航天测控系统期末作业题

航天测控系统期末作业2016年5月姓名：黄海京班级：1318501班学号：1131850108航天测控系统期末作业题1.USB测控系统全系统工作原理和总的工作流程：1.工作原理简述：在一个USB系统中，必须有一个主机，和一个或多个从机。本系统中需要把电能，电压，电流，有功功率，无功功率等数据写到U盘里，所以系统是主机，U盘是从机。LPC24xx，LPC17xx里有USB设备，主机，OTG控制器。我们采用其中主机控制器，寄存器定义遵循OHCI规范。主机必须要做的工作：检测USB设备是否联机检测USB设备的速度挂起和唤醒USB设备枚举设备错误和复位功能能自动设置USB总线复位实现控制，快传输模式USB组织定义了海量存储设备类（MassStorageClass）的规范，这个类规范包括四个独立的子类规范，即：USBMassStorageClassControl/Bulk/Interrupt(CBI)TransportUSBMassStorageClassBulk-OnlyTransportUSBMassStorageClassATACommandBlockUSBMassStorageClassUFICommandSpecification。U盘使用Bulk-Only传输规范，使用Bulk端点传送数据/命令/状态，使用UFI命令规范对其进行操作。U盘采用文件系统来组织文件。在U盘中常用的是FAT16和FAT32，下面是这个文件系统的对比：FAT16：优点：兼容性最好，某些数码设备可能对FAT32和NTFS格式的存储卡支持不太好，因此只能使用FAT16；缺点：最大仅支持2GB分区，空间浪费大；备注：赶紧看看您的U盘是不是FAT格式，如果是就改用FAT32吧；FAT32：优点：兼容性好；缺点：单个文件不能超过4GB，不支持512MB以下容量的U盘；备注：如果U盘容量达8GB以上，发现4GB文件拷不进去的话，可以考虑换用NTFS或ExFAT格式了。目前主流U盘已经有1G，2G，4G，8G，所以综合上面的分析，我们选用FAT32文件系统。2.原理框图USB工作原理简述3.需要的IO资源分析USB_D+1正向差分信号USB_D-1反向差分信号4.FLASH空间和RAM空间预算RAM空间根据需要传输到U盘的数据大小确定5.模块的工作电压，工作电流（是否需要隔离）需要5V的工作电流，电流不超过100mA，不需要隔离2.USB测控体制下，航天测速、测角及测距系统星上及地面详细工作原理：我国USB测控系统包含了地面固定站、船载站和车载站。测速体制为上下行载波相干双向多普勒测速，测速精度较高；测距体制为纯侧音测距，最低侧音频率为8Hz；测角体制为比幅单脉冲自跟踪测角。（1）航天测速多普勒测速原理：当发射机与接收机相对运动而彼此接近时，接收机所收到的信号频率fR将高于发射信号频率fT；而当彼此远离时，接收信号频率fR将低于发射信号频率fT。这种由于相对运动而使接收频率不同于发射频率的现象，称为“多普勒效应”。发射机与瞬时相位为：φT=2πfTt，发射机和接收机之间距离为R，则接收信号时延为τ=R/c。则接收到信号瞬时相位为=2(-)rTft；则接收机的接收频率为：1==(1-)=(1-)2rrTTddRfffdtdtc；多普勒频率为接收频率与发射频率的差：--drTTRffffc，其中，彼此接近时速度极性为负，反之为正。最终目的是要确定目标(飞行器）的飞行速度，而这可以通过测量目标径向速度来达到。速度与径向速度及之间的关系为---++RRRRRRXXYYZZRXYZSSS；航天飞行器测速的技术思路就是：多普勒频率测量—径向速度—飞行速度。（2）航天测角测控系统需要通过一种手段使天线对准飞行器。地面站天线的波束都比较窄，角度通常在十分之几度。同时存在误差管道，即预报值与实际值的偏差。通常误差管道大于天线波束照射空域，需要进行目标引导。可采用其他测角设备，如小天线引导大天线，也可以采用波束扫描等方式。目标落入天线波束后，即可开始角捕获，通过测量运动目标方向与天线轴线之间的角误差，并将角误差信号通过天线伺服机构，纠正天线角度，使它与目标的方向角偏差缩小。从而实现自跟踪，即天线的指向自动地跟随目标而转动。当测控设各处于自跟踪状态时，目标将一直落在波束的照射区域之内，并且天线角度与目标的实际角度始终保持在一定误差范围之内。角度测量的方法通常有两种：圆锥扫描和单脉冲跟踪测角。a.圆锥扫描测角原理：圆锥扫描天线为抛物面天线，天线波束轴偏离天线轴一个角度，按照一定角速率绕天线轴旋转。目标在天线轴时，转到任意角度输出均为等幅信号。当目标偏离天线一个误差角时，天线旋转时输出信号强度也随着变化，近似于正弦幅度调制，幅度对应着偏离天线轴的大小，相位对应着偏离天线轴的方位。圆锥扫描测角原理如下图所示：B.单脉冲测角原理：单脉冲测角是利用成对波束，将接收信号的振幅或相位同时比较，而得到目标偏离天线轴的角误差信号。因此，单脉冲测角又称为同时波瓣比较，圆锥扫描测角则称为顺序波瓣比较。“单脉冲”的含义是指这种方式能从一个接收的脉冲信号中得到目标偏离天线轴的角误差信号。单脉冲测角的测角精度较高，故在测控系统中应用较多。在抛物面天线焦点附近对称设置一对馈源,则在空间形成两个对天线轴对称偏置±θ0角的波束，称为A、B波朿。目标发射信号为：0()sinmEtEtA和B接收到的信号为：000()()sin=(-)sinAmAmTEtEFtEFt000()()sin=(-)sinBmBmTEtEFtEFt典型三通道单脉冲测角原理如下：和中频信号为基准信号，并进行AGC控制；差中频信号与和中频信号鉴相后输出控制电机。（3）航天测距侧音测距原理：所谓“侧音”，即是一单频正弦波。把这个频率的侧音作为基带信号调制到载波上发射出去，经目标转发后被接收解调，此接收的侧音信号相对于发射信号在相位上存在延迟，即有相位差，该相位差反映了发射点-目标-接收点之间的距离和S。1011=+==22cSRRf侧音测距由星地配合完成：地面设备负责侧音信号的产生、调制、发送，并负责侧音的接收、解调及测量；星上设备负责侧音信号的接收解调、变频调制发送。包括侧音发送单元、调制器、天线、解调器、侧音接收单元和计时、同步及判定模块。接收鉴相模块原理：根据频率的不同，经过不同的带通滤波器滤除其他谐波，得到单音信号，再与本地信号比相后得到相位差信号，计算出距离。计时、同步及判定模块通过主音鉴相、次音鉴相及次音切换进行测距。星上主要完成变频转发工作，包括发射机和接收机两部分。100K、20K/16K均直接从鉴相器输出。接收机主要完成信号的放大及解调，采用AGC电路控制上行信号的强度，采用锁相环完成解调。发射机主要完成解调后基带信号的变频再调制，以及功率放大。3、USB体制下，航天遥测系统星上及地面详细工作原理，查资料给出信道编码中RS编码及LDPC编码的工作原理及构造，各给出一种典型的编码和解码方法；航天测控由星上和地面共同完成，包括星上发射、传输信道和地面接收。星上对调节后信号进行调制及复用，再通过数字调制和模拟调制（二次调制）后发射。地面接收解调接收后，需要经过位同步、帧同步后才可进行解格式等后续处理。RS编码：RS码即里德-所罗门码，它是能够纠正多个错误的纠错码，RS码为（204，188，t=8），其中t是可抗长度字节数，对应的188符号，监督段为16字节(开销字节段）。实际中实施（255，239，t=8）的RS编码，即在204字节（包括同步字节）前添加51个全“0”字节，产生RS码后丢弃前面51个空字节，形成截短的（204，188）RS码。RS的编码效率是：188/204。RS译码RS码的译码算法是从BCH码的译码算法演变而来的。与编码算法相比，译码算法比较复杂，需要的运算量也比较大。其中，比较有代表性的算法是Berlekamp-Messay算法(简称BM算法)和Euclid算法。在这两种算法的基础上，后来又派生出了一些修正算法或陕速算法。RS码的译码可以按照下面的步骤来进行:1.由接收多项式计算伴随式；2.用BM算法或Euclid算法，由伴随式，求出错误位置多项式；3.用Chien搜索法求伴随式的根，其倒数为错误位置数;4.计算错误值；5.接收多项式减去错误多项式，完成纠错。LDPC编码：对LDPC码来说，不考虑码长和次数分布的情况下，校验矩阵的结构就成了影响其性能的重要因素，反映在二分图上对编码性能有重要影响的就是图中环的长度分布，需要采用一定的方法对校验矩阵进行构造，获得好的编码。构造方法：目前LDPC码的构造方法主要可以分为两大类：随机或伪随机构造方法和代数的构造方法。随机或伪随机的构造方法主要考虑的是码的性能，在码长比较长(接近或超过10000)时，性能非常接近香农限。代数的构造方法通常考虑的是降低编译码的复杂度，在码长比较短的时候更有优势。1.GallagerLDPC码用和乘积算法(SPA:Sum-pordcuctalgorithm)进行译码取得最大后验概率的译码性能的条件是二分图中没有小的环，即girth为4的环，无4环的条件反映到二分图中就是任意两行中1的交迭数目不超过1个。无4环的二元高比特率LDPc码可以通过随机生成行构成，一般来说，这种方法不能生成固定行重量的矩阵。Gallaegr提出了一种替代的方法：采用随机置换的方法来构造规则LDPC码。对于码长为N的(j，k)正则码，将M*N矩阵H通过j个大小为(M/j)*N的子矩阵构成，每个子矩阵本身也是LDPC矩阵，列重量为1，行重量为k，第一个子矩阵为阶梯型，即第1行的k个1的列号是从(i-1)*kl到1*k，而其他子矩阵都是第一个子矩阵的随机列置换，这样每个子矩阵每行都有k个1，每列都有1个1。这种构造方法要求M必须是j的整数倍。(20，3，4)LDPC码的校验矩阵LDPC码LDPC码Gallager曾给出了一个码长为20的规则(3，4）LDPC码的校验矩阵，如图所示。图中的第一个子矩阵就是一个阶梯型矩阵，而第2个和第3个矩阵都是第一个子矩阵的列置换。Gallager同时证明了随机置换得到的GaHagerLDPC码的最小汉明距离能够随着码长的增加而线性增加，而且在对称无记忆信道中，采用最大似然译码时，其误码率随着码长的增加而呈指数形式下降，这说明随机置换得到的GallagerLDPC码是一类相当好的码。但是，Gallager在构造LDPC码时采用的是随机置换，这就给实现带来了麻烦，就需要大量的存储单元来存储校验矩阵中这些1的位置。2.确定性结构的LDPC码确定性结构的DLPC码也称为准循环LDPC码。相对于随机结构的矩阵是很容易获得的确定性结构的矩阵，这种矩阵可以通过更少的参数来定义LDPC码。确定性结构的LDPC码的构造方法基于“阵列码”(ArrayCode)。阵列码是用来检测和纠正突发差错的二维码。通过三个参数定义LDPC码。一个基本参数p和两个整数j和k。令H为jp*kp的矩阵，定义为：LDPC码LDPC码LDPC码其中这里的I是p*p的单位阵，Bi.j是Ip*p的左循环移位Bm.n或右循环移位Bm.n的置换矩阵。显然，H矩阵中1的分布就只与循环位数Bm.n有关。对LDPC码的分析就可以转换为对Bm.n的分析。将各小矩阵的循环移动位数写成一个矩阵为LDPC码LDPC码LDPC码上面的校验矩阵提供了一个可以用于SAP译码的稀疏矩阵。而且，这个校验矩阵结构上没有四线循环。译码算法：LDPC码编码是在通信系统的发送端进行的，在接收端进行相应的译码，这样才能实现编码的纠错。LDPC码由于其奇偶校验矩阵的稀疏性，使其存在高效的译码算法，其复杂度与码长成线性关系，克服了分组码在码长很大时，所面临的巨大译码算法复杂度问题，使长码分组的应用成为可能。而且由于校验矩阵稀疏，使得在长码时，相距很远的信息比特参与统一校验，这使得连续的突发差错对译码的影响不大，编码本身就具有抗突发错误的特性。LDPC码的译