【摘要】：深空探測接收機(jī)作為深空網(wǎng)的重要組成部分,其作用是接收衛(wèi)星以及其他宇航飛行器發(fā)送的電磁波信號用以導(dǎo)航,測距測速,定軌以及大氣測量等多種科學(xué)實驗任務(wù)。接收機(jī)系統(tǒng)的性能與科學(xué)實驗結(jié)果息息相關(guān)。因此,研究具有高精度、強(qiáng)魯棒性并具有一定通用性能的接收機(jī)系統(tǒng)具有十分重要的意義。本文面向深空探測導(dǎo)航應(yīng)用,重點研究了具有高精度、強(qiáng)魯棒性的信號處理算法并設(shè)計了具有一定通用性的接收機(jī)系統(tǒng)。本文重點開展了以下工作。首先,針對窄帶信號參數(shù)估計算法的設(shè)計與實現(xiàn),本文首先對幾種常用的開環(huán)窄帶信號分析算法進(jìn)行改進(jìn),并在對比實驗數(shù)據(jù)結(jié)果的基礎(chǔ)上,提出了帶寬可變自適應(yīng)多級頻率估計算法。算法在二級信號參數(shù)估計的過程中,根據(jù)信號多普勒的變化規(guī)律,自適應(yīng)調(diào)整信號檢測窗寬,減少了隨機(jī)強(qiáng)噪聲對開環(huán)多普勒測量的干擾,從而提高了系統(tǒng)的魯棒性。對比試驗結(jié)果表明,由于自適應(yīng)搜索策略以及二級頻率分析算法的處理分析,多級窄帶信號參數(shù)估計算法在長時間的觀測過程中,系統(tǒng)并未出現(xiàn)頻繁的信號失鎖情況。同時算法獲得了較高的信號參數(shù)估計精度,但對于信號信噪比的要求卻比基于時域的信號分析算法低很多。其中,窄帶信號頻率估計均方根誤差約為0.01Hz,調(diào)頻率誤差約為0.02Hz/s,相位估計誤差約為0.06rad。其次,針對系統(tǒng)的寬帶信號時延估計應(yīng)用需求,本文提出了二維多重互相關(guān)譜算法在預(yù)報數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的條件下對寬帶射電源信號實現(xiàn)參數(shù)估計。算法采用多重互相關(guān)運算對微弱的射電源互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行增強(qiáng),并將增強(qiáng)后的結(jié)果映射至二維互相關(guān)譜圖中,利用譜圖結(jié)果獲得粗略時延以及時延率數(shù)據(jù),并最終通過多次多普勒補(bǔ)償?shù)@得信號的精確時延參數(shù)估計結(jié)果。在實驗結(jié)果驗證中,二維多重互相關(guān)譜圖分析算法使系統(tǒng)在缺少預(yù)報數(shù)據(jù)的條件下,時延參數(shù)估計仍然可以使數(shù)據(jù)的相頻曲線聚攏,從而獲得干涉條紋。系統(tǒng)進(jìn)而對所獲得的干涉條紋進(jìn)行分析,最終寬帶二維互相關(guān)譜圖時延參數(shù)估計結(jié)果誤差約為0.1rad,獲得了與具有準(zhǔn)確預(yù)報數(shù)據(jù)條件下的參數(shù)估計相近的估計精度。在系統(tǒng)軟件算法設(shè)計的同時,針對各算法中系統(tǒng)計算負(fù)擔(dān)較重的問題,本文設(shè)計并實現(xiàn)了可變點大點數(shù)FFT協(xié)處理器。處理器基于2-D FFT分解算法,通過采用1k并行固定點數(shù)FFT處理子模塊以及級聯(lián)32點可變FFT子模塊,將大點數(shù)FFT計算進(jìn)行了分解,并在此基礎(chǔ)上,使用FPGA并行實現(xiàn),從而有效提高了系統(tǒng)的計算效率,在32k點的系統(tǒng)實際數(shù)據(jù)測試中,FFT協(xié)處理器的最大分析誤差小于1%,處理時間僅為毫秒數(shù)量級,相較于MATLAB軟件處理提高了近20倍。最后,為了增強(qiáng)所設(shè)計系統(tǒng)的智能信號處理能力,本文在系統(tǒng)中設(shè)計并實現(xiàn)了具有一定通用性的ANFIS協(xié)處理器。通過參數(shù)實時可調(diào)的非線性隸屬度函數(shù)發(fā)生器以及結(jié)構(gòu)可變的通用二叉樹算數(shù)計算網(wǎng)絡(luò),所設(shè)計的ANFIS協(xié)處理器能夠?qū)Σ煌Y(jié)構(gòu)的ANFIS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加速計算。協(xié)處理器對于Mackey-Glass混沌時間序列的學(xué)習(xí)誤差約為0.03,而處理時間僅為軟件處理速度的五分之一。同時,在參考數(shù)據(jù)離線1分鐘的實驗中,在ANFIS協(xié)處理器的輔助下,系統(tǒng)成功抑制了絕大部分的開環(huán)積分角測量的累積誤差。從而對智能信號處理算法及ANFIS協(xié)處理器的設(shè)計進(jìn)行了驗證。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN911.72;V447.1
【圖文】：

圖 1.6 東南大學(xué) RSR-1 系統(tǒng)在站觀測照片航用接收機(jī)信號處理系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計，根據(jù)系號處理軟件算法，并根據(jù)系統(tǒng)軟件算法分解結(jié)果，針了并行硬件協(xié)處理器的方式予以實現(xiàn)，從而加速系統(tǒng)法分解的基礎(chǔ)上確立了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊的劃分，完成了中，證明了所設(shè)計系統(tǒng)具有高精度、強(qiáng)魯棒性以及一統(tǒng)面向的多樣化的任務(wù)需求，從寬、窄帶信號處理應(yīng)發(fā)展趨勢以及結(jié)合了機(jī)器學(xué)習(xí)算法的智能信號處理技進(jìn)行了概述。同時，基于所設(shè)計系統(tǒng)面向的信號處理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，為整體系統(tǒng)的實現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。帶信號處理應(yīng)用需求，設(shè)計并實現(xiàn)了窄帶信號跟蹤算參數(shù)估計算法進(jìn)行了研究與設(shè)計，并在不同信噪比條

27(c)析在 5dB 信噪比條件下的相位估計結(jié)果。（a）信號瞬時相位估計結(jié)果計擬合結(jié)果與真值比較，（c）相位估計誤差分析法在不同信噪比下的參數(shù)估計性能，使用 Hilbert 算法對不同信噪比 次并計算其誤差均值。其結(jié)果如圖 3.4 所示。從不同信噪比下 Hilbert 法在低信噪比條件下的參數(shù)估計性能表現(xiàn)不佳，易受到時域隨機(jī)噪聲，對信號的估計誤差迅速增加，甚至無法正確的對待測信號進(jìn)行參數(shù)誤差原因，將 2dB 條件下的算法瞬時相位估計結(jié)果與真實值進(jìn)行比對5 分析可知，算法性能迅速劣化的其主要原因在于低信噪比條件下時后的相位估計造成了隨機(jī)跳變，從而導(dǎo)致相位估計曲線擬合誤差迅速件下，聯(lián)合最小二乘的 Hilbert 算法可以獲得較為滿意的信號參數(shù)估，瞬時相位估計不論從形態(tài)還是變化趨勢均已大幅度偏離真實值，此能夠反映真實的頻率數(shù)值及頻率變化情況，所以基于 Hilbert 算法的

法如式3.22所示：2202( )21( ) ( )*fj d tfs t s t e ZT變換得到的信號多普勒變化率估計值，0f 為信號載波。擬合尋找最大值：雖然對算法對信號進(jìn)行了平穩(wěn)化處理，以減少多普勒偏，但仍然難以全部消除由多普勒效應(yīng)造成的頻譜展寬，而且加窗截斷效應(yīng)加了頻譜分析的不確定性。由于 CZT 變換本質(zhì)上為對頻譜進(jìn)行放大細(xì)化，行細(xì)化估計的時候會更為明顯。為了減小 CZT 分析時的誤差，算法對 CZ行了最小二乘擬合，在信號的頻譜中按照幅度閾值篩選峰值附近的數(shù)據(jù)點勢尋找頻譜中的最大值作為最終估計結(jié)果。示，為驗證低信噪比條件下噪聲對于多普勒頻率估計的影響，使用 MATL調(diào)頻率為 30Hz/s，信號信噪比為-30dB。由于受到頻譜展寬與噪聲干擾的影 的峰值點偏移到了 x=25，但在經(jīng)過曲線擬合之后，峰值估值確定在 x=16信號頻率估計精度的提高有一定的幫助作用。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2785754