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深空微弱高动态信号捕获与跟踪算法研究与实现

曾富华  
【摘要】: 探月工程的启动标志着我国太空探测延伸到深空,深空测控通信系统不同于现有的地基测控系统、天基测控系统、遥感地面接收站和卫星通信站,有着自己的特点和特殊技术问题。 本文对深空通信系统中的系统捕获、跟踪等若干问题进行了深入研究。深空站要接收来至太阳系其他远地行星发回的信号,信号到达地球已经很微弱,同时由于飞行器运动姿态的复杂性导致接收信号频率具有很大多普勒动态;本文首先讨论了基于维纳准则的超窄带锁相环结构,并进行了仿真分析。 高阶窄带环路对频率及频率斜率捕获有较高的要求,本文讨论了基于周期图的估计方法,以及在动态信号特性下周期图估计性能,提出了适合具有频率斜升动态的改进周期图估计方法;并对算法的实现性进行了分析研究。 窄带锁相环只能对某些固定特性动态信号实施跟踪,当输入信号具有更高阶动态特性的时候,需要辅助频率跟踪,传统的如FLL辅助跟踪方法由于其鉴频器具有较高的门限效应,无法在极低信噪比下实现跟踪。本文讨论了基于扩展卡尔曼滤波的频率跟踪算法,并分析了算法的收敛性、稳态误差等特性,讨论了参数化设计方法。 本文最后讨论了锁相环算法及频率捕获算法的全数字化实现结构,分析了锁相环在极低信噪比下硬件实现的几个关键技术;着重讨论了大范围快速频率捕获算法的硬件实现结构;硬件设计经过了测试验证。


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