扩频测控地面站基带同步技术研究与实现

作     者：朱博文 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴皓威

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 

主      题：扩频测控 遥测测距 非相干伪码测距测速 捕获跟踪 频率相位压缩 

摘      要：测控技术是维持航空航天系统正常工作的关键技术,而测距测速是测控技术的重要组成环节。在现有的测量方案中,基于遥测信号的非相干扩频测距测速技术通过将测距信息插入遥测帧中一同传输,可以将有限的星上发射功率完全提供给遥测链路,不仅有效增加遥测信号信噪比,提高遥测数据的传输效率,而且能得到准确的测距测速结果,是目前最为高效的测控方案。在扩频测控系统中,测距精度取决于伪码相位的测量精度,测速精度取决于多普勒频偏的测量精度。为了提高扩频测控系统的测量精度,论文围绕地面站的基带技术展开,重点研究了地面站接收机的伪码同步和载波同步技术,主要研究内容如下:(1)针对并行码相位捕获算法存在的码长与FFT点数不匹配问题,研究了直接补零和双倍长度补零的预处理方法。仿真结果表明,双倍长度补零法的捕获性能优于直接补零法,其得到的伪码相关峰值不会随着码相位的偏移发生改变,在低信噪比环境下也有高的捕获概率。针对并行码相位捕获法存在频率搜索时间长的问题,设计了一种峰值比较搜索策略和一种频率压缩捕获方法。前者根据相关峰值随多普勒频偏单调变化的性质,比较移位前后两次峰值的大小即可判断频偏的正确搜索方向;后者通过将相邻的子载波频率进行压缩,达到节省频率单元搜索次数的目的。仿真结果表明,两种方法的捕获时间均缩短了1/2以上,更有利于实现大多普勒频偏环境下的捕获。(2)针对部分匹配滤波-快速傅里叶变换(Partial Matched Filter-Fast Fourier Transform,PMF-FFT)捕获法的相关峰值随多普勒频偏变化存在扇贝损失的问题,研究了加窗和补零的预处理方法。仿真结果表明,采用加窗或补零预处理后,扇贝损失改善明显,峰值损失由原先的0.35分别缩小为0.05和0.06。针对PMF-FFT捕获法相位搜索时间长的问题,设计了一种伪码相位压缩捕获方法。仿真结果表明,采用此种方式改进后的PMF-FFT算法捕获时间明显减少,更有利于长码和低信噪比环境下的捕获。(3)针对伪码跟踪环的精度问题,研究了非相干延迟锁定环的基本结构。给出了三种码环的鉴相方法以及环路滤波器的设计思路。仿真结果表明非相干延迟锁定环的跟踪精度高,动态范围大,适用于高精度航天测控系统中。针对载波跟踪环工作环境动态变化的问题,研究了锁频环辅助锁相环的双环载波跟踪方法。仿真结果表明,双环跟踪法在预设的信道环境中跟踪性能好,可容忍的动态应力大,不同的环路参数对跟踪精度和时间也有着不同的影响。(4)根据测控系统地面站的指标要求,设计了一套发射机和接收机的基带方案,并用硬件描述语言完成了地面站收发机的调制解调、扩频解扩、同步等功能。硬件仿真和实际测试结果表明同步算法性能良好,能够成功满足技术指标。