低轨卫星高动态通信链路同步技术研究.pdf

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1、低轨卫星高动态通信链路同步技术研究崔诵祺2015年6月中图分类号UDC分类号低轨卫星高动态通信链路同步技术研究作者姓名崔诵祺学院名称信息与电子学院指导教师安建平教授答辩委员会主席吕昕教授申请学位工学博士学科专业通信与信息系统学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月6日ResearchonSynchronizationTechniquesinHighDynamicCommunicationLinksofLEOSatellitesCandidateName:CuiSongqiSchoolorDepartment:InformationandElectronicsFacul

2、tyMentor:Prof.AnJianpingChair,ThesisCommittee：Prof.LvXinDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：CommunicationandInformationSystemDegreeby:BeijingInstituteofTechnologythTheDateofDefence：Jun6,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获

3、得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要本文针对低轨卫星高动态通信链路中的同步技术展开研究，分析了现代卫星通信同步技术领域面临的主要难点及其发展趋势，并以此为基础，将低轨卫星高动态通信链路中的同步问题细化提炼为三个子问题：即低信噪比、大频偏、快速时变频率条件下的载波频率捕获问题；低信噪比、快速时变频率条件下的载波相位跟踪问题；低信噪比条件下的快速突发帧同步问题。本文的主要研究内容和创新性成果如下：（1）分析了线性调频（LFM

4、）信号的频谱扁平化效应，并提出LFM信号“最佳检测区间”的概念，推导了最佳检测区间的理论表达式及其检测性能；论述了标准离散Chirp傅里叶变换（DCFT）算法用于高动态通信链路载波频率捕获时存在分辨率不足的问题，并据此提出改进的MDCFT算法，通过引入分数因子至Chirp基函数中，细化目标区域的分辨率；针对LFM信号参数估计问题，提出基于MDCFT的频率-调频率二维空间最大似然搜索算法，分析了算法的计算复杂度；在此基础上，提出计算效率更高的基于可变规模MDCFT（VS-MDCFT）的参数估计算法，将原本计算量消耗巨大的MDCFT拆分为两个规模较小的子MDCFT，在保证捕获概率没

5、有明显降低的前提下缩减了约60%的计算量。针对非线性调频（NLFM）信号参数估计问题，论述了“最佳检测区间”对NLFM信号的适用性，并据此提出基于最佳检测窗多项式Chirplet变换（ODW-PCT）的参数估计算法。理论分析和仿真表明，配有最佳窗函数的ODW-PCT算法的捕获概率明显优于一般PCT算法。（2）推导了低轨卫星高动态通信链路在载波相位跟踪阶段的信号模型，给出基于贝叶斯估计理论的一般载波相位跟踪结构。分析了标准卡尔曼滤波（KF）应用于载波相位跟踪系统的局限性，并推导扩展卡尔曼滤波（EKF）和粒子滤波（PF）用于载波相位跟踪时的一般信号处理流程。从粒子滤波重要性采样密度

6、函数的选取问题出发，提出强激励增广粒子集似然排序采样算法，通过增强激励噪声和扩大粒子集规模两方面措施，获得更多数量的贴近于后验概率分布的可靠粒子；同时，通过似然值排序机制将最新测量数据信息引入粒子生成过程中。理论分析和仿真结果表明，基于强激励增广粒子集似然排序采样的粒子滤波算法，其跟踪稳定性和准确性较卡尔曼滤波类算法和标准粒子滤波算法有明显提高。（3）分析了系统状态空间模型对基于贝叶斯估计的载波跟踪系统的性能影响，I北京理工大学博士学位论文论证了一般载波跟踪系统所用高阶项截断模型的局限性。借鉴雷达目标跟踪领域中的机动目标建模技术，从多普勒效应的产生机理出发，论证了机动目标建模技

7、术应用于高动态载波跟踪系统的可行性和优越性，并提出基于四维CS状态空间模型辅助的载波跟踪算法，其在Jerk环境下的跟踪性能比采用高阶项截断模型的一般载波跟踪算法改善约1dB。论述了采用单一动力学模型的载波跟踪算法无法在具有快速时变相对运动状态的高动态通信链路中取得最优性能，并以此为背景，提出基于多模融合的载波跟踪算法，其基本思想是为载波跟踪模块建立多个并行工作的子估计器，且不同估计器配置不同的机动目标模型，跟踪器最终输出的载波相位跟踪值由各子估计器的输出值按一定准则联合计算获得。若预分配的子