伪码测距技术研究及FPGA仿真设计

论文摘要

随着星间技术的不断发展,具有自主导航功能的编队飞行小卫星星座受到广泛重视。卫星自主导航是编队小卫星实现其空间使命的基本要求之一。而卫星实现自主导航的前提条件之一是实现卫星之间的精确定位。在各种定位技术中,依托无线电应用的伪码测距技术有着一定的优势。对伪码测距技术的深入研究有重要的科学意义和应用价值。本文在现有文献的基础之上,以与第54研究所合作项目——星间精密测距为背景,深入研究了伪码测距技术,并进行了FPGA仿真设计。伪码测距理论的基础是伪码序列的相关特性。在发射端,测距伪码加载到一定频率的无线载波上。接收端接收到信号后对其进行前段处理和下变频对输出中频信息进行载波分离、伪码捕获和伪码跟踪,解算出伪码在星间的传输延迟时间,进而求解出卫星的相对距离,实现编队卫星定位。伪码测距技术研究的热点和难点主要集中在载波分离、伪码捕获和跟踪环节。本文首先研究了载波分离技术中锁相环实现本地相位与输入相位同步的原理;接着分析了传统的锁相环——Costas环的基本原理及数学模型;在此基础上针对传统的Costas环存在非相干模式下不能测量相位差、频差的缺陷,设计了一种基于周期反馈模式的新型Costas环,新型Costas环在实现原有功能的基础上可以完成在非相干模式下测量相位差和频差的功能。仿真分析验证了方法的可行性。研究了串行搜索捕获、循环相关搜索捕获、双门限的恒虚警率捕获这三种常用的捕获方法。分析了抖动相关环和超前-滞后环两种典型跟踪滤波环路。最后在ISE和ModelSim平台上,利用VHDL语言对伪码捕获跟踪环节进行设计前仿真设计。在测试文件中设置延迟参数,通过与测距输出数据作比较验证设计的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的意义及背景
• 1.2 各种星间测距技术的分类及特点
• 1.3 伪码测距技术的研究现状及应用前景
• 1.4 FPGA 与VHDL 简介
• 1.5 课题的研究内容
• 1.6 本章小结
• 第2章 伪码测距技术概论
• 2.1 伪码序列
• 2.2 微波测距体制
• 2.3 测距载波发射
• 2.3.1 信号调制
• 2.3.2 信号构成
• 2.4 天线前端及下变频设计
• 2.5 伪码接收处理
• 2.5.1 载波分离
• 2.5.2 伪码捕获
• 2.5.3 伪码跟踪
• 2.6 总体设计
• 2.7 本章小结
• 第3章 载波分离技术研究改进
• 3.1 载波分离技术研究
• 3.1.1 锁相环
• 3.1.2 Costas 环
• 3.2 周期反馈模式的Costas 改进设计
• 3.3 仿真研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 伪码捕获与跟踪
• 4.1 伪码捕获
• 4.1.1 时域串行搜索捕获
• 4.1.2 循环相关搜索捕获
• 4.1.3 双门限的恒虚警率捕获
• 4.2 伪码跟踪
• 4.3 本章小结
• 第5章 基于VHDL的FPGA设计
• 5.1 FPGA
• 5.2 VHDL 语言
• 5.3 测量系统设计
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介