航天测控系统中,由于卫星及其它航天器距地面测控设备的距离遥远,测控设备所接收的信号极其微弱,且有用信号淹没在强噪声中。同时,航天器与测控站间存在相对高速的径向运动,所接收信号的载波频率随时间发生变化,扩频信号存在几十kHz甚至几百kHz的多普勒频移。在预设载波中心频率的条件下,上百kHz的初始频差仍旧会导致载波同步时间过长。为了确保测控系统能够在强噪声背景下接收微弱信号,同时提取多普勒频率,更快地进入载波跟踪环,在输入信号存在大多普勒频移条件下,若采用传统的相关检测捕获方法,捕获时间过长,无法满足载波快速捕获要求。因此,高动态下微弱信号的快速捕获成为一个亟待解决的重要难题。本项目针对该问题进行了直接扩频信号捕获和跟踪的算法设计,在高超声速飞行中的大多普勒频率偏移以及大的多普勒变化率的情形下,实现扩频信号的快速捕获与载波同步。本文首先概述了高超声速飞行器的发展,针对高速飞行下地面对飞行器的测控要求,探讨了扩频应答机研发的主要背景以及研究意义,探讨了国内外相关研究进展,明确了本课题研究的主要内容。论文对扩频体制的基础理论进行分析,结合软件无线电技术的发展,进而探索一种PMF-FFT频域并行搜索策略,通过对捕获结构、原理及算法的进一步研究,此捕获算法能同时对伪码相位及载波多普勒频偏进行估算,从而达到缩短捕获时间的目的。对扩频码的跟踪,提出了一种超前-滞后延迟锁相环的设计方法。依据软件无线电思想,设计实现Ka频段扩频接收机,给出了硬件电路及逻辑功能详细设计方案;对Ka频段扩频应答机进行了捕获时间、捕获门限电平、抗干扰特性及误码率测试,验证了设计方案的可行性和合理性。研究成果可以广泛应用于航天器扩频应答机及中继终端系统中,为我国后续多种航天器提供有效的测控技术。