深空光通信瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤擴(kuò)展信標(biāo)算法的FPGA硬件實(shí)現(xiàn).pdf

1、深空光通信是實(shí)現(xiàn)未來(lái)深空探測(cè)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(diǎn)。在深空光通信中，通信距離十分遙遠(yuǎn)、空間環(huán)境非常惡劣，要求兩通信終端實(shí)現(xiàn)精確的瞄準(zhǔn)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(gè)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(gè)過(guò)程的理論模型設(shè)計(jì)算法，在軟件仿真成功后設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)，利用FPGA實(shí)現(xiàn)算法。
　　首先介紹深空光通信瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤（

2、PAT）擴(kuò)展信標(biāo)機(jī)制的原理。當(dāng)航天器位于太陽(yáng)系以內(nèi)，天體在信標(biāo)探測(cè)器上所成的圖像通常擴(kuò)展到多個(gè)像素，稱為擴(kuò)展信標(biāo)。擴(kuò)展信標(biāo)的跟瞄機(jī)制重點(diǎn)是鏈路建立和運(yùn)行過(guò)程中信標(biāo)中心位置的精確計(jì)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(duì)各方案進(jìn)行比較，結(jié)合硬件的發(fā)展?fàn)顩r及本文圖像處理算法的特點(diǎn)，最后提出本文基于FPGA的圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
　　根據(jù)深空光通信擴(kuò)展信標(biāo) PAT機(jī)制原理，分析其理論模型：捕獲過(guò)程是在不確定區(qū)域

3、中搜索出信標(biāo)的位置并計(jì)算其中心；跟蹤過(guò)程是在搜索到信標(biāo)的情況下計(jì)算因?yàn)楹教炱鬟\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的信標(biāo)旋轉(zhuǎn)和平移。兩個(gè)過(guò)程的核心理論為傅里葉梅林變換。為了減少捕獲過(guò)程中圖像匹配的時(shí)間，本文提出將圖像匹配過(guò)程分為粗匹配和精匹配兩步，在粗匹配過(guò)程中又分別采用不同模版和逐步減小模板移動(dòng)間隔的方法。
　　根據(jù)深空光通信擴(kuò)展信標(biāo)PAT機(jī)制理論模型分析本文圖像處理系統(tǒng)功能，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能模塊劃分。進(jìn)行硬件需求分析，根據(jù)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行器件選型，最后進(jìn)行電

4、路原理圖及硬件PCB的設(shè)計(jì)。選擇功能相當(dāng)?shù)腅P2S60開(kāi)發(fā)板進(jìn)行后續(xù)的仿真及下載驗(yàn)證。
　　論文最后分析捕獲、跟蹤算法在FPGA中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，采用QuartusⅡ軟件進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)。采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，將整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程分成四個(gè)模塊：通信模塊、存儲(chǔ)模塊、FFT模塊和運(yùn)算模塊。分析每個(gè)模塊的構(gòu)建過(guò)程然后對(duì)各模塊進(jìn)行仿真。最后將算法下載到硬件電路中進(jìn)行驗(yàn)證。
　　本論文的工作為深空光通信瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤擴(kuò)展信標(biāo)算法的硬件實(shí)現(xiàn)提供了初