跟踪与数据中继卫星系统可以有效地解决中、低轨卫星通信受到地域限制以及卫星间信源信息不能直达到信宿的问题,因此跟踪与数据中继卫星系统自提出以来一直是卫星通信的研究热点。跟踪与数据中继卫星系统通过与中、低轨卫星建立星间链路,或者中继卫星之间建立多跳中继链路,这两个过程中星间链路的建立都需要星间完成信号捕获和跟踪两个过程。星间链路的捕获过程指的是中继卫星按照一定的扫描轨迹对不确定区域进行扫描,当目标星与中继卫星的两者的波束相互覆盖,标志着捕获过程成功;星间链路的跟踪过程是指中继卫星完成对目标卫星的捕获之后双方通过波束精细调整,最终实现波束精确对准,并能实现长时间保持的过程。本文主要对星间链路的捕获和跟踪过程进行了信号特性分析及仿真实现,在研究星间链路的捕获过程时主要对捕获过程的主要影响因素进行建模和仿真分析,并对目标的捕获概率和捕获时间进行了计算;在研究星间链路的跟踪过程时主要分析了角跟踪接收机的信号处理过程,最后通过理论分析和仿真比较了采用不同调制方式情况下对解调结果的影响。首先,论文在概述了中继卫星的研究现状及未来的发展趋势基础上,进一步研究了星间链路的捕获方式和建立流程;通过不同坐标系下捕获过程的模型建立及分析,并借助业界优秀的STK软件,构建了捕获过程数学建模的基础;中继卫星系统的跟踪过程、单脉冲角跟踪接收天线的原理和调制方式,均对跟踪的速度和跟踪精度有重要影响,论文对此部分内容进行了详细地分析和仿真。其次,本文对星间链路的捕获过程展开了深入的研究,主要包括捕获过程的关键参数分析和仿真。捕获过程中,捕获不确定区域的确定是最重要的一个研究内容,不确定区域受到初始偏置角,轨道估计误差,执行机构执行误差等多重因素的影响;通过分析初始偏置角等的四个误差的特性,结合误差的分布论文推导得到了初始偏置角的分布和捕获不确定区域的表达式,并通过仿真验证了相关结果;接下来,论文研究了捕获概率的计算模型,对捕获不确定区域对目标的覆盖率和扫描波束对捕获不确定区域的覆盖率进行推导和计算;不同的扫描方式对捕获时间及执行机构的运转复杂性均有重要影响,通过分析对此,最终确定采用等距等线速的扫描方式,并结合平台抖动等实际影响因素推导了优化的扫描步长;基于以上的分析,综合STK分析卫星间的相对运动和捕获概率的计算模型推导得到捕获概率,同时结合扫描方式计算得到了平均捕获时间。最后,本文对跟踪过程使用的单脉冲角跟踪机的信号处理过程进行分析和仿真,其中主要分析和对比了在不同的调制方式下角跟踪系统的性能。通过研究和比较二相调制和四相调制技术的解调原理及特性,确定了基带信号处理所采取的方案;接下来通过对基带信号的处理过程的研究,着重对基带信号处理过程中的带通采样模块、载波提取模块、载波跟踪模块、包络检波模块和相参累加模块进行了理论分析和仿真;然后,对接收机接收信号的频率不确定性和信噪比进行了分析,确定系统的仿真参数;最后,对二相调制和四相调制角跟踪系统进行仿真,通过仿真比较两种调制方式的角误差解调结果的精度和稳定性。