TT&C侧音测距关键技术研究及FPGA实现

论文摘要

航天测控通信网是航天工程的重要组成部分。迄今为止,我国已建成“C频段测控网”,及正在建设的“S频段测控网”和“TDRSS测控网”。测距单元是测控系统基带设备中的重要功能单元,为航天飞行器提供定位元素。目前,在航天测距系统中侧音测距技术具有最高的测距精度。本文以中国电子科技集团第十研究所某项目为背景,对侧音测距系统中的关键技术进行了详细的研究,提出了一些改进测距精度的方法,最后用FPGA实现了侧音测距功能单元。本论文主要完成以下工作:1)完成了直接数字频率合成的杂散分析。采用严格的信号分析方法,运用离散傅立叶变换(DFT)和傅立叶变换(FT),推导了理想状态和相位截短条件下的DDS输出频谱的数学表达式,并利用systemview仿真软件建立了DDS相位截短模型,通过仿真验证了分析结论的正确性。2)改进了TT&C系统中经典的FFT频率引导算法,增加了频谱对称性分析,在实现频率引导的同时完成了防载波频率错锁的功能。3)首次采用基于正交双通道相关原理的数字相关相位估计法来实现次侧音匹配和解模糊,降低了设备复杂度,提高了测距精度。针对低信噪比的情况,提出了基于平滑滤波的数据处理方法,提高了相位测量精度。对测距信道中加限幅器导致的测距信号信噪比恶化程度做了深入的理论分析。最后,分析了测距误差,并对其中一些引起测距误差的因素提出了改善方法。通过本论文的工作,成功的完成了TT&C侧音测距终端的研制,系统现已通过测试,达到系统任务书的各项指标要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 综合基带设备的发展
• 1.3 测距技术的发展
• 1.4 本论文的主要工作
• 第二章 侧音测距的基本理论
• 2.1 侧音测距
• 2.1.1 侧音测距的原理
• 2.1.2 侧音测距的设备及测距流程
• 2.1.3 侧音测距法的相位分析
• 2.1.4 测距分系统的标校
• 2.2 侧音测距的关键技术
• 2.3 本章小结
• 第三章 直接数字频率合成的杂散分析
• 3.1 直接数字频率合成的原理
• 3.2 理想条件DDS 输出频谱
• 3.3 实际参数DDS 输出频谱
• 3.3.1 相位截短条件下DDS 的杂散分析
• 3.3.2 幅度量化效应对DDS 输出频谱的影响
• 3.3.3 DDS 输出频谱的Systemview 仿真
• 3.4 改善DDS 输出频谱的方法
• 3.5 本章小结
• 第四章 改进的FFT 载波频率快速捕获算法
• 4.1 信号的DFT 谱分析
• 4.2 下行信号的时域分析
• 4.3 下行载波的频域分析
• 4.4 经典的FFT 频率引导算法
• 4.5 改进的FFT 频率引导算法
• 4.6 仿真结果
• 4.7 本章小结
• 第五章 基于数字相关相位估值的侧音恢复及解模糊
• 5.1 锁相环软件解距离模糊方法
• 5.1.1 侧音发送
• 5.1.2 侧音恢复
• 5.1.3 软件解模糊
• 5.2 数字相关相位估值法
• 5.2.1 数字相关相位估值法的原理
• 5.2.2 数字相关相位估值法的性能分析
• 5.2.3 基于数字相关的侧音恢复及解距离模糊
• 5.2.4 减小相位测量误差的数据处理方法
• 5.3 测距信道中限幅器的影响
• 5.4 测距精度分析
• 5.4.1 随机误差
• 5.4.2 系统误差
• 5.5 本章小结
• 第六章 侧音测距终端的FPGA 实现
• 6.1 芯片及开发软件介绍
• 6.1.1 FPGA 芯片及开发工具
• 6.1.2 Verilog HDL
• 6.1.3 DSP 芯片及其开发软件
• 6.2 测距终端的FPGA 实现
• 6.2.1 中频接收机的实现
• 6.2.2 侧音产生模块的实现
• 6.2.3 分频链的设计
• 6.2.4 数字相关器的设计
• 6.2.5 距离提取模块的设计
• 6.3 DSP 控制器的设计
• 6.4 测试结果
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结及展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻硕士期间取得的研究成果