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。     

等离子体随机分布对THz波传输特性的影响

高超声速飞行器再入过程中在其周围会产生非均匀的等离子体鞘套流场,同时在飞行器飞行姿态调整,流场分界层湍流、层流相互转换以及再入过程中由于强烈摩擦产生的高温等因素的影响下,使得产生的鞘套具备了一定的随机特性.文中通过改变磁化角度和外加磁场强度、等离子体电子密度、电子密度相对变化幅度以及碰撞频率等参数,提出了基于等离子体随机分布的散射矩阵法来研究THz波传播的相关特性的方法.结果表明,THz波的极化方向不同,其透射率的变化趋势也不同;左极化波在随机分布等离子体中的透射率要优于右极化波;通过调控合适的物理量,可改变THz波在具有随机特性等离子体中的透射特性.该研究结果对于缓解高超声速飞行器与地面之间的通信“黑障”问题具有一定的参考价值.     

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。     

中继法解决临近空间Ka波段通信黑障问题

为解决航天器在临近空间的通信黑障问题,根据ARD等实测数据,分别建立再入航天器迎风面、背风面均匀等离子鞘套模型,分析再入航天器迎风面、背风面的等离子鞘套厚度、电子密度、等离子体碰撞频率等参数对Ka波段的传输透射率、反射率和衰减值的影响。分析结果表明:Ka波段工作信号在航天器背风面传输显著优越于在航天器迎风面传输,在航天器再入过程中,提高信号通信频段以及Ka波段工作信号从背风面传输的透射率相比从迎风面传输的透射率至少提高88%,衰减值至少降低19dB,为研究再入航天器通信问题提供了理论参考。     

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。     

2019年临近空间科学技术热点回眸

 概述了2019年临近空间科学技术的研究热点：在临近空间原位进行科学探测的高空科学气球扮演了主角;其他临近空间飞行器在平台技术研究与试验方面也取得了不同程度的进展;多型高超声速飞行器已经装备部队;太空旅游商业公司维珍银河上市,商业化的太空旅游又近了一步。     

高超声速飞行器建模与自主控制技术研究进展

 高超声速飞行器是国内外研究的热点问题。综述了高超声速飞行器建模与自主控制问题。阐明了高超声速飞行器的特点及控制难点,列举了典型的高超声速飞行器模型,从机理推导方法、计算流体力学（CFD）实验方法、模型简化技术和模型验证技术方面介绍了高超声速飞行器建模的研究进展,从传统滑模控制、高阶滑模控制、反步控制、自适应控制、轨迹线性化控制方面阐述了高超声速飞行器自主控制的研究进展,探讨了高超声速飞行器仿真平台开发的研究趋势。     

临近空间高超声速飞行器轨迹跟踪控制研究

临近空间高超声速飞行器在大空域飞行过程中,呈现复杂的不稳定运动模态,对控制器设计提出了较高的要求。以一种通用临近空间高超声速飞行器纵向运动模型为研究对象,在分析运动模态随飞行空域变化的基础上,提出了一种基于轨迹线性化与反演控制相的轨迹跟踪控制方法。该方法以参考轨迹为基准,采用Jacobian线性化方法动态建立系统平衡状态,采用反演控制方法对跟踪误差进行修正,以实现对参考轨迹的精确跟踪,并通过 Lya-punov方法分析了系统的稳定性。仿真结果表明,论文所设计的控制器在高超声速飞行器大范围飞行过程中具有良好的跟踪性能。     

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。     

一种改进的高超声速目标跟踪算法

根据临近空间高超声速目标运动特点,建立了临近空间高超声速目标运动模型;针对机动目标跟踪问题,在“当前”统计(Current Statistical Model,CS)模型基础上,引入一种利用位置估计值与加速度之间的函数关系自适应调整加速度方差的方法(Adaptive of Distance Estimate Algorithm,ADE),并运用交互多模型算法,提出了ADE-IMM(Adaptive of Distance Estimate Algorithm-Interacting Multiple Model Algorithm)算法,提高了算法对临近空间高超声速目标的跟踪精度。仿真结果表明：该算法兼顾了Singer-IMM算法和CS-IMM算法在跟踪临近空间高超声速目标方面的优点，有更好的跟踪精度。     

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。     

非均匀等离子体覆盖金属目标的隐身性能分析

分析了非均匀冷等离子体覆盖金属目标的隐身性能。通过研究电磁波在多层媒质中的传播规律,建立广义反射系数公式,基于此公式,将非均匀冷等离子体均分成多层,每层可看作密度均匀分布,采用递推迭代的方法可得到从等离子体覆盖金属目标反射回来的电磁波,进而分析其回波损耗。数值结果表明,等离子体碰撞频率、厚度及密度是影响目标隐身的主要因素,增大碰撞频率、增加厚度可增大频段内的电磁波衰减,增加线性分布等离子体密度的最大值,能改善电磁波的最大衰减并提高有用衰减频段的中心频率。因此,统一优化等离子体覆盖物的相关参数,可以实现金属目标的最佳隐身效果。     

矿山无线射频信号传播特性试验

利用标准信号发生器(或便携式信号源)与频谱分析仪(或便携式接收机)在矿山的实地试验,研究了UHF波段无线信号在矿山的截止频率特性、电波传播衰减特性、弯曲巷道传播特性和煤掩穿透特性,得到了433,915MHz和2.4GHz无线射频信号矿山传输特性和煤掩穿透特性的定量数据。根据试验研究得到如下结论:无线电波在矿山传播必须大于矿山截止频率,截止频率在甚高频(VHF)频带50MHz左右;在平直巷道中,频率越高越有利于电磁波的传播;在弯曲巷道中,频率越高越不利于电磁波的传播;频率升高,射频信号的绕射性能、穿透性能降低。上述结论可对我国矿山无线移动通信技术提供试验数据和理论支持。     

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。     

平面电磁波在等离子体中的吸收衰减

研究等离子体在隐身技术中的应用.采用垂直入射线极化平面电磁波斜入射到具有金属衬底的等离子体层的模型,利用W.K.B解,推导出电磁波能量衰减与电磁波频率和等离子体密度的关系式.在此基础上,对不同入射角的电磁波在等离子体密度为均匀分布、线性分布和指数分布情况下传播的能量衰减进行了数值计算.结果表明,电磁波衰减随等离子体密度以及电磁波入射角增加而增加;在3种分布情况下电磁波能量衰减规律是相似的.     

基于太赫兹时域光谱技术的地沟油检测与识别

油脂大分子的振动和转动频率均处在太赫兹波段,与太赫兹波相互作用可产生共振反应,因此太赫兹时域光谱技术（THz TDS）可以快速灵敏地实现正规油和地沟油的检测与识别。通过对正规油（全新采购）、类地沟油（煎炸处理）和地沟油（回收处理）在0.3~1.6 THz波段的时域和频域光谱进行对比,并分析其延迟时间、折射率、吸收系数和吸收峰等光学参数的差异,提取了地沟油的太赫兹光谱的特征信息,为地沟油的检测与识别提供了实验依据和有效方法。结果表明,利用光谱特征信息和地沟油特有官能团信息,太赫兹时域光谱技术可有效区分正规油与地沟油。     

药芯焊丝焊接过程光谱特征波段分析与选择

针对某型自保护药芯焊丝设计焊接工艺试验,利用光谱仪和专用分析软件研究焊接过程中电弧等离子体辐射光谱分布曲线,对其在各谱段的分布特征进行分析,认为紫外波段的光谱曲线波长较短且衰减严重;可见光波段整体相对辐射强度较高,特别是在绿光和黄光区域尤为强烈,在红光区域电弧光谱相对强度较为稳定;在近红外波段电弧光谱辐射强度逐渐下降.综合考虑不同的应用对象,可见光波段适用于电弧等离子体物理本质研究,自保护药芯焊丝电弧等离子体和熔滴过渡的检测适合采用红光光谱窗口,而焊缝跟踪等则适合采用近红外或者红光光谱窗口.     

电磁波在非均匀等离子体中的衰减效应研究

电磁波与等离子体相互作用是等离子体隐身技术的关键技术,也是空天信息对抗的重要研究方向。采用时域有限差分法模拟了电磁波在非均匀等离子体中的衰减效应,采用空间投射波法测量了C波段电磁波在非均匀等离子体中的衰减系数,分析了等离子体分布对衰减效应的影响。研究结果表明,非均匀等离子体相比于均匀等离子体对电磁波衰减效应更为明显,合理的等离子体分布有助于增强对电磁波的衰减作用。     

几种透地通信技术的分析与对比

主要分析了天线磁感应方式、地电极电流场方式以及弹性波方式3种矿山透地通信技术的工作机理、技术特点以及受分层大地介质信道的影响情况,对比了它们的传输衰减、发送设备体积、发射功率以及能量效率等功能参数,最后得出了结论:3种透地通信方式都工作在低频波段,天线磁感应方式和地电极方式的传输衰减较之弹性波方式的要小,而弹性波方式和地电极方式所需的发送设备体积比天线磁感应方式的要小;地电极电流场方式能量效率比其它天线磁感应和弹性波方式要高;弹性波方式透地通信受地层力学特性影响太大,尤其是松散介质层.