星地测控链路高精度时频同步关键技术与验证

摘要

建立完备的星地测控网络是各国大力发展航空航天工业的重要原因之一，不论是导航定位系统，或是气象遥感系统，均属于星地测控网络的范畴。凭借出色抗干扰能力，直接序列扩频一直以来都是星地测控链路通信方式的首选。作为完成预定测控功能的前提，实现扩频信号的时频同步非常关键。
　　然而，特殊的通信环境和外部条件给接收信号带来两方面的影响：过长的通信距离与恶劣的信道使得接收信号功率大幅衰减，信噪比极低；卫星的高动态特性使接收信号的多普勒效应加剧。若不对接收信号进行精确的时频同步，整个测控业务将面临失败。
　　为此，论文针对采用直接序列扩频的星地测控链路的时频同步关键技术展开研究，主要包括：
　　一、针对链路5s的捕获时间要求以及最高达?150kHz的多普勒频偏，调研伪码捕获的三种方法，选择基于FFT的伪码快速捕获与多普勒频偏一维搜索相结合，差分相干积分45次提高信噪比。通过对接收信号先频偏预补偿，然后进行一次FFT运算与一次IFFT运算并差分相干积分45次后判决，在4.515s内完成伪码捕获。
　　二、针对伪码相位抖动，根据经典的伪码跟踪环路提出一种5路并行的伪码跟踪环路设计方案。通过给5条支路分别设置不同的伪码偏移，取与接收数据相关运算结果最大的支路作为最佳采样支路，完成伪码相位跟踪，精度可达1/4码片。
　　三、针对多普勒频偏预补偿后的残余频偏，使用对调制数据不敏感 Costas环进行相位差的锁定、补偿并计算出频差反馈至多普勒频偏预补偿。完成上述方案设计的Simulink仿真。
　　四、基于软件无线电平台，完成星地测控链路高精度时频同步关键技术验证。以FPGA芯片作为主要器件，Verilog作为编程语言，实现时频同步关键技术板上测试，各模块之间配合良好，能完成既定的功能。
　　论文对特定条件下星地测控链路时频同步关键技术进行探究与验证，研究成果已工程实现并测试，具有实用价值，可为我国星地测控网络建设提供参考与支持。

目录

声明

缩略词表

主要数学符号表

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 研究内容与贡献

1.3 论文结构与安排

第二章 扩频通信技术综述

2.1 引言

2.2 扩频通信简介

2.3 直接序列扩频系统分析

2.4 扩频序列

2.5 本章小结

第三章 星地测控链路时频同步需求分析

3.1 引言

3.2 星地测控通信系统

3.3 星地测控链路直接序列扩频信号时频同步难点

3.4 本章小结

第四章 星地测控链路时频同步方案设计

4.1 引言

4.2 伪码捕获方案设计

4.3 位同步方案设计与性能分析

4.4 伪码跟踪环路方案设计

4.5 残余频偏测量方案设计

4.6 本章小结

第五章 星地测控链路时频同步方案实现

5.1 引言

5.2 FPGA开发与实现平台

5.3 基于FFT的伪码快速捕获方案FPGA实现

5.4 位同步FPGA实现

5.5 伪码跟踪环路FPGA实现

5.6 频率偏移测量模块FPGA实现

5.7 测试与分析

5.8 本章小结

第六章 总结

6.1 论文总结

6.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

个人简历

攻读硕士学位期间的研究成果

学位论文评审后修改说明表