中继法解决再入航天器通信黑障问题优化研究

中继法是目前解决航天器再入通信黑障问题的一种可行方案,建立了背风面等离子鞘套模型,分析航天器再入俯仰角对信号在鞘套中的传输影响,并在航天器再入初始俯仰角下对比了S频段和Ka频段信号在背风面等离子鞘套的传输情况。结果表明:俯仰角越大,信号电磁波在等离子鞘套中的衰减越小;相同俯仰角下Ka频段传输性能明显优越于S频段信号,Ka频段信号相比于S频段信号,在背风面的透射率至少提高55%、衰减值至少降低33.69 dB,建议选用Ka频段信号作为中继卫星与再入航天器之间的通信频段并提出中继优化方案,为进一步解决航天器再入过程中的通信黑障问题提供思路。     

外加磁场改善临近空间GPS通信研究

针对飞行器以高超声速穿过临近空间大气层产生的通信"黑障"问题,提出了外加磁场,改变电磁环境以解决通信黑障问题的方案。依据美国RAM C提供的飞行试验数据,建立磁化等离子体鞘套模型,通过数值计算方法分析了磁场强度、等离子体厚度、等离子体碰撞频率和等离子体电子密度对GPS信号传输的反射和衰减特性。综合分析仿真表明:对处于低频段的GPS信号,通过在航天器周围添加磁场,能够明显改善电磁波在等离子体鞘套中的传输性能,当外加磁场强度大于2T时,GPS信号在等离子体鞘套中的传输衰减值均在5dB以下,有效减缓了黑障对于电磁波传输的影响,达到了较好的通信状态。     

48km以上黑障区电磁波的趋肤深度分析

空间飞行器返回大气过程中,降落至距离地面100km到48km处时会在表面形成一个复杂多变的等离子鞘套,这个等离子鞘套对电磁波的传播具有很大的衰减作用,对地面站与空间飞行器的电磁波通信产生不利的影响。本文从等离子鞘套具有近似金属的导电性的角度,通过分析电磁波在不同高度处的等离子鞘套内传播的趋肤深度,进而分析空间飞行器返回大气降落过程电磁波频率变化对克服通信黑障问题的影响。     

Ka波段多波束卫星通信降雨衰减功率优化法

降雨衰减是影响Ka波段卫星通信系统传输质量及系统性能的主要因素之一。为了保证卫星通信链路的传输质量,根据我国的降雨统计数据,计算得到了Ka波段降雨衰减的等值分布图,并采用功率优化法对多波束天线系统的转发器功率进行优化分配,以补偿降雨衰减的影响。研究结果表明,该方法在减小降雨衰减对通信传输质量的影响方面具有较好的效果。     

磁化等离子鞘套中毫米波大气窗口的衰减

为了更好地利用目前紧张的频谱资源,解决临近空间通信"黑障"问题,选取高斯分布模型建立非均匀等离子鞘套,并结合4个在大气中具有高透过性的毫米波大气窗口,研究等离子鞘套外加不同强度磁场与无外加磁场情况下,毫米波大气窗口在其中传输的衰减情况受攻角和等离子鞘套碰撞频率改变的影响。仿真结果显示:外加不同强度磁场时会改变毫米波大气窗口的衰减值,但不会改变毫米波大气窗口在等离子鞘套中的传输规律。外加磁场是否改善毫米波大气窗口的传输性能需要综合考虑等离子鞘套与毫米波大气窗口的谐振频率。     

48km以上空间黑障区的电磁波衰减研究与仿真

空间飞行器进入100km至48km黑障区时,与地面站的通信会发生中断现象,对宇航员的安全,飞行实验的顺利完成都会产生不利的影响,本文针对这种通信中断现象,对电磁波在48km以上黑障区等离子鞘套中的传播衰减进行了多角度的仿真研究,实验结果表明,频率高于15GHz的电磁波更易克服空间飞行器再入过程的通信黑障现象。     

临近空间等离子体鞘套对太赫兹波传播特性分析

针对高超声速飞行器在临近空间巡航时出现的通信"黑障"问题,根据RAM C提供的飞行试验数据,建立一维等离子体鞘套模型,通过数值计算分析了等离子体与太赫兹波的相互作用机理,并从等离子体厚度、等离子体电子密度、等离子体碰撞频率和太赫兹波入射角等条件得到了太赫兹波在等离子体鞘套中的传输特性曲线。仿真结果表明:把太赫兹波段作为临近空间平台通信,有利于解决"黑障"问题,其中在大气窗口0.22THz处的衰减均在30dB以下。此论证结果可为临近空间平台设计的高超声速飞行器选用通信频段时提供参考。     

短距离无线激光通信系统波长选择分析

无线激光通信系统中激光调制信号在大气信道中传输时受背景光、大气衰减、湍流效应等诸多因素的影响．传统上认为红外波段的激光更适合于在大气信道中传输．基于对红光激光束大气传输特性的分析，讨论了激光束传输过程中背景光干扰、大气衰减和湍流效应的影响.结果表明：红光波段激光和红外波段激光用于短距离无线激光通信时受信道的影响差别不大，红光波段激光可用以加载调制信号有望实现无线高速数据传输．     

Ka波段卫星通信上行链路功率控制算法

为了减少降雨衰减对Ka波段(30/20 GHz)卫星通信系统信号传输质量造成的影响,提出了一种改进的上行链路功率控制方法,即在控制方法中增加一个修正参数。该方法针对不同控制周期选取不同的修正参数,以提高上行链路降雨衰减的预测精度。仿真结果表明,该方法具有较好的补偿效果和精度。     

用微波天线阻抗法测量再入等离子体的密度及其分布

在飞行器再入大气层时,由于运动速度极高,在它周围产生等离子鞘,引起通讯中断.为了解决通讯中断问题,首先必须了解电子密度的大小及其分布.研究再入等离子体的方法很多,其中天线阻抗法是一种行之有效的方法.本文首先介绍了天线阻抗法的原理,其次简单地描述了我们研制的 S 波段天线阻抗测试仪,最后介绍在电弧风洞中的实验结果.     

通信传输过程中信号衰减的原因分析及相关对策研究

通信传输线缆的质量、布线规划、缆线的弯曲程度、缆线的续接工作都对传输信号的衰减存在不同程度的影响。为了保证信号的可靠、准确、快速传输,结合相关实验和实际工作经验,分析了通信传输过程中信号衰减的原因并提出了相关的对策     

下击暴流强风冲击作用下定日镜风压时变特征

为研究下击暴流强风冲击作用下定日镜表面风压变化特征,基于计算流体动力学的方法对下击暴流瞬态风场中不同工作姿态的定日镜表面风压进行数值模拟.结果 表明,受到下击暴流形成扩散过程引起的近地面风场变化影响,在下击暴流的冲击作用下定日镜迎风面和背风面风压都表现为先增大后减小的时变特征,背风面比迎风面提前达到压力峰值,且迎风面和背风面瞬时峰值压力均明显大于稳态风场中的相应峰值压力.同一时刻下,定日镜迎风面正压峰值中心随着俯仰角的增大逐渐向上移至镜面中心,风压系数峰值可达1.4,背风面负压峰值中心随俯仰角增大逐渐向两侧水平偏移,风压系数峰值由1.8减小到1.0.在小俯仰角工作姿态下定日镜背风面会遭受更大的负压作用,说明现行的定日镜抗风设计中采用的小俯仰角避险姿态并不完全适用于下击暴流强风作用的状况.     

常规风和下击暴流作用下定日镜风压特性比较

利用计算流体动力学方法对常规风和下击暴流作用下定日镜的表面风压进行数值模拟和对比分析.研究结果表明:在常规风和下击暴流作用下,定日镜在各工作仰角下的迎风面均以正压为主,在镜面上边缘存在极小范围的负压区域,背风面负压整体呈现上部小、下部大对称分布的特点.随着工作仰角的增大,在常规风和下击暴流作用下,定日镜迎风面压力峰值中心均由底部逐渐上移,峰值压力逐渐增大,当处于大工作仰角时,迎风面高压区在常规风风场中位于上部,而下击暴流风场中位于中部且高压区分布范围比常规风更大.定日镜背风面负压峰值随工作仰角增大在常规风风场中逐渐减小,而在下击暴流风场中背风面压力基本不变,当处于小工作仰角时,在常规风风场中定日镜背风面谷值压力位于上部,分布梯度明显,在下击暴流风场中背风面压力分布较均匀.     

超音速飞行器表面等离子体的电磁特性研究

通过对飞行器周围流场温度、压强和电子密度分布等参数进行分析,探讨等离子体参数对电磁波信号衰减的影响,并进行HFSS仿真,得到三维实时的衰减模型,为今后研究通信衰减问题提供了重要依据,也是进一步进行再入通信仿真的前提。     

临近空间Ka频段信道建模

构建了一种临近空间Ka频段小区制覆盖的通信信道模型。首先,讨论了临近空间信道的几何特性,将通信覆盖区域根据不同仰角分为高仰角区、中仰角区和低仰角区;其次,分析了影响信道特性的5种因素:大气吸收衰减、对流层闪烁衰减、云雾衰减、降雨衰减以及地面反射体造成的多径效应,总结出降雨衰减和多径效应对临近空间Ka频段通信信道的影响要远大于其他3种因素;最后,分析了不同仰角情况下,地面反射体、雨衰对信道的影响,并且根据Ka频段静止卫星通信信道在各种天气条件下信号的概率分布参数,对临近空间Ka频段小区制覆盖的通信信道模型进行了仿真,分别给出了不同仰角区的误码率性能仿真曲线。对于临近空间通信平台的开发与研究具有指导意义。     

高超声速圆锥边界层转捩反转数值研究

为研究高超声速边界层转捩中存在的转捩反转现象,基于雷诺平均的N-S方程,采用γ转捩模型对高超声速圆锥体绕流进行数值模拟,得到了圆锥边界层转捩位置随攻角、头部钝度的变化规律,分析了圆锥边界层转捩反转现象的流动机理.结果表明:当圆锥头部钝度增大到一定值时,圆锥边界层转捩位置随攻角增大呈现迎风面提前、背风面推迟的反转现象;圆锥边界层转捩出现攻角反转现象时,迎风面摩阻系数明显大于背风面摩阻系数且转捩前后摩阻变化更大,此时应重点关注迎风面的热防护;在零攻角条件下,随着圆锥头部钝度从很小值逐渐增大,圆锥边界层转捩位置呈现出“N”型反转现象;圆锥头部钝度增大到一定值时出现的边界层转捩反转现象的可能原因是随钝度增大头部激波后熵层高度显著增大引起的.      

缩尺沙丘演化特性的风洞实验研究

以风洞实验为手段,从俯视和侧视2个角度采用光学测量同步记录、分析了缩尺沙丘的演化特性。结果表明:在风蚀沙床提供沙补给的情况下,缩尺沙丘的形态逐渐向新月形沙丘演化;沙丘的侵蚀主要发生在背风面,侵蚀程度随沙丘宽高比的减小而增大,迎风面仅在演化的初始阶段略有侵蚀,随后廓线基本保持不变;在同一时刻背风面和迎风面的侵蚀率均随沙丘宽高比的减小而增加,且随时间的推移逐渐降低,侵蚀率在背风面趋于定值,在迎风面逐渐逼近0。对沙丘宽高比进行关联性分析表明,沙丘的侵蚀程度和宽高比呈现单调变化关系,宽高比可作为参数独立描述沙丘的演化特性。     

紫外通信的大气传输特性模拟研究

利用大气传输模型LOWTRAN对紫外波段的大气传输特性进行了模拟研究，定量考虑了紫外通信系统工作波段的确定，分析了能见度、地理位置、气候季节、传输距离、传播方向、海拔高度和天气情况等对大气紫外透射比的影响。结果指出，紫外通信系统的工作波长应选在日盲区中心点250nm附近，季节、地域和风雨天气对日盲区紫外透射比的影响甚微．水平方向上大气紫外透射比的指数衰减规律决定了系统工作的局域性和保密性．在海拔1km内大气紫外透射比几乎不随高度变化．     

智能钻杆磁感应传输技术及其信道特性分析

分析感应耦合原理并制作耦合器,将仿真与实测相结合,在高频变压器模型基础上建立单个耦合器的准确电路模型。然后对多节耦合器连接的电路特性进行分析,得到每增加一个耦合器就增加了一个谐振回路的规律,进而得到磁感应传输信道的电路模型。针对多级信号传输的衰减问题,采用电容补偿的方法,增加谐振频率点的幅值以提高信号传输效率。最后,建立用于随钻信息磁感应传输的实验系统,验证磁感应信道电路模型的有效性。选取模型中的两个谐振点作为通信频点,在20节的传输系统中实现了115.2kbit/s的通信速率。     

基于改进蚁群算法的航天器再入轨迹优化

基于十进制蚁群算法对航天器再入轨迹进行了优化设计。给出了过载约束下的航天器再入轨迹优化的数学模型,对模型进行归一化及离散化处理,采用罚函数法对约束进行处理,将连续、高度非线性的优化问题转化为无约束的离散最优问题。针对传统蚁群算法易陷入局部最小值的问题,将增加了局部搜索策略的十进制蚁群算法应用于轨迹优化中,在满足过载约束的条件下实现总吸热量最小的目标。仿真结果表明十进制蚁群算法与传统蚁群算法相比能跳出局部最优值并快速地搜索得到航天器最优再入轨迹。