（通信与信息系统专业论文）“黑障”测控传输体制研究.pdf

硕士论文“黑障”测控传输体制研究摘 i i i ii i ii iijl if ij lifiily 2 0 616 7 4“黑障 是人类继克服了“音障 、“热障 之后在高速飞行研究中所面临的又一关键难题，同时也是人类在发展航天事业过程中遇到的障碍之一。航天器再入大气层过程中与其周围空气激烈摩擦而产生的等离子体对射频电磁波的幅相效应将造成通信中断“黑障 。自上世纪6 0 年代初以来，为了减轻甚至消除再入等离子体鞘套所产生的“黑障对通信的影响，人类一直在苦苦探寻着，希望通过理论研究以全面了解“黑障 区的电磁特性，以确保地面站与航天器之间的通信无阻。为此，国内外业内专家在理论研究、数值仿真、室内实验及飞行试验等方面开展了大量工作，并取得了一些进展。本论文通过对再入过程中航天飞行器在不同射频工作频段、处于不同再入高度时的“黑障”特性分析及“黑障”区不同调制解调系统信息传输误码率的计算和比较，从中对比出各调制体制的优劣，并分析了目前消除“黑障 效应措施的工程可行性，为载人航天飞行器的测控系统应用奠定理论和工程基础。本文首先对“黑障 区电磁特性及电磁波在“黑障 区的传播特性进行理论分析、公式推导和仿真计算，然后根据数字通信原理建立“黑障”区等离子体环境下信道仿真模型，据此模型获取2 a s k 、2 f s k 和2 p s k 三种调制体制分别在相干、非相干解调方式下误码率的计算流程图，继而推导出各自误码率的计算公式，并计算各波段射频电磁波在不同高度时各种调制解调系统的误码率，由此对比各种调制体制的优劣。最后分析总结现行各种减轻“黑障 的方法和措施以比较各自的工程可行性和有效性。关键词：“黑障 ，射频电磁波，调制体制，误码率a b s t r a c t硕士论文a b s t r a c t”b l a c k o u t ”，o n eo ft h eb a r r i e r sf a c e db yh u m a nb e i n gi nt h ed e v e l o p m e n ts p a c ei n d u s t r y ,i sa n o t h e rk e yp r o b l e ma f t e ro v e r c o m i n g ”s o u n db a r r i e r ”，”t h e r m a lb a r r i e r ”i nh i 曲- s p e e df l i g h tr e s e a r c h t h ep l a s m ai sg e n e r a t e dw h e nt h es p a c e c r a f tr u b sa g a i n s tt h es u r r o u n d i n ga i ri n t e n s e l yi nr e e n t r ya t m o s p h e r ep r o c e s s ，a n dt h ea m p l i t u d ea n dp h a s ee f f e c t so ft h ep l a s m ao nr a d i o 仔e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cw a v ew i l lr e s u l ti n t h ei n t e r r u p to fc o m m u n i c a t i o n ”b l a c k o u t ”。r e s e a r c h e r sf r o mt h el a t e19 5 0 sb e g i ns e e k i n gf o rt h ee f f e c t i v ea p p r o a c h e st or e d u c et h ep r o b l e mo fi n t e r r u p t i o nd u r i n gt h er e e n t r yc o m m u n i c a t i o n i ti sh o p e dt h r o u g ht h et h e o r e t i c a ls t u d yt of u l l yu n d e r s t a n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cp r o p e a i e so ft h e ”b l a c k o u t ”a r e at oe n s u r et h es m o o t hc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eg r o u n ds t a t i o na n dt h es p a c e c r a f t t h e r e f o r e ，e x p e r t sh o m ea n da b r o a dh a v ec o n d u c t e dag r e a td e a lo fs t u d i e sa n dm a d eg r e a tp r o g r e s si nt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c h , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , i n d o o re x p e r i m e n ta n dt h ef l i g h tt e s t t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e ”b l a c k o u t ”e m e r g e dw h e nt h es p a c e c r a f to ft h e d i f f e r e n ts p e e d s ，o ft h ed i f f e r e n t 丘e q u e n c yb a n d sa n do fd i f f e r e n tr e e n t r yh e i g h t ，a n dc o m p u t e sa n dm a k e sac o m p a r i s o nt ot h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nb i te r r o rr a t eb e t w e e nt h ed i f f e r e n tm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ns y s t e m s ，t h e nc o m p a r e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et h r e em o d u l a t i o ns y s t e m s f i n a l l yi tp r o p o s e st h ef e a s i b l ee n g i n e e r i n gm e a s u r e st oe l i m i n a t et h e ”b l a c k o u t ”，a n dt h a th e l p st ob u i l das o l i dt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lf o u n d a t i o nt ot h ea p p l i c a t i o no ft h em a n n e ds p a c ef l i g h tc o m m u n i c a t i o n - s y s t e m f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rr e f e r st ot h ee l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e ”b l a c k o u t ”，a n ds t u d i e so nt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，f o r m u l ad e d u c t i o na n ds i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no ft h es p r e a d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o m a g n e t i cw a v ei n ”b l a c k o u t ”a r e a a n dt h e n ，b a s e do nt h ep r i n c i p l e so fd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n , ac h a n n e ls i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e di na”b l a c k o u t ”p l a s m ae n v i r o n m e n t t h eb i te r r o rr a t ec a l c u l a t i o nf l o wc h a r t so ft h et h r e em o d u l a t i o ns y s t e m sn a m e l y2 a s k , 2 f s ka n d2 p s ka r em a d ei nc o h e r e n ta n di n c o h e r e n td e m o d u l a t i o nm o d e ，t h e nd e d u c e st h er e s p e c t i v eb i te r r o rr a t ec a l c u l a t i o nf o r m u l a , a n dc a l c u l a t e dt h eb a n dr fe l e c t r o m a g n e t i cw a v ea td i f f e r e n th e i g h to fv a r i o u sm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ns y s t e mb i te r r o rr a t e ，w h e r e b yt h ea n a l y s i ss u m m e du pt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et h r e em o d u l a t i o ns y s t e m s f i n a l l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h ev a r i o u sa p p r o a c h e sa n dm e a s u r e st or e d u c et h e ”b l a c k o u t ”k e yw o r d s ：”b l a c k o u t ”，r fe l e c t r o m a g n e t i cw a v e ，m o d u l a t i o ns y s t e m ，b e ri i硕士论文“黑障”测控传输体制研究1 绪论1 1 研究背景人类在深空探测的过程中，当宇宙飞船、洲际导弹、航天飞机、卫星等航天飞行器以十几马赫甚至几十马赫速度再入大气层时，在一定的再入高度和时间内与地面测控站之间的通信联络严重恶化，甚至完全中断，这种现象被称为“黑障【l 】【2 j 。此时，航天飞行器在再入走廊中与地面测控站失去通信联络的区域通常被人们称为“黑障 区。“黑障 是人类继克服了“音障、“热障 之后在高速飞行研究中所面临的又一关键难题，同时也是人类在发展航天事业过程中遇到的障碍之一。“黑障 的出现，给航天器再入大气层带来了很大的危害。当航天飞行器的返回舱以十几马赫甚至几十马赫的超高速再入地球大气层时，航天飞行器的返回舱与其周围空气激烈摩擦，使返回舱周围空气分子呈黏滞状态，而该区域的温度不易散发，进而形成一个高达几千摄氏度的高温区( 一般可达3 0 0 0 k 以上) ，由于返回舱周围空气的激波加热和粘性加热，其结果使得返回舱表面的热防护材料烧蚀，同时周围空气发生离解或电离，返回舱周围形成一个高温高压电离气体层，该高温电离气体层就如同剑鞘一样包裹在航天飞行器返回舱表面，即为“再入等离子体鞘套 h i 3 ，而再入航天器处于等离子鞘套的前部，且被等离子鞘套包围着，故等离子体将对再入体发回地面的信号以及地面探测射频信号的传播常数产生影响使其既含有虚部也含有实部，其中实部可导致幅度衰减，一般可达8 0 d b 左右，虚部则导致相位偏移，相移是随机的过程，对下行调相信号将产生严重的影响，使得接收机几乎无法检测到微弱的散射信号，尤其是对遥测和锁相接收机。另外，等离子体中的离子复合过程所产生的电磁噪声有可能湮没多 i - n 设备的微弱检测信号，使测控系统功能失效。由此一来，“黑障 会增大地面测控站对返回卫星的捕获难度【l 】，如：不能及时获取太空测试数据，无法准确计算卫星落点等，给测控及搜索回收工作均带来一定困难。对载人飞船、航天飞机等载人航天飞行系统来说，航天员安全返回地面是载人航天飞行成败的关键，在航天器返回过程中，再入段是航天空难的多发段，例如：2 0 0 4 年8 月1 3 日美国宇航局( n a s a ) 初步确认哥伦比亚号航天飞机返回时，经过地球大气层，产生剧烈摩擦使温度高达摄氏1 4 0 0 度的空气冲入左机翼后融化了内部结构，致使机翼和机体融化，导致了哥伦比亚号空难的发生。为了避免航天空难的发生，地面测控中心应争取在尽可能短的时间内预报出返回舱的轨道和落点，以便组织对返回舱的有目的性的搜索任务。在再入飞行段的关键时刻，“黑障”使返回舱失去与地面测控中心的通信联络，轻则会使飞船返回舱偏离预定的着陆区域，延误对航天员和返回舱的及时搜索和救援；重则将危及飞行安全甚至航天员的生命。ll 绪论硕士论文随着空间探测技术的发展，“黑障”效应越来越备受关注，人们从2 0 世纪5 0 年代后期开始便在寻求减轻或消除再入通信中断问题的技术途径，希望通过理论研究以全面了解“黑障”区的电磁特性，以便择取最佳测控体制以确保地面站与航天器之间的通信无阻。为此，国内外业内专家在理论研究、数值仿真、室内实验及飞行试验等方面开展了大量工作，并取得了一些进展。美国宇航局( n a s a ) 早在上世纪5 0 年代就注意到航天飞行器以超高速再入地球大气层时存在着通信中断问题。如：1 9 6 5 年3 月两人驾驶的宇宙飞船“双子星座3 号 以高达2 1 5 m 返回时，通信中断了1 8 0 2 4 0 秒t 4 1 ；1 9 6 9 年7 月2 0 日“阿波罗 1 1 号飞船返回时，通信中断了1 2 0 秒；1 9 6 9 年1 1 月2 4 日“阿波罗”1 2 号飞船返回时，通信中断了1 8 9 秒：1 9 8 1 年4 月1 4 日，“哥伦比亚”号航天飞机，首次试飞按预定计划返回地面，大约在8 0 k m高空进入大气层后，航天飞机与地面之间的通信中断了9 0 0 秒，直到5 5 k m 高空时，速度从每小时约2 6 8 7 5 k m 减慢到每小时1 3 3 5 7 k m 以后，才恢复了与地面通信联系【3 】。苏联在1 9 6 7 年4 月“联盟 一号飞船返回时，大约在9 5 k m 高空时通信开始中断，直至l j 4 0 k m 高空时通信恢复正常，其问飞船飞行了2 5 0 0 k m ，飞船与地面通信中断时间约4 0 0秒1 3 1 。我国自行研制的“神舟”系列飞船从二十世纪末期开始徐徐拉开了深空探测的序幕，“神舟”系列飞船的成功发射向世人证明了中国的国力，同时也给航天科技工作者提出了新的挑战，因“黑障 导致通信中断的现象是一直面临的难题。神舟一号和神舟二号未引入减低“黑障”措施，再入过程中“黑障”区丢失目标的时间约2 0 多秒；神舟三号首次应用“预报轨迹方法 ，使再入过程中“黑障”区丢失目标的时间缩短至1 8 秒：神舟四号采用“炮镜引导方式 ，使再入过程中“黑障”区丢失目标的时间缩短至不到1 6秒；神舟五号联合应用“预报轨迹方法”和“炮镜引导方式 两种方法，使再入过程中“黑障”区丢失目标的时间缩短至不到1 5 秒；而到神舟七号，随着技术的不断改进和日趋成熟，其再入过程中“黑障 区丢失目标的时间只有1 1 秒。纵观神舟一号飞船到神舟七号飞船返回地面再入大气层的过程可看出，飞船在穿越“黑障 区时的信息中断现象仍不可避免。1 2 国内外研究现状等离子体“黑障引起的再入通信中断问题是在2 0 世纪5 0 年代末期研制战略导弹的过程中发现并提出来的【5 】，至今已有6 0 余年。几十年来，国内外业内专家针对“黑障”这一共同难题，在理论研究、数值仿真、室内实验、飞行试验及等离子体诊断技术等方面开展了大量工作并已取得了一定进展。自上世纪6 0 年代开始就已有相关求解等离子体电磁特性的数值方法的报道，这些理论算法至今已趋于成熟，相应的电磁仿真也已广泛应用于各种等离子体的研究中，并有相关飞行试验数据和结论，同时也有一些消2硕士论文“黑障”测控传输体制研究除“黑障”的实验和设想。但在寻找切实可行的消除“黑障 方法及工程措施方面仍是一个“瓶颈 ，这是目前技术上难以逾越的难点，同时也是科研领域中的热点。具体地，在理论研究和数值仿真方面，有矩量法( m o m ) 、有限元法( f e m ) 、边界元法( b e m ) 以及时域有限差分( f d t d ) 【6 】【7 】方法等。近几年又出现了处理色散介质电磁仿真的f d t d 算法，包括递推卷积法( r c ) 、z 变换法、辅助方程法( a d e ) 、电流密度卷积法( j e c ) 、y o u n g 直接积分法、分段线性递推卷积法( p l r c ) 、移位算子算法( s h i ro p e r a t o r ) 及分段线性电流密度递推卷积法( p l c d r c ) 等。而等离子体是一种特殊的色散介质，且有外加磁场时又会表现出各向异性的特质，因此国内外相关理论研究人士在探讨该色散介质的电磁特性时，多采用移位算子f d t d 算法研究非磁化等离子体特性，而采用辅助差分法研究均匀磁化等离子体特性。工程上也曾有大量关于美国国家宇航局( n a s a ) 所进行的诸如r a m 、t r a i l b l a z e ri i等的报道。从五十年代末至七十年代初，美国国家宇航局及美空军与许多宇航承包商协作制定了一系列旨在获取有关再入等离子鞘特性的研究计划，主要包括：再入环境飞行研究( f i r e ) 计划、空气热动力一结构系统环境试验( a s s e t ) 计划、“水星 和“双子星 计划、无线电衰减测量( r a m ) 计划、t r a i l b l a z e r i i 计划等【5 j 。r a m 计戈l j ( r a d i oa t t e n u a t i o nm e 舢e m e m s ) 是由n a s al a n g 1 e y 研究中心负责的大规模再入研究项目，该项目从理论和试验两方面研究了等离子体鞘套对再入返回舱通信系统的影响，同时也探讨了减少通信中断的方法。在此项目中，研究中心使用多种先进的设备进行了一系列地面试验和多达8 次飞行试验，其内容有：( 1 ) 衰减的基本理论和对地面试验数据的飞行校正；( 2 ) 研究等离子体环境下对各种天线设计的影响；( 3 )研究测定流场参数的方法；( 4 ) 研究减轻甚至消除通信中断的各种技术。r a m 计划是一项规模最大、耗时最长的研究航天器通信过程中射频电磁波衰减的计划。在进行的8次飞行试验中，遗憾的是1 次失败，7 次取得了成功，其中4 次再入的速度是5 5 k m s ，最后3 次再入的速度是7 5 k m s 。其中r a m c i 和r a m c i i 飞行试验结果表明，提高射频工作频率可推迟进入“黑障 高度，但出“黑障 的高度相差不多，甚至较高频段的信号出“黑障”反而晚些。而r a m c 1 试验中，在弹头上同时安装2 2 0 m h z 、5 7 0 0 1 v i n z和9 2 0 0 m h z 三副天线，所记录的通讯信号开始中断的高度分别为8 0 k m 、5 4 k i n 和4 0 k m ，信号结束中断的高度在2 3 2 2k m 之间，如图1 1 【5 】所示。通过r a m 试验，美国宇航局在一定程度上掌握了再入等离子体鞘套的特性以及减少通信中断的方法，遗憾的是这些试验数据为涉密信息，不能从公开文献中获得。3l 绪论硕士论文1 0 0g卫= 7 5趟妪5 02 5034速度( k 款)678图卜1r a m - c i 试验中三种不同频率下“黑障 区高度一飞行器速度曲线值得注意的是，r a m 和t r a i l b l a z e r i i 飞行都进行了在返回舱天线的方向域内喷水和喷注四氯化二碳、三溴化硼等“亲电 液体的试验，试验的结果报道，喷水措施未能达到预期的减轻通信中断的效果，而采取喷注亲电液体与改善返回舱气动外形相结合的措施能较好地解决再入通信中断问题。另外，利用低导热亲电材料的防热层烧蚀技术来减轻再入通信中断的试验也获得了一定的进展。国内在2 0 世纪8 0 年代初由中科院力学所等单位开展了再入通信可行途径的地面试验，采用粘性激波层简化模型得到了再入飞行器等离子体鞘电子密度分布的初步结果。不仅如此，在“黑障 问题的解决上，考虑到航天过程中的成本和体积因素，我国放弃了如喷射亲电子液体及加磁场等代价昂贵、体积重的方案，选择了记忆重发与回收存储体相结合的方法来解决“黑障区通信中断的方法随1 嘲。另外，对现有资料的查询可获知国内外在减小“黑障新理念方面的报道，如在再入返回舱的天线区附近加一个极强的磁场，但采用现代超导技术产生强磁场所需设备也太大，无法上天。另外，在返回舱天线的方向域内向再入等离子体鞘套喷注亲电子液滴( 如水、四氯化二碳、三溴化硼等) ，吸附自由电子，以降低等离子体鞘套中自由电子密度，从而减轻射频电磁波的衰减。但实测结果表明，效果不太明显，不足以克服中断。除以上报道的方法以外还有用高功率、返回舱外形、加电场、尾部天线、超低频、变频通信、激光等措施克服“黑障 的多种方法。由此可见，所有的研究工作并没有在工程上得以真正的实现，再者，纵观国内外的各种研究成果，也并没有找到不同测控体制在不同工作频率下穿越“黑障 时误码率的分析建模及其定量计算，这正是本论文需做的研究、仿真和探讨工作。1 3 本论文的主要工作本文对“黑障 区信息传输体制和减轻“黑障 措施两个方面进行研究。航天器再入大气层时，其表面将形成高温电离气体层，通常称之为等离子体鞘套。该鞘套的出现将使再如航天器与地面测控站通信所用的电磁波传输严重衰减，这将导致4硕士论文。黑障”测控传输体制研究飞行器与地面间的信号完全中断，造成指挥、控制等电系统局部以致全部失灵，人类一直在苦苦探寻着减轻甚至消除再入等离子体鞘对通信影响的方法。本文针对“黑障 区电磁特性、电磁波传播特性及信息传输特性进行研究，为减小“黑障现象做理论铺垫。并分析总结现行各种减轻“黑障 的方法和措施以比较各自的工程可行性和有效性。本论文主要内容如下：第一章：简要介绍了本文的研究背景、国内外研究现状及本文所完成的主要工作。第二章：介绍了等离子体的概念、分类、电参数、研究方法等，进而为“黑障 的产生机理以及“黑障 区信息传输模型提供理论支撑。第三章：在第二章已建立模型的基础上，分析飞行器再入大气层过程中“黑障 区的电磁特性，包括“黑障 区等离子体鞘套中的电子浓度、等离子体振荡频率以及等离子体碰撞频率与飞行高度的对应关系。其次将“黑障 区视为无限大均匀非磁化等离子体，并建立其计算模型，据此模型由电磁场理论中的波动方程获取射频电磁波穿越“黑障”区时其衰减常数和相位常数与等离子体的振荡频率、等离子体碰撞频率及射频电磁波工作频率的函数关系，最终借助于m a t l a b 软件编程、仿真计算各波段射频电磁波在不同高度下时的衰减常数和相位常数，进而计算电磁波穿越等离子体鞘套后的总衰减值和相位偏移量。第四章：在分析了“黑障 区的电磁特性和“黑障 区电磁波传播特性的基础上，建立“黑障 区等离子体环境下信道仿真模型，据此模型获取三种调制体制分别在相干、非相干解调方式下误码率的计算流程图，继而推导出各自误码率的计算公式，最终借助于软件编程、仿真计算各波段射频电磁波在不同高度时各种调制解调系统的误码率，由此分析总结出各体制的优劣。第五章：最后分析总结现行各种减轻“黑障 的方法和措施以比较各自的工程可行性和有效性。2 “黑障”概述及“黑障”区信息传输模型硕士论文2 “黑障”概述及“黑障”区信息传输模型“黑障 是飞行器在再入大气层过程中出现的一种特殊现象，粗略的分析是由于飞行器与大气层的高速摩擦而使飞行器表面材料及周边大气电离，产生大量带电粒子附着于飞行器表面，形成等离子体鞘套，从而对工作环境下的某些频段的射频信号产生深度衰减而使地面站接收信号消失，因此“黑障区的形成与等离子体息息相关。2 1 等离子体理论基础2 1 1 等离子体含义凡包含足够多的电荷数目近于相等的正、负带电粒子的物质聚集状态，称为等离子体，它是宇宙空间普遍存在的一种物质状态，是与物质的固态、液态、气态并列的第四态【l o 】【1 1 1 。2 1 2 等离子体常见的分类等离子体内存在离子、电子和中性粒子( 不带电荷的粒子，如原子或分子以及原子团等) 三种粒子，等离子体定义电离度a 以此来衡量等离子体的电离程度。n a2 j 。( 也+ d )上式中m 、m 、o 分别为电子、离子、中性粒子的密度。在一阶电离情况下，m f ，所以电离前气体分子密度为m + o 。根据不同的方式可以分为以下几类【1 0 】：按电离度分类( 1 ) 弱电离气体，将电离度小于1 的气体称为弱电离气体( 2 ) 完全电离等离子体，将电离度大于或等于1 的称为强电离等离子体。按存在分类( 1 ) 天然等离子体。将自然界自发产生的等离子体与宇宙中存在的等离子体统称为等离子体。( 2 ) 人工等离子体。通过外加能量激发电离物质形成的等离子体称为人工等离子体。按粒子密度分类1 0 l6硕士论文“黑障”测控传输体制研究( 1 ) 稀薄等离子体。当粒子密度n 大约在1 0 3 6 c m - 3 ，核子间碰撞基本不起作用，这时称稀薄等离子体。( 2 ) 致密等离子体。当粒子密度n 高达1 0 2 纯8 c m - 3 ，就可称为致密等离子体；2 1 3 等离子体电特性参数( 1 ) 等离子体的电子密度将等离子体中每立方厘米中所含有的自由电子数目称为等离子体的电子密度。显然等离子体电子密度与等离子体温度以及大气原来的密度有关。( 2 ) 等离子体振荡角频率。在等离子体中，自由电子受外力会偏离平衡位置，将会产生静电恢复力而形成振荡，其振荡频率称为电子等离子体振荡角频率。由于离子的质量远大于电子的质量，电子对该振荡几乎没有影响，因此该振荡频率又称等离子体振荡角频率。而等离子体振荡角频率一般为广亨= e f 旦：5 0 2 1 0 m 万q = f 2 ) vy6 0 m ,式中e 为电子的电量，单位为c ，为等离子体的电子密度，单位为c m 3 ，氏为自由空间介电常数，m 。为电子的质量，单位为k g 。( 3 ) 碰撞频率。碰撞频率用来衡量电子在等离子体中与重型粒子( 中性分子、正离子) 的有效碰撞速率。一般用单个电子在单位时间内与重型粒子碰撞的平均数来计量。用u 来表示，单位为，1 【1 2 1 。2 1 4 等离子体研究方法目前研究等离子体的方法主要有三种【1 0 】：( 1 ) 连续性方法该方法将等离子体视为连续的流体束处理，研究等离子体与电磁场之间的相互作用，以及流体束在电磁场作用下的运动规律。以磁流体动力学和电流体动力学八个方程( 四个麦克斯韦电磁方程式、电导率方程式、流体力学连续方程式、运动方程式和热力学方程式) 为基础，依给定的初始条件，对等离子体进行具体分析，等离子体的特性只用宏观参量来描述。连续性方法是流体力学的分支，一般用于热等离子体、磁流体动力发电等领域。( 2 ) “统计分析”法“统计分析 法为动力学的一个分支。运用“统计分析 法研究等离子体，一般将等离子体视为单个粒子的集合体，等离子体运动结果则不再视为单个粒子的行为，而表现为集体行为。“统计分析”法采用微观变量来描述等离子体，其微观变量是在粒子分72 “黑障”概述及“黑障”区信息传输模型硕士论文布函数上取统计平均，而粒子分布函数通常是麦克斯韦分布。这一理论对工业等离子体工程的大多数分支均适用。( 3 ) “黑匣子”法该方法将等离子体当作只具有输入端和输出端的一个黑匣子，与等离子体相关过程所预期的输出，只通过调节输入端参量就能达到。这种方法并不注重了解黑匣子中发生的等离子体物理过程。“黑匣子 法也是工业等离子体工程应用最为广泛的一种方法。2 2 航天器的返回过程航天器是指在地球大气层以外的宇宙空间基本上按照天体力学规律运行的各种飞行器。航天器返回一般经历以下几个阶段：离轨段、过度段、再入段和着陆段，如图2 1 所示【1 3 】f 1 4 1 。图2 1 航天器返回再入轨道示意图( 1 ) 离轨段离轨段即o - p 段。一般地，航天器是在某个天体引力场作用范围内，按中心引力场作用下的天体力学规律运动，运行轨道是不与稠密大气层相交的椭圆轨道。通过制动发动机改变航天器运行速度的大小和方向，可使它脱离原来的运行轨道转入与地球大气层相交的内心轨道，该轨道称为返回轨道，建立返回轨道的过程称为离轨过程，制动发动机工作段称为离轨段。( 2 ) 过渡段过渡段即p - e 段。返回轨道中从制动发动机熄火到返回舱进入稠密大气层这一段，是在稀薄大气中，返回舱脱离原椭圆轨道后，需经过多次轨道修正，确保返回舱准确并准时进入再入走廊，在此过程，返回舱基本上按天体力学运动规律飞行，称为返回轨道的过渡段，在此段需经多次轨道修正，确保返回舱准确并准时进入再入走廊。r硕士论文。黑障”测控传输体制研究( 3 ) 再入段再入段即e - f 段。大约从1 0 0 k i n 高空至伞开始工作的高度称为返回舱的再入段，在此阶段返回舱不仅受到地球引力的作用，还受到空气动力学的作用，同时大气密度逐渐增加，气动加热逐渐严重的返回轨道段称为再入段。( 4 ) 着陆段着陆段艮pf - c 段。航天器进入返回轨道末端，利用着陆系统或滑翔飞行使返回舱软着陆的航行轨道，称为着陆段，此时返回舱飞行马赫数接近o 8 左右，伞开始工作到软着陆为止，返回舱与回收伞组成多体交感的动力学系统，其中伞起重要作用，因此，受风的影响比较严重。2 3 “黑障 产生机理航天飞行器的返回舱以十几马赫甚至几十马赫的超高速再入地球大气层时，航天飞行器的返回舱与其周围空气激烈摩擦，使返回舱周围空气分子呈黏滞状态，而该区域的温度不易散发，进而形成一个高达几千摄氏度的高温区( 一般可达3 0 0 0 k 以上) 。由于周围空气的激波加热和粘性加热，其结果使得返回舱表面的热防护材料烧蚀，同时周围空气发生分解或电离，返回舱周围形成一个高温高压电离气体层，该高温电离气体层就如同剑鞘一样包裹在航天飞行器返回舱表面，称为“再入等离子体鞘套 【1 5 】【1 6 】【1 7 】【18 1 。等离子体鞘的结构、特性和飞行器形状、再入轨道密切的相关，图2 2 为神舟七号飞船返回舱再入流场结构示意图。在等离子体鞘中，电子密度一般可达到1 0 1 1 c n l - 3 1 0 ”e r a - 3 1 6 l ，如此高的电子密度足以形成一个“屏蔽鞘 ，使得飞行器常用频段的通信电磁波无法传输出去，这种现象被称为“黑障 。此时，航天飞行器在再入走廊中与地面测控站失去通信联络的区域通常被人们称为“黑障 区。图2 - 2 神舟七号飞船返回舱再入流场结构示意图92 “黑障”概述及“黑障”区信息传输模型硕士论文2 4 “黑障 区信息传输模型的建立( 1 ) 建立飞行器再入过程中“黑障”特性以及“黑障区电磁传播特性仿真模型航天飞行器再入过程中的“黑障 特性可归结为穿越等离子体鞘套的射频电磁波的吸收、反射和散射效应，具体反映为电磁波传播常数，= a + ，卢( 其中a 为衰减常数，p为相移常数) 或复介电常数叠随射频工作频率厂、飞行器再入高度h 及其速度v 变化时的特性研究，因此对“黑障”特性的仿真即为对穿越“黑障 区的某特定频段射频电磁波的幅度和相位随再入过程的时变特性仿真。( 2 ) 建立信道仿真模型目前所了解的各种通信系统中，为了使信号在空间传输过程中具有较强的抗干扰能力，通常需对基带信号进行调制，即采用不同方式使载频信号的幅度、频率或相位随数字基带信号而变化，从而分别获得调幅、调频或调相的已调信号，其不同调制体制的选择据不同应用场合而定。穿越等离子体区的射频电磁波必将因等离子体对电磁波的反射、透射和吸收效应而呈现出幅度衰减和相位偏移特性，其基本原理如图2 3 所示。s ( t ) = a c o s ( o x + )s ( t ) = a c o s ( o g t + t p l )图2 3 等离子体改变通讯信号特征的基本原理在射频传输系统中，通信信号由发射端经等离子体层到达接收端，若将等离子体看作半导体介质，根据等离子体对通信信号特征的改变机理及数字通信系统中2 a s k 、2 f s k 、2 p s k 调制解调方式的抗噪性能分析，可在普通2 a s k 、2 f s k 和2 p s k 信道中加入等离子体鞘套段，将“黑障”对传输信号幅度和相位的时变影响以误码率的形式给出结果，并比较各种调制解调系统的计算、仿真结果，由此分析各调制体制的优劣。各调制体制在相干、非相干解调方式下的误码率计算流程图如图2 - 4 至图2 8 所示。1 0硕士论文。黑障”测控传输体制研究2 a s k 相干解调图2 - 42 a s k 相干解调误码率计算流程二进制序列元宽度为t f ( s )幅度为a乘法器余弦信号频率为- r2 a s k 调制s t ( t )时变等离子体鞘层声n i 以等离子体信道以t )带通滤波器( 中心频率为f )滤除带外干扰信号使信号无失真通过低通滤波器滤除高频信号抽样判决器( 判决门限为a 22 a s k 非相干解调图2 52 a s k 非相干解调误码率计算流程p e根据抽样值的概率分布函数求误码率计算2 “黑障”概述及“黑障”区信息传输模型硕士论文1 2余弦信号频率为正二进制序列元宽度为，矿( 占)幅度为a余弦信号频率为力反相器卜一_ 叫塑地墨2 f s k 调制s t ( t )时变等离子体鞘层声以等离子体信道y 确带通滤波器( 中心频率为石)滤除带外干扰信号使信号无失真通过带通滤波器( 中心频率为石)滤除带外干扰信号使信号无失真通过余弦信号频率为疗，幅度为2y 例抽样判决器( 判决门限为0 )矿哥i 嚣纂b余弦信号频率为厶，幅度为22 f s k 相干解调图2 - 62 f s k 相干解调误码率计算流程p c根据抽样值的概率分布函数求误码率计算硕士论文。黑障”测控传输体制研究二进制序列l。0元宽度为j 矿( ，) 卜叫反相器h 塑垫登幅度为口li余弦信号频率为石2 f s k 调制s 刑时变等离子体鞘层声瞳等离子体信道y 包络检波器x ，抽样判决器( 判决门限为o )带通滤波器i篡善鬻鲁切哦滤除带外干扰信号r ：7 五1 兰! = 竺堡竖至厂= 磊_y，l，使信号无失真通过i2 f s k 非相干解调图2 72 f s k 非相干解调误码率计算流程余弦信号频率为厂开关电路0 广一s 2 p s k 调制s t )p e根据抽样值的概率分布函数求误码率计算时交等离子体鞘层声刀，履等离子体信道m 何丽磊两余弦信号频率为，幅度为22 p s k 相干解调图2 82 p s k 相干解调误码率计算流程p e根据抽样值的概率分布函数求出误码率计算1 3何一陋一一一一糊籼黼竹3 “黑障”区电磁特性及电磁波传播特性硕士论文3 “黑障”区电磁特性及电磁波传播特性自然界的大气层可视为一无耗无界的介质区，但当飞行器以高速再入大气层时，其周边大气已形成了不可忽略的电、磁特性，具体体现为飞行器周边大气对电磁波有屏蔽、吸收和反射特性，其结果使得航天所用频段的射频电磁波在穿越再入大气层时将产生幅度衰减和相位偏移等效应。3 1 电磁波在一般导电媒质中的传播特性射频电磁波在电导率仃0 的导电媒质中传播时的衰减常数、相位常数与导电媒质本征参数之间的关系如下【1 9 】p = ( 3 1 )( 3 2 )式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) 中p 为导电媒质的磁导率，单位为- m ( 亨利米) ，s 为导电媒质的介电常数，单位为f m ( 法拉米) ，仃为导电媒质的电导率，单位为s m ( 西门子米) ，仅为电磁波的衰减常数，卢为相移常数。3 2 “黑障 对电磁波传播特性的公式推导及分析3 2 1 分析模型的建立等离子体环境下射频电磁波的边值问题十分复杂，难以建立分析模型，更不可能获取其精确场解。因此，我们将航天飞行器在再入大气层时其周围形成的等离子体鞘套视为无限大且均匀非磁化的导电媒质。由此一来，在无限大均匀的假设下，等离子体对电磁波的折射、衍射效应均可以忽略；在非磁化等离子体的假设下，则可以忽略电磁波的磁场分量对电子的作用力，而将等离子体鞘套中的单个电子在射频电磁波电场分量作用下的振荡运动视为电偶极子，将该电偶极子对原射频电磁波所产生的附加电场效应折算为原射频电磁波工作环境下的媒质特性，具体用介电常数参量s 描述 2 0 1 一【2 9 1 。等离子体鞘套中的电子在电磁波电场分量作用下所产生的偶极子分析模型如图3 1所示【l o j ，图中，。为电子振荡起始位置，广。为振荡终止位置，则其偶极矩为p 。= 吼p 。一，。) 。1 4硕士论文“黑障”测控传输体制研究吼( ，t - r o )图3 1 等离子体鞘套中电偶极子的分析模型3 2 2 “黑障 区电磁波传播常数的推导因等离子体鞘套中的离子质量远大于电子，故可视重离子为静止、均匀分布。而等离子体鞘套中的电子除受电磁波的电磁场作用外，在运动中还将受到一个类似于物体在流体中所受到的粘滞力或摩擦力作用，这种力可以用碰撞角频率址来表示，因为碰撞角频率吃是以电子损失掉它的全部动量作为一次碰撞来计算的，有时又称其为动量转移碰撞频率。于是，等离子体鞘套中的电子在电磁波中的运动方程为册。；吒= 2m e o - q e e。( 3 3 )册p ：v e2一tu 。7式( 3 3 ) 中m 。为电子的质量，吃为电子运动速度，q 。为电子电量。另一方面，在图3 1 所示的模型下，等离子体鞘套内单位体积内偶极矩的总和即为极化强度凡：p t = 他g 。( 乏一昂)( 3 4 )式( 3 4 ) 中，吃为电子密度，单位是朋一。相应的极化电流密度无为珐昙丘= 以吼吃( 3 5 )对式( 3 3 ) 两边同乘以电子密度吃可得垅。昙吃= n , q , 一e n , m ：眈吃( 3 6 )垅e 瓦匕2一：眈匕( 3 白式( 3 6 ) 等式两边同乘以电子电量吼并整理后得丢( 嗽) = 警) - g 吨幔( 3 7 )将式( 3 5 ) 及等离子体中电子振荡角频率= ( 他蠢e 。他) 2 代入式( 3 7 ) ，得3 “黑障”区电磁特性及电磁波传播特性硕士论文誓：岛西雹一吃了。( 3 8 )研”。将式( 3 5 ) 代入式( 3 8 ) ，得嘉珐西秀一吃警( 3 1 0 )在时谐场中，式( 3 1 0 ) 可化为一国2 意= 。武壹一向叱意( 3 1 1 )由式( 3 1 1 ) 可得极化强度。为意一。摹2 ( 1 一歹耖壹( 3 1 2 )将式( 3 1 2 ) 与均匀媒质中的极化强度公式e = z 。e对比，可得等离子体鞘套中的极化率厄、相对介电常数s ，和介电常数s 分别为一手壶= 一禹一一，老禹限s ，= 1 + 厄( 3 1 4 ) 吲，屹庵羽一禹一去禹， 从式( 3 1 5 ) 可以看出，等离子体鞘套中的介电常数s 不仅是一个复数而且其实部和虚部均为工作角频率、碰撞角频率眈以及等离子体电子振荡角频率嘞的函数，也表明等离子体鞘套是一种时变的有耗色散媒质【1 0 1 。现推导图3 - 2 所示的沿切轴方向传播的电磁波在等离子体鞘套中的传播常数y 与射频工作角频率、碰撞角频率吃以及等离子体电子振荡角频率的函数关系【1 6 1 。1 6硕士论文“黑障”测控传输体制研究图3 - 2 沿十z 方向有衰减的传播的电磁波图3 2 中所示电磁波的电场分量瞬时式可表为e ( z ，f ) = e o e 一7 。e j = e o e 一口。一，卢。e j e o t( 3 2 0 )式( 3 2 0 ) 中y = 口+ j f l ，为电磁波的传播常数。据导电媒质中电磁波的传播常数与导电媒介中的波数之间的关系，2 ，k = a + j f l ，及乞= 肛。一般取p = 1 ，结合式( 3 1 5 ) 经整理可得衰减常数口和相位常数p 分别为口= 球一专，+卢= 老 ( 1 _ 南，+卜所， 2 - )其中c 为自由空间光速c = 1 一= 3 1 0 8 m s、心s o将1 肋= 8 6 8 d b 代人式( 3 2 1 ) 与式( 3 2 2 ) ，可得删饼6 8 南小 i ( r a d m ) c 3 2 2 )卜3 ，1 73 “黑障”区电磁特性及电磁波传播特性硕士论文脚艄6 8 - 一南+卜3 “，3 2 3 “黑障”区电磁传播特性的计算及分析等离子体环境下射频电磁波的边值问题十分复杂，难以建立分析模型，更不可能获取其精确场解。因此，我们将航天飞行器在再入大气层时其周围形成的等离子体鞘套视为无限大且均匀非磁化的导电媒质。3 2 2 节的理论分析可知，射频电磁波在等离子体鞘套内的衰减常数a 和相位常数卢分别为删粥8 爿南山脚瞄8 廿南+卜聊， 2 5 ， _ ， 2 6 ，式( 3 2 5 ) 和式( 3 2 6 ) 中厂、石和五分别表示射频电磁波的频率、等离子体的振荡频率和碰撞频率，c 为光速。计算过程中，考虑到数据的可获性及对神舟系列的可参照性，本论文参考了西安卫星测控中心胡红军等人所写的论文雷达与u s b 在“黑障”区对返回舱捕获跟踪分析研究，从中获得了9 2 1 3 ( 载人飞船系统) 任务飞船的返回舱在“黑障 区不同高度h下的大气电离电子浓度他、等离子体的振荡频率五及其碰撞频率无等参数【3 0 l ，由此可计算出该返回舱对s 、c 、x 、k u 、k 和k a 波段的射频电磁波在等离子体鞘套内传播时的衰减常数a 和相位常数卢，分别列于表3 1 、表3 2 、表3 3 和表3 _ 4 中，各表中阴影部分数据分别为不同频段射频电磁波在不同高度时所对应的较大衰减常数值，由此可判断航天飞行器进、出“黑障”区的高度。需要说明的是，在2 f s k 调制体制中，用两个频率的载波来传递数字信号0 和l ，且不同频率的射频电磁波在“黑障 区的传播特性亦不同，故表3 1 、表3 2 、表3 3 和表3 - 4 分别列举了2 f s k 两个频率点所对应的衰减常数a 和相位常数j b