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近空间飞行器信道特性研究

石磊  
【摘要】:近空间是指航空平台和航天平台所在领域之间的空域(20-100km),近些年各国对近空间及其飞行器的开发和应用十分热衷。目前国内外正在开发或验证的近空间飞行器包括低动态的高空气球、高空飞艇和高动态的高超音速飞行器等类型,近空间飞行器由于其独特的空域优势使得其在通信保障、情报收集、监视、侦察、预警和导航等方面极具发展潜力。然而近空间飞行器的测控和通信问题上存在低信噪比、大动态多普勒、等离子鞘套黑障等问题,一直未能得到深入研究。而无线通信的基础是必须对其信道做深刻的理解,因此要想解决好近空间飞行器的测控和通信问题则必须对近空间飞行器的信道特性做深入研究。 针对各类近空间飞行器的测控与通信问题,本文主要开展近空间飞行器的信道特性研究,研究近空间高动态和低动态飞行器的大气电波传播链路特性、大气传播信道特性、等离子鞘套电波传播特性、等离子鞘套信道特性,并在此基础上构建近空间大气传播信道模型、等离子鞘套信道模型、近-地/近-空综合信道模型,评估复杂综合信道下测控通信系统性能,并对近空间飞行器的测控通信给出合理的建议。本文所研究的内容可为国内近空间飞行器测控和通信体制的确立提供信道理论基础支撑。具体研究内容和作者的主要贡献概括如下: 1.研究了近空间低动态飞行器的链路特性和信道特性,提出了频率选择性慢衰落的近空间低动态飞行器信道模型。针对近空间飞行低动态飞行器,首先从通信链路出发,根据ITU相关标准和衰减模型分析预测了近空间的电波传播损耗,包括自由空间衰减和链路上其他大气损耗,其中大气损耗部分包括气体吸收、降雨衰减、云雾损耗和大气闪烁等效应。仿真分析结果表明说雨衰的影响最大,其他效应的影响较小在高频段时甚至可以忽略。其次从无线通信信道理论出发,定性分析得到了近空间大气传播信道的相干时间和相干带宽,并将其建模为频率选择性慢衰落信道。最后分别仿真分析了频率选择性慢衰落信道和Ka雨衰信道对典型测控通信系统性能的影响,并给出了Ka高频段通信时对抗雨衰的建议。通过分析认为近空间低动态飞行器在高速通信方面具有极大的优势。 2.提出了基于OFDM技术的近空间低动态中继通信系统方案(NLDV-OFDM-TDRS)。在分析我国现有卫星通信中继能力不足和美国TDRSS系统缺陷的基础上,考虑到近空间低动态飞行器的驻留特点以及低动态飞行器大容量高速通信的潜力,提出了基于近空间低动态平台的通信中继系统方案。同时在分析OFDM技术独有的对抗多径能力和支持非对称业务等优势的基础上,首次提出将OFDM技术作为中继通信系统的高速传输的物理层核心技术。 3.提出了近空间OFDM中继通信系统下一种新的低复杂度的LMMSE信道估计算法。该算法针对LMMSE算法存在信道估计器矩阵求逆运算复杂度大问题,提出了一种以相关带宽为准则提取信道自相关矩阵关键信息的子阵分块算法,根据信道相关带宽所计算的分块尺度将信道自相关矩阵分割为若干子块,包括非重叠分块法和重叠分块法。运算求逆过程中仅利用表征信道主要信息量的低频对角子阵而忽略其他表征高频信道信息子阵,从而降低LMMSE算法中大的自相关信道矩阵求逆运算所带来复杂度。仿真分析表明该算法能以较微弱的性能代价换取系统复杂度的明显降低。 4.研究了近空间高动态飞行器大气传播信道特性和等离子鞘套信道特性,提出了频率选择性快衰落的近空间高动态信道模型和等离子鞘套信道模型。重点针对近空间高动态飞行器存在的独特的等离子鞘套信道环境,从无线电波传播机理出发,深入研究了电波在等离子体的传播特性。给出了等离子体电参数获取方法,明确了电波传播特性电子密度分布、碰撞频率和入射电波频率之间的关系。研究了FDTD算法在非均匀等离子体电磁计算中的可行性,并采用PLJERC-FDTD算法计算获取了等离子鞘套的透射/反射功率系数和相位偏移特性。最后提出了等离子鞘套信道的数学模型,深入研究并重新定义了等离子鞘套信道的大尺度信道特性和小尺度信道特性。 5.提出了近-地高/低动态综合信道模型和近-空高/低动态综合信道模型。针对近空间飞行器与地面测控平台和天基平台通信时复杂的信道环境,在大气电波传播信道特性和等离子鞘套信道特性研究的基础上,根据通信对象的不同和飞行器动态性的差异,提出了近-地高/低动态综合信道模型和近-空高/低动态综合信道模型,并给出了四类综合信道模型的仿真实现方法,通过仿真分析了四类综合信道下典型测控通信系统性能,给出了对抗综合信道改善测控通信质量的建议。


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