深空光通信瞄準捕獲跟蹤擴展信標算法的FPGA硬件實現(xiàn).pdf

1、深空光通信是實現(xiàn)未來深空探測高數(shù)據(jù)率通信的重要發(fā)展方向，與微波通信相比具有通信容量大、終端體積小和保密性好等特點。在深空光通信中，通信距離十分遙遠、空間環(huán)境非常惡劣，要求兩通信終端實現(xiàn)精確的瞄準和跟蹤。因此，捕獲和跟蹤技術(shù)是深空光通信鏈路能否成功建立和保持的關(guān)鍵，是整個系統(tǒng)的核心。本論文的主要工作就是根據(jù)捕獲和跟蹤兩個過程的理論模型設(shè)計算法，在軟件仿真成功后設(shè)計硬件系統(tǒng)，利用FPGA實現(xiàn)算法。
　　首先介紹深空光通信瞄準捕獲跟蹤（

2、PAT）擴展信標機制的原理。當航天器位于太陽系以內(nèi)，天體在信標探測器上所成的圖像通常擴展到多個像素，稱為擴展信標。擴展信標的跟瞄機制重點是鏈路建立和運行過程中信標中心位置的精確計算，因此圖像處理算法是跟瞄的核心。分析圖像處理系統(tǒng)的常用硬件方案，對各方案進行比較，結(jié)合硬件的發(fā)展狀況及本文圖像處理算法的特點，最后提出本文基于FPGA的圖像處理系統(tǒng)設(shè)計。
　　根據(jù)深空光通信擴展信標 PAT機制原理，分析其理論模型：捕獲過程是在不確定區(qū)域

3、中搜索出信標的位置并計算其中心；跟蹤過程是在搜索到信標的情況下計算因為航天器運動產(chǎn)生的信標旋轉(zhuǎn)和平移。兩個過程的核心理論為傅里葉梅林變換。為了減少捕獲過程中圖像匹配的時間，本文提出將圖像匹配過程分為粗匹配和精匹配兩步，在粗匹配過程中又分別采用不同模版和逐步減小模板移動間隔的方法。
　　根據(jù)深空光通信擴展信標PAT機制理論模型分析本文圖像處理系統(tǒng)功能，然后對系統(tǒng)進行功能模塊劃分。進行硬件需求分析，根據(jù)參數(shù)指標進行器件選型，最后進行電

4、路原理圖及硬件PCB的設(shè)計。選擇功能相當?shù)腅P2S60開發(fā)板進行后續(xù)的仿真及下載驗證。
　　論文最后分析捕獲、跟蹤算法在FPGA中的實現(xiàn)過程，采用QuartusⅡ軟件進行FPGA設(shè)計。采用模塊化的設(shè)計方法，將整個實現(xiàn)過程分成四個模塊：通信模塊、存儲模塊、FFT模塊和運算模塊。分析每個模塊的構(gòu)建過程然后對各模塊進行仿真。最后將算法下載到硬件電路中進行驗證。
　　本論文的工作為深空光通信瞄準捕獲跟蹤擴展信標算法的硬件實現(xiàn)提供了初