近年来,高超声速飞行器作为开发临近空间的重要载体得到了飞速发展,高超声速飞行器在临近空间飞行时,测控链路中的载波信号不仅会产生大多普勒频偏,且由于飞行器的机动飞行,多普勒频偏还存在很高的变化率,严重影响测控通信可靠性。另外飞行器表面与空气摩擦导致空气分子电离产生参数动态变化的等离子鞘套,且研究表明,这种动态等离子鞘套会对信号产生寄生幅相调制效应。除此之外,在脉动压力影响下,飞行器机载天线振动与信号耦合导致的信号相位跳变等都会对高超声速飞行器可靠测控通信造成巨大挑战。针对高超声速飞行器的连续可靠测控通信需求,本文研究了高超声速飞行环境下载波信号的快速捕获与跟踪方法。重点分析了高速飞行环境对载波信号同步的影响机理,其中包括大动态多普勒、动态等离子鞘套产生的相位噪声以及天线振动相位噪声的影响。基于上述机理分析,大尺度层面,开展了低信噪比、大动态多普勒两者共同约束条件下的快速捕获方法研究。小尺度层面,针对幅相抖动效应影响条件下载波信号跟踪速度与跟踪精度相互矛盾的难题,分别开展了非线性载波跟踪和平滑约束算法辅助的载波信号快速精确跟踪方法研究。最后研究了高超声速飞行环境下适应性载波信号同步方法。本文研究将为高超声速飞行器连续可靠测控通信提供方法支撑和工程应用指导。论文主要工作概述如下:1、分别从大小尺度两个层面研究了高超声速飞行环境对载波信号同步的影响机理。首先,建立了大动态多普勒模型(大尺度)并分析了其对载波同步的影响。其次,分别研究了动态等离子鞘套和天线振动两种典型相位噪声源(小尺度)的影响,提出了动态等离子体相位噪声计算模型,针对单频信号、二进制相移键控(BPSK)以及正交相移键控(QPSK)信号,分别研究了动态等离子体相位噪声对不同体制遥测信号的载波同步误差和载波跟踪环路鲁棒性的影响机理,定量分析了动态等离子体相位噪声对载波跟踪环路失锁门限的影响。研究并发现了飞行器机载天线振动与测控通信信号的耦合效应,且对天线振动强度对不同遥测体制信号载波跟踪环路性能的影响进行了定量分析。2、提出一种基于多普勒速率盲估计辅助及谱峰搜索范围修正的多普勒频偏和多普勒速率联合捕获方法。该方法针对大多普勒频偏及大多普勒变化率条件下载波信号的捕获难题,实现了高超声速飞行环境下动态多普勒信号快速精确捕获的效果。提出一种多普勒速率快速盲估计方法,结合多通道多普勒速率并行匹配的捕获方法的优点并借鉴谱峰搜索范围修正的思想,实现了多普勒频偏和多普勒速率的联合捕获。仿真结果表明,Ka频段(30 GHz)条件下多普勒频偏1.5 M,多普勒变化率±200 kHz/s时,多普勒频偏捕获误差在100 Hz以内,多普勒变化率捕获误差在1 kHz/s以内,且捕获速度相比多支路的捕获方法提高了近75.47%。3、提出了一种耦合非线性元件的新型跟踪环路结构。针对小尺度频率和相位的抖动效应影响条件下,载波信号快速精确跟踪难题,研究了基于三阶三型锁相环路的快速精确跟踪方法。借鉴非线性控制思想,构建了新型环路的非线性模型,并建立了可描述新型环路动态过程的数学模型,并在此基础上提出了一种反馈迭代方法对环路参数进行了优化。结果表明,输入信噪比等于-15 dB时,新型环路的输出频率抖动比传统三阶三型环路的输出频率抖动小的多,频率相位误差的标准差从0.6198(rad/s)~2减小到了0.2264(rad/s)~2,在最优参数取值条件下实现了明显的性能改善,新型环路的失锁门限从-20 dB减小到了-23 dB。4、提出了一种基于平滑约束算法的新型抑制幅度调制效应的跟踪方法。该方法首先利用平滑约束算法将接收信号幅度约束在一个合理的范围内,再利用三阶三型环路对载波进行跟踪,实现了动态等离子鞘套幅度调制效应的抑制,改善了载波跟踪环路性能。仿真结果表明,动态等离子鞘套抖动强度为8%时,环路输出相位误差抖动得到了明显的抑制,环路失锁门限降低了4个dB。且环路带宽在5～15 Hz变化时具有很强的鲁棒性。5、结合大动态多普勒快速捕获方法和小尺度抖动效应条件下的跟踪方法,提出一种新的适应性载波信号同步方法。结果表明,环路噪声带宽为15 Hz条件下,动态等离子体电子密度抖动强度为2%,天线振动位移的标准差为0.01倍的电磁波波长时,信噪比低至-22 dB时,这种新型同步方法可完成多普勒频偏1.5 M,多普勒变化率±200 kHz/s的跟踪。综上所述,本文的研究成果对高超声速飞行器的连续可靠测控通信提供了有效的方法支撑和工程应用指导,对解决高超声速飞行器的测控通信难题具有重要意义。