n是序列长度。
49、本发明还提供一种多普勒信号频率精确估算装置，包括：
50、一个或多个处理器；
51、存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如上述技术方案所述的一种多普勒信号频率精确估算方法。
52、本发明的有益成果：本发明基于dft的迭代复数插值法，在小行星探测任务中，利用一种多普勒信号频率精确估算方法实现对多普勒信号的分析。原算法的区别在于使用了多项式插值的方法，相对于三线性插值法，多项式插值法的一个主要优点在于其更高的数学拟合表现。多项式插值法通过在数据点之间拟合一个多项式函数来逼近数据的曲线，相比于三线性插值法的线性拟合，多项式插值提供了更高的自由度和更精确的逼近能力。多项式插值方法能够更好地捕捉数据间的复杂性和非线性特征，从而提供了更准确的插值结果。
1.一种多普勒信号频率精确估算方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种多普勒信号频率精确估算方法，其特征在于：步骤s1中，多普勒复数信号x(n)具体公式为：
3.根据权利要求1所述的一种多普勒信号频率精确估算方法，其特征在于：步骤s2中，进行二次多项式拟合插值的具体步骤为：
4.根据权利要求3所述的一种多普勒信号频率精确估算方法，其特征在于：步骤s21中，变换后的最大值点mk对应的快速傅里叶变换值x0计算公式为：
5.根据权利要求3所述的一种多普勒信号频率精确估算方法，其特征在于：步骤s22中，通过最小二乘法求解拟合的多项式系数a，b，c的公式为：
6.根据权利要求3所述的一种多普勒信号频率精确估算方法，其特征在于：步骤s23中，利用二次多项式求极值法得到其在边界点区间的极值，再与边界点取值进行比较，其中最大值即为拟合的多项式计算插值结果mr，具体步骤为：
7.根据权利要求1所述的一种多普勒信号频率精确估算方法，其特征在于：步骤s3的具体实现方式为：
8.根据权利要求7所述的一种多普勒信号频率精确估算方法，其特征在于：步骤s33中，将s31中计算残差公式变化为：
9.根据权利要求1所述的一种多普勒信号频率精确估算方法，其特征在于：步骤s4中，频率值f的公式为：
10.一种多普勒信号频率精确估算装置，其特征在于，包括：
