运动平台卫星跟踪系统信号处理与实现研究

摘要

近年来，卫星通信与卫星跟踪技术的发展越来越成熟，在各个领域上应用也更加广泛。载体在与卫星实时通信过程中由于地理位置的改变，使得通信质量受到严重影响甚至通信中断，因此，运动平台上卫星跟踪技术成为当代一大研究热点。运动平台上卫星跟踪系统需能够隔离地理位置以及自身姿态的变化，实时调整天线阵列的波束指向，对卫星来波方向进行快速准确的测量以及持续稳健的跟踪。
　　本文针对运动平台上卫星跟踪系统的信号处理与实现进行研究，结合阵列信号波束形成、能量检测、角度测量等相关理论，以 FPGA器件为平台，设计搭建卫星来波方向的测量与跟踪系统，并通过仿真与测试验证系统功能，为大型运动平台跟踪系统的实现打下坚实基础。
　　首先介绍阵列信号波束形成基本理论，结合系统需求，给出接收信号的数学模型。介绍了系统整体结构框架、功能模块划分以及工作流程，给出系统关键模块的设计方案，为后续FPGA实现工作做铺垫。
　　然后介绍了数据缓冲、数字下变频、通道幅相误差校正等预处理模块的设计原理，完成预处理模块的FPGA实现。介绍了FPGA系统与波控单元、FPGA系统与DSP系统通信接口的设计原理，给出接口通信协议，完成接口模块的FPGA实现，保证基带数字信号处理单元与波控单元及DSP系统的实时通信。
　　接下来讨论了基于 CORDIC算法求解正余弦、反正切、求模等运算的 FPGA实现原理，并给出仿真结果，为系统关键算法的实现奠定良好基础。介绍了系统状态控制与时序控制模块的设计原理与 FPGA实现细节，然后详细说明了互相关能量检测、和差波束比幅测角、子阵相关比相测角等系统关键算法的设计原理，并完成其FPGA实现。
　　最后完成基于Signal Tap II逻辑分析工具的系统调试，主要包括预处理、接口控制以及角度测量等关键模块的调试。通过设计上位机软件与阵列信号产生器，模拟实际波控系统的功能以及阵列信号的产生过程，完成角度跟踪系统的闭环模拟测试，方位角与俯仰角的跟踪误差分别控制在0.6?和0.8?以内。

目录

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外发展现状

1.3 本文工作及内容安排

第二章 阵列信号处理与系统总体架构

2.1 相控阵天线原理与阵列接收信号模型

2.2 系统总体架构设计

2.3 系统关键模块方案设计

2.4 本章小结

第三章 预处理与接口模块的设计与实现

3.1 预处理模块的FPGA实现

3.2 系统接口模块的FPGA实现

3.3 本章小结

第四章 角度跟踪系统的设计与实现

4.1 基于CORDIC算法的运算模块的FPGA实现

4.2 系统控制模块设计

4.3 系统关键算法的FPGA实现

4.4 系统资源使用报告

4.5 本章小结

第五章 角度跟踪模拟测试系统设计与调试

5.1 角度跟踪模拟测试系统简介

5.2 角度跟踪系统测试

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 后续工作

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果