动态等离子鞘套信道模型研究

Communication interruption problems (blackout) caused by plasma sheath for reentry or nearspace hypersonic vehicles have been restricting the development of the aerospace tracking, telemetry, and command (TT&C) industry. The prediction and establishment of plasma sheath channel model play the fundamental role in communication scheme design planning to overcome blackout. Starting from the dynamic plasma wave interaction mechanism, this study establishes the dynamic plasma physics model first and then analyzes radio wave propagation signal characteristics within dynamic plasma sheath in-depth in order to make clear of the channel characteristics with the electron density distribution, collision frequency and in particular of electron density fluctuation. The Mutual Coherence Function method is employed to calculate delay power spectrum and Doppler power spectrum for channel modeling. The plasma sheath theoretical channel model plasma sheath would be established by designing Doppler shaping filter under the wide stationary unrelated scattering channel modeling theory. Simultaneously, dynamic plasma sheath ground simulation and software defined radio platform are used to test signal characteristics and channel parameters for purpose of validating and modifying the theoretical channel model. The plasma sheath simulation model and related results would provide theoretical support for domestic breakthrough in hypersonic vehicles sheath communication blackout research.

再入过程或者近空间高超声速飞行器在超音速飞行过程中，等离子鞘套造成的通信中断问题（黑障）一直制约着我国航天事业的发展。等离子鞘套信道模型的预测和建立是设计克服黑障测控通信体制的前提和核心，为了深刻理解动态等离子鞘套信道，本研究拟从动态等离子体与电波相互作用机理研究出发，建立动态等离子物理模型，深入分析动态等离子体内电波传播特性和信号特性，明确等离子鞘套传输信道特性与等离子体电子密度分布和碰撞频率特别是电子密度抖动的关系，采用双频双点互相关法计算获取信道的时延功率谱和多普勒功率谱；结合广义宽平稳不相关散射信道建模理论，设计等离子鞘多普勒成型滤波器，构建等离子鞘套理论信道模型；同时利用动态等离子鞘套地面模拟实验平台进行电波传播、信号特性和信道参数的测试以对理论信道模型做验证和修正。本研究可为国内克服等离子鞘套黑障问题提供通信信道基础理论支持。

本项目针对再入动态等离子体通信中断问题，构建动态等离子鞘套物理模型，研究动态等离子鞘套下的电波传播特性，明确信号和信道特性与电子密度及其抖动的关系；研究动态等离子体中信道建模方法和信道实验验证及修正方法，构建动态等离子鞘套确定性信道模型。.针对动态等离子体参数的时变特征，根据物理参数变化速率与信号的速率关系、空间变化和时变变化规律，构建了等离子体鞘套电子密度时变模型，为动态等离子体鞘套下的时域、频域、空域信道特性研究提供了基础。针对现有电磁计算方法在时变等离子体电波计算中的不足，以及随机介质建模方法的高复杂度问题，提出了动态等离子体鞘套下的准静态蒙特卡洛计快速时变衰减计算方法，该方法为信号特性获取及信道特性的统计提取奠定了基础。针对再入飞行器的等离子体鞘套信道信道的非平稳特性，提出了一种非平稳信道的自适应马尔科夫信道建模方法，采用可逆跳变蒙特卡洛马尔科夫（RJ-MCMC）算法无需人为设定自适应的估计信道状态数、及各状态信道参数。针对电波传播特性和信道建模方法的验证问题，提出了基于循环CAZAC序列的信道测量方法，搭建了电波传播及信号特性地面实验平台，获取了典型动态等离子体状态下的信号传输特性数据，并通过地面实验验证了理论信道建模的正确性。.本项目研究填补了国内这一领域研究的空白，在国内外等离子体电波传播领域处于领先水平。突破等离子鞘套下测控通信技术的基础理论瓶颈，为再入/近空间高超声速飞行器测控通信系统设计提供坚实的基础理论支撑。