临近空间高速飞行器综合信道模型研究

第３２卷第７期　２０１１年７月　宇　航　学　报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ　Ｖｏ１．３２　Ｎ０７　．Ｊｕｌｙ　２０１１　临近空　间高　速飞行器综合信道模型研究　石　磊　，郭宝龙　，刘彦明　，赵　蕾　（１．西安电子科技大学ＩＣＩＥ研究所，西安７１００７１；２西安电子科技大学通信工程学院，西安７１００７１）　摘　要：针对临近空间飞行器在高速飞行时所经历的高动态多普勒和等离子鞘套等恶劣通信环境以及其通　信中断问题，提出了临近空间高速飞行器的综合信道模型方案，在对综合信道内电波传输信道特性分析的基础上　将其建模为频率选择性快衰落信道；同时建立了等离子鞘套信道的数学模型，利用传输矩阵法和ＦＤＴＤ算法计算　了表征大尺度衰落的电波传输透射系数，并根据散射信道建模方法给出了小尺度衰落的仿真模型并对其参数的获　取进行了分析。仿真计算和定性分析表明了该综合信道模型方案的可行性。　关键词：临近空间；等离子鞘套；信道模型；动态多普勒；时延扩展　中图分类号：Ｖ２７１．４；ＴＮ９２６　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—１３２８（２０１１）０７—１５５７—０７　ＤＯＩ：１０．３８７３／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—１３２８．２０１１．０７．０１８　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　Ｎｅａｒ・Ｓｐａｃｅ　Ｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　ＳＨＩ　Ｌｅｉ　，ＧＵＯ　Ｂａｏ—ｌｏｎｇ　，ＬＩＵ　Ｙａｎ—ｍｉｎ　，ＺＨＡ０　Ｌｅｉ　（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　Ｉｍａｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉＤｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００７１，Ｃｈｉｎａ　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＸｉＤｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００７Ｉ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｍｏｄｅｌ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ａ　ｒａｄｉｏ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｃｈａｎｎｅｌ　ａｎｄ　ａ　ｐｌａｓｍａ　ｓｈｅａｔｈ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　Ｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃ　Ｎｅａｒ－ｓｐａｃｅ　Ｖｅｈｉｃｌｅ（ＨＮＳＶ）ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｂｌａｃｋｏｕｔ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｈｉｇｈ　ｄｙｎａｍｉｃ　Ｄｏｐｐｌｅｒ　ｓｈｉｔｆ　ａｎｄ　ｐｌａｓｍａ　ｓｈｅａｔｈ．Ｔｈｅ　ｒａｄｉｏ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｉｓ　ａｄｖｉｓｅｄ　ｔｏ　ｍｏｄｅｌ　ａｓ　ａ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｆａｓｔ　ｆａｄｉｎｇ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．Ｔｈｅ　ｐｌａｓｍａ　ｓｈｅａｔｈ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｆａｄｉｎｇ，ｓｍａｌｌ　ｓｃａｌｅ　ｆａｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｎｏｉｓｅ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｆａｄｉｎｇ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒａｄｉｏ　ｗａｖｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｕｓｉｎｇ　ｓｃａｔｔｅｒ　ｍａｔｒｉｘ　ｍｅｔｈｏｄ（ＳＭＭ）ａｎｄ　ＦＤＴＤ　ｍｅｔｈｏｄ，　ａｎｄ　ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｉｍｅ　ｄｅｌａｙ　ｐｏｗｅｒ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｎｄ　Ｄｏｐｐｌｅｒ　ｐｏｗｅｒ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｆｏｒ　ｓｍａｌｌ　ｓｃａｌｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｂｒｉｅｆｌｙ．Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｓｃｈｅｍｅ　ｗｏｕｌｄ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｎｅｗ　ｗａｙ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃ　ｆｌｉｇｈｔ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｂｌａｃｋｏｕｔ　ｉｎ　Ｎｅａｒ—ｓｐａｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｎｅａｒ　ｓｐａｃｅ；Ｐｌａｓｍａ　ｓｈｅａｔｈ；Ｃｈａｎｎｅｌ　ｍｏｄｅｌ；Ｄｙｎａｍｉｃ　ｄｏｐｐｌｅｒ　ｓｈｉｔ；Ｄｅｌｆａｙ　ｓｐｒｅａｄ　０　引　言　鞘套的存在而产生通信中断。等离子鞘套层会吸收　和散射电磁波，使得通信信号发生衰减、相移、时滞、　色散等效应，导致通信的中断（即黑障）。这两者都　将给飞行器的测控通信以及通信的设计带来巨　大的挑战。　距离地面２０—１００ｋｉｎ的临近空间由于其独特　的空间环境特性正引起各国的高度重视，将广泛地　应用于军事目的。对于高速临近空间飞行器　（Ｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃ　Ｎｅａｒ　Ｓｐａｃｅ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ＨＮＳＶ），一方面由　等离子鞘套的结构、电磁参数时变性较强且与　飞行器的外形、速度、高度、烧蚀材料等的关系错综　复杂。美国从２０世纪６０年代就开始了大量的黑障　于其飞行速度快且动态变化，其与通信端存在高动　态的多普勒效应；另一方面高速飞行时会因等离子　收稿日期：２０１０－０６—２８；　修回日期：２０１１一叭－０５　基金项目：国家自然科学基金（６０８０２０７７）；国家重大专项工程子课题（３６０９２０４０４）　１５５８　宇航学报　第３２卷　技术研究，相继开展的工程计划有：ＦＩＲＥ工程、无线　电测试工程（ＲＡＭ）、水星金星工程和开拓者２号工　程等，获取了大量的飞行测试数据。文献［１］指出　飞行器处于１２５—１５ｋｍ的高度范围内才存在等离　子鞘套，且在２７ｋｍ处等离子鞘套的厚度和浓度达　到最大值。国内外飞行试验的大量统计数据也表　明，毫米波段的无线电波中断发生在１００—２０ｋｍ高　度范围内。文献［２］综述了等离子鞘套的起因和削　弱等离子鞘套对电波传输影响的措施和技术手段。　文献［３］给出了十几种可能的物理化学措施建议并　讨论了各种措施的可行性程度，其中包括使用高频　段、高功率、改善气动外形、亲电子物质和强磁场等。　文献［４—６］中给出了目前国内外专家认同的三大　主流黑障削弱技术，包括气动成型、外加磁场以及喷　射液态的亲电子物质或使用亲电子的烧蚀材料。文　献［７—８］阐述了最新发展的黑障削弱技术，基于阴　极斑弧喷射的固体化学物质淬火技术和二维电磁窗　削弱技术。这些物理化学手段在一定程度上将削弱　等离子鞘套对通信的影响，但电磁波能量的衰减仅　仅是造成通信中断的一方面，通信信道和的设　计同样至关重要。为了设计合适的通信，就有　必要首先了解飞行器在临近空间高速飞行下的信道　特性。本文将对ＨＮＳＶ做综合信道建模，包括空间　电波传输信道和等离子鞘套信道两部分，并探讨了　这两部分各自的信道特性。　本文第一节论述了综合信道模型的建立；第二　节详细分析了电波传输信道的特性，并给出了将其　建立为频率选择性快衰落信道的理论依据；等离子　鞘套信道的建模和信道参数的获取将在第三节详细　讨论；第四节为结束语。　１　ＨＮＳＶ综合信道模型　１．１　ＨＮＳＶ通信面临的挑战　国际电联ＩＴＵ分配给我国临近空间可采用的频　段有三个：４７．２ＧＨｚ一４８．２ＧＨｚ的毫米波频，２７．５ＧＨｚ　一３１．３ＧＨｚ的Ｋａ频段，１８８５ＭＨｚ一２１７０ＭＨｚ的Ｌ／Ｓ　频段。从克服黑障的角度考虑，提高工作频率使其大　于等离子体频率是减少黑障的一个重要途径，但毫米　波的雨衰要比Ｋａ频段的更大，因此Ｋａ频段无疑是突　破黑障的最好选择。但仍存在三个因素会对飞行器　通信带来影响：一是Ｋａ频段的雨衰效应依然严重；二　是多径扩展引起的频率选择性以及高动态多普勒带　来的快衰落问题。信号的多普勒频移与径向速度成　正比，信号的多普勒变化率与径向加速度成正比。飞　行器的飞行速度和加速度大，因此信号的多普勒动态　和多普勒变化率动态都较高；三是等离子鞘套造成的　通信黑障问题。雨衰不仅仅是频率的函数，而且还与　位置、仰角、季节和系统可行性的函数　，较为合理的　方式是根据站址建立恰当的雨衰模型，为通信链路余　量的动态选取提供依据。通常对抗雨衰可以通过站　址选择、空间分集等多种手段将雨衰的影响控制在可　接受的范围之内。而通信信道建模就是要试图理清　另外两种破坏因素的机理，以期通过合理的建模达到　降低它们影响的目的。　１．２　ＨＮＳＶ综合信道模型　由于空间高度范围与低轨卫星更为接近，临近　空间通信系统的设计可参考低轨道卫星通信系统。　与低轨卫星通信系统相比，临近空间飞行器的多径　时延更小但多普勒更为复杂多变，且具有独特的等　离子鞘套，那么临近空间的信道必须重新设计。　临近空间飞行器的通信方无非是天基或者地　基，对这两种情况飞行器所经历的衰落不尽相同，信　道建模上应有所不同，需要考虑可配置的信道方案。　综合信道模型方案如图１所示。　大气衰落（主要为雨衰）　临近～地基　电离层效应（去极化、闪　烁等）　图１　可配置综合信道解决方案　Ｆｉｇ．１　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　通信方是地基时，通信双方所经历的有自由空　间衰落、大气衰落、多径效应和高动态多普勒频移以　及等离子鞘套层影响。Ｋａ频段雨衰的影响则更大　的程度上依赖于所选择的频段和地区，可建立测控　站址地区的雨衰模型。此外，临近空间飞行器的收　发双方多处于开阔环境基本上不存在阴影遮蔽效　应，因此我们的综合信道模型内电波传输信道只需　第７期　石磊等：临近空间高速飞行器综合信道模型研究　１５５９　要考虑直射波和云层反射多径信号的叠加（也就是　２５Ｍａｃｈ，待评估的Ｋａ频段在２０—４０ＧＨｚ，这样其最　大多普勒频移范围在１１３—１１３０ｋＨｚ。我们取一种　典型情况为２０Ｍａｃｈ，３０ＧＨｚ频点，那么此时的最大　频移大小为为６８０ｋＨｚ。则信道相干系数至少为０．５　Ｒｉｃｉａｎ信道），但对莱斯信道的参数仍需要确定。综　合信道模型中最为关键的部分是等离子鞘套信道的　建模，这一部分确定性信道的建立目前还无法完成，　本文在对其定性讨论的基础上给出其数学模型以及　的信道相干时间　ｌｏ］由式（１）：　仿真方案，具体确定性的信道参数尚待实际测试数　据的支撑。　通信方是天基时，临近空间飞行器通信平台和　天基通信所经历的空间环境要比地基好，基本上没　有了大气衰落部分。但会经历电离层效应，这一部　分的影响需要修正。电波传输信道和等离子鞘套信　道部分同地基通信时基本相同，但参数上应有所调　整，比如信道时延大小。后面的分析主要针对地基　到飞行器间的综合信道展开，包括两个部分：空间电　波传输信道和等离子鞘套信道，如图２所示。　从飞行　到测控　器天线　站天线　錾　——＿《　——辱　曩　２　电波传输信道特性分析　临近空间飞行器高速飞行的过程中其信道环境　复杂多变。要确定ＨＮＳＶ信道的类型以及通信　设计，必须首先对等离子鞘套的基本表征特性有所定　性的了解，即需要了解临近空间飞行器综合信道（电　波传输信道和等离子鞘套信道）的多普勒扩展和相干　时间、多径时延扩展和相干带宽或大尺度衰落和小尺　度衰落的机理等。当然这些参数一定程度上可做理　论定性分析，但实际信道的确定还需要测试数据的支　撑。本节对电波传输信道做定性分析并建议将信道　建模为频率选择性快衰落信道。实际测试的信道特　性参数数据可能会有些许出入，特别是信道的均方时　延扩展，需要实际测试获取更为可靠。　２．１信道相干时间　可以较为容易的估算出地基到飞行器间的莱斯　信道的参数。临近空间飞行器的速度在５—　一　（１）　得到范围为０．３７４—３．７４　ｓ，典型情况下为　０．６２２￣ｓ。当信息码元的速率大于相干时间时可认为　信道是慢衰落的；反之，则认为是快衰落的。通常图　像视频数据传输扩频后的速率可达１—１０Ｍｂｐｓ或以　上，则码片时间　。为０．１—１ｔｘｓ。Ｔ　。与ｒ，【】大致相　当，可以认为飞行器到地面端的信道是快衰落的。　２．２信道相干带宽　对信道相干带宽的估算需要知道均方时延扩展　，在这里我们做简化模型进行计算分析，假设在　地基发射的信号有直射路径和２—３条反射多径，多　径是由对流层云层的反射造成的，并认为反射云层　在同一高度。图３给出了示意图，左图为通常斜路　径下的情况，右图为简化的过顶模型。日为ＨＮＳＶ　高度，高度范围为２０—８０ｋｉｎ；ｈ反射云层高度，范围　为８—１６ｋｍ（参考对流层云层高度范围）。　行器　临近空间　０　ｆ　：　：蔓：：　一　！　　高　图３反射路径时延估算　Ｆｉｇ．３　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｐａｔｈ　ｄｅｌａｙ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　如图３左图所示，每条路径的时延为：　７＿　：　——　（２）Ｌ　，　ｓ＝Ｈ／ｓｉｎ（　１＋　）　（３）　ｂ１＝ｈ／ｓｉＩ　（４）　０１＝￣／ｓ　＋ｂ　Ｊ　一２ｓｂ】ｃｏｓ　ｌ　（５）　可以看出时延与　和　的取值有很大关系。为　计算方便，可进一步简化为右图（即认为Ｏ／　＋　＝　７ｒ／２）。图４和图５给出了时延与飞行器高度和云层　高度的关系。　１５６０　宇航学报　第３２卷　简化模型路径时延与飞行器高度、反射路径角度关系　Ｏ　如　Ｏ　Ｏ　加　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　０　…十一飞行器高度２０ｋｉｎ。反射云层１０ｋｍｌ　ｅ一飞行器高度４０ｋｉｎ，反射云层１ＯｋｒａＩ……　……　＋飞行器高度６０ｋｉ飞行器高度８０ｋｎｎｉ，反射云层１Ｏｋｒ，反射云层ｌＯｋｍｆａｌ　　；　／　＼　营　龉　ｌＵ　２Ｕ　３Ｕ　４Ｕ　５Ｕ　６Ｕ　７Ｕ　８０　反射路径角度／（。）　图４　路径时延与飞行器高度、反射　路径角度关系　Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｏｆ　ｐａｔｈ　ｄｅｌａｙ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｉｒｃｒａｆｔ　ｈｅｉｇｈｔ　ａｎｄ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　由图４可以看出，在反射云层一致的情况下，飞　行器高度越高，路径时延反而越小了。在感兴趣的　角度范围内（３０—７０。），时延值为６—１２８ｔ帆　猢　ｘｓ。　摘化模型路径时延与反射云层高度、反射路径角度关系　图５　路径时延与反射云层高度、反射路径　角度关系　Ｆｉｇ．５　Ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｏｆ　ｐａｔｈ　ｄｅｌａｙ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｆｌｅｃｔ　ｃｌｏｕｄ　ｈｅｉｇｈｔ　ａｎｄ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　图５可以看出，在飞行器高度一致的情况下，反　射云层高度越高，路径时延越大。在感兴趣的角度　范围内（３０—７０。），时延值为５—１３６／￣ｓ。　更为一般地，我们取典型情况Ｈ＝５０ｋｉｎ，对流　层高度ｈ＝１０ｋｍ，且忽略地基和飞行器高度的影　响。　的范围取３０。一８０。。可得到　ｒ　的范围在７—　２５０１ｘｓ（倾角为８０。可达２５０￣ｚｓ）之间。参考低轨道　卫星的多径莱斯因子在６—１５ｄＢ之间，这里取相对　主径的功率分别为一６ｄＢ，一ｌＯｄＢ，时延为１０　ｓ，　ｌＯ０１￣ｓ（对应的是３０。和７０。的反射路径的时延）。得　到离散时延功率谱如图６。　１０　ｌ０Ｏ　图６二径时延功翠分布　Ｆｉｇ．６　Ｔｈｒｅｅ　ｐａｔｈｓ　ｔｉｍｅ　ｄｅｌａｙ　ｐｏｗｅｒ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　时延扩展是Ｐ（ｒ）的二阶中心矩的平方根　，　这样我们就可以利用式（６）计算平均附加时延为　∑ｐ（．ｒ　）ｒ　∑ｐ（Ｔｉ）　０×１＋１０×（１０一。　）＋１００×（０．１）　一一　１＋１０一。　＋０．１　＝９．２６ｔｘｓ　（６）　给定功率谱的二阶附加时延为　∑ｐ（　）　∑ｐ（　）　（１ｏ）。×（１０一　）＋（１００）　×（０．１）　一一　１＋１０一。　＋０．１　：７５８．６８１ｘｓ　（７）　则得到均方时延扩展　＝、／／（亍　）一（亍）　＝￣／７５８．６８一（９．２６）　／ｘｓ　＝２５．９　ｓ　（８）　那么信道的相关带宽（信道相干系数至少为０．５　）为　砉　７１　・７ｋＨｚ　（９）　如果通信信号带宽大于ｆｏ，则为频率选择性衰　落；若信号带宽小于相干带宽７．７ｋＨｚ，则信道为平　坦衰落信道。需要注意的是，频率选择性衰落时，将　需要均衡。通常遥控和遥测的数据率较低，可为平　坦衰落。但邻近空间飞行器在执行任务是需要对地　面实时传输图像视频数据，那么其信道带宽将远大　于相干带宽，则建立为频率选择性信道更为合理。　第７期　石磊等：临近空间高速飞行器综合信道模型研究　１５６ｌ　综上所述，电波传输信道是频率选择性和快衰　鞘套总的等效温度，包括温度以及其它碰撞效应引　起的等效温度。　落性的莱斯信道，那么临近空间飞行器通信系统设　计时可考虑使用高频带利用率的调制方式、扩频和　３．２大尺度衰落参数获取：电波传输透射系数　编码交织来对抗频率选择性衰落。　３等离子鞘套信道　３．１　等离子鞘套数学模型　等离子鞘套内部流场复杂，电子密度分布、压　强、温度都是时变参数。这些给信道的建模带来极　大困难，从宏观上考虑，需要的是电波传输大尺度衰　落和小尺度衰落，大尺度衰落表征的是等离子鞘套　整个厚度上对能量的吸收反射造成的平均功率损　耗／系数；小尺度衰落表征的是鞘套内微小的不均匀　体反射和散射以及内部多径和多普勒的影响，这一　过程极其复杂。　等离子鞘套对信号传输的影响数学上可建模为　Ｙ（ｔ）＝Ｉ　Ｔ…（ｔ）Ｉ　ｓ（ｔ—ｎ　）　（ｔ）＋ｎ　ｐ１日　（ｔ）　ｎ＝一∞　（１０）　其中；（ｔ），　（ｔ）为等离子鞘套信道带通输入信号和　信道输出信号，Ｔ　（　）为载波频点处的电波功率透　射系数，即３．２节等离子鞘套电波传输计算得到的　结果，表征的是等离子体厚度上的大尺度衰落。　（ｔ）为模拟小尺度衰落过程所需的抽头增　益。最终的信道建模是否需要考虑小尺度衰落依赖　于时延　的大小和分布特性，由于电波直接穿透等　离子鞘套层的时间为１ｎｓ左右，那么如果时延很小　（在ｎｓ以下）就不需要再考虑小尺度衰落，只考虑　大尺度衰落和噪声即可；如果时延较大（几十ｎｓ或　以上）则必须要考虑小尺度衰落。仿真小尺度衰落　所需的时延分布特性和多普勒功率谱还没有实验测　试数据来确定，这也是亟待解决的实验设备和测试　技术问题。３．３节给出等离子鞘套信道的小尺度衰　落仿真模型并对两种功率谱的获取方式做了简述。　（ｔ）为等离子体产生的噪声。噪声的建模　可由等效噪声温度来获取。等离子鞘套层的温度范　围在１５００Ｋ一５０００Ｋ　，可由下式计算得到噪声系　数为７．９ｄＢ一１２．６ｄＢ。　７１　Ⅳ　（ｄ　Ｂ）＝ｌＯｉｎ（１＋　）　（１１）　１‘　其中　为室温时开氏温度，２９０Ｋ左右；Ｔ为等离子　表征等离子鞘套信道大尺度衰落即为电波功率　透射系数Ｔ　（ｔ），严格意义上讲它是随着飞行器速　度高度时变参数。获取透射系数需要首先建立等离　子鞘套的物理模型，得到相应的流场特性和电参数　及电子密度分布。　有了电子密度分布模型，可采用传输矩阵法　（ＳＭＭ）或时域有限差分法（ＦＤＴＤ）　引计算分析电　磁波在等离子鞘套中的反射、透射特性等。国外的　飞行试验和流体仿真实验　以及我们所做的使用　流体仿真软件ＦＬＵＥＮＴ仿真弹体飞行器都表明等离　子鞘套的厚度在２—４０ｃｍ之间，温度范围在１５００—　５０００Ｋ，电子密度模型多数情况下为双曲线分布或　者抛物线分布。　下面做电波传输分析，给出电子密度为抛物线分　布下的电波透射系数。假设电子浓度分布为抛物线　２　型分布　＝Ⅳｎ（１一　），ｎ为等离子体层厚度，假设　０　为１５ｃｍ，温度为　，碰撞频率　（。）＝５．２　Ｘ　１０“・　Ｎｅ（　）ｔｏＴ，Ｋ＝１．３８×１０　，碰撞频率指的是电子和中　性粒子的碰撞频率与电子和离子的碰撞频率　之　和，最大电子密度为Ｎｏ＝５×１０　ｍ一，当取不同温度　时（分别为Ｔ＝１５００Ｋ，２０００Ｋ，２５００Ｋ，３０００Ｋ）电磁波　穿越等离子体层的透射功率系数随电磁波频率的变　化关系曲线（垂直入射情况，入射波为垂直极化）如　图７所示。从图中可以看出，ＳＭＭ和ＦＤＴＤ算法具有　良好的一致性，在Ｋａ频段计算得到的透射系数范围　为０．９６—０．９９之问，这也表明了Ｋａ频段解决通信黑　障的潜力。同时可见温度对其透射系数的影响较小。　图８所示温度为２０００Ｋ时不同最大电子浓度　下透射功率系数随入射波频率的变化曲线，透射系　数的跨度范围为０．３３—０。９６，在Ｋａ频段不同的最　大电子密度下透射系数差异可达５ｄＢ左右。这也　也表明最大电子密度和电子密度的分布对透射系数　的影响最大。当然厚度对透射系数也是有很大的影　响，厚度越厚，透射系数将越低。　３．３　等离子鞘套信道小尺度衰落仿真模型　对等离子鞘套这样内部电波散射反射复杂的信　号传输的模拟可用散射信道模型仿真。而对于散射　１５６２　宇航学报　第３２卷　０　：竿珈　号：　（ｆ）＝Ｊ｛∑ｓ（ｔ—ｎ　）ｓｉｎｃ（Ｂ（ｒ—ｎ　））｝　（　，ｔ）ｄｒ　枷　勋　枷∞　瓣　摇　蝌　兽　、　褥　蚪　图７不同温度下的透射功率系数随　入射波频率的变化曲线　Ｆｉｇ．７　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｃｕｒｖｅｓ　ｖａｒｙ　ｗｉｔｈ　ｉｎｃｉｄｅｎｔ　ｗａｖｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　籁　幅　瓣　雷　擦　蝌　图８　温度为２０００Ｋ时不同最大电子浓度下　透射功率系数随入射波频率的变化曲线　Ｆｉｇ．８　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ　ｃＨｒｖｅｓ　ｖａｒｙ　ｗｉｔｈ　ｉｎｃｉｄｅｎｔ　ｗａｖｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍａｘｉｍ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｗｈｅｎ　Ｔ＝２０００Ｋ　多径信道，当信道输入的信号带宽曰是受限的，且　采样率为每秒Ｂ采样点（采样周期Ｔ＝ｌ／Ｂ）时，接　收到的等效低通信号可表示为　∞　∞　＝∑ｊ（　—ｎ　）ｊ　（ｒ，ｔ）ｓｉｎｃ（　（　ｒ—ｎ　））ｄｔｒ　：∑ｊ（　—ｎＴ）￣ｏ（　）　（１２）　其中　（　）＝Ｊ矗（　，ｆ）ｓｉｎｃ（Ｂ（７＿一ｎＴ））ｄｒ　Ｊ一∞　可以看出，　（ｔ）是由；（ｔ）通过抽头一延迟线滤　波器得到，抽头系数为　（ｔ），时间间隔　。因此得到　等离子鞘套的散射多径信道的ＴＤＬ（抽头一延迟　线）模型…　：　图９不相关抽头增益的散射多径信道仿真模型　Ｆｉｇ．９　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｕｎｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ　ｔａｐ　ｇａｉｎ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　ｍｕｌｔｉｐａｔｈ　ｃｈａｎｎｅｌ　从图９中可以看出抽头增益过程　（ｔ）实际上　是由复高斯白噪过程通过一滤波器后再与一静态增　益ｏｒ　相乘的结果。　这里的滤波器即为多普勒谱成形滤波器，由等　离子鞘套信道多普勒功率谱的形状确定；而静态增　益　由等离子鞘套信道的时延功率谱的形状在适　当点抽样获取。通常散射信道的功率延迟谱为连续　曲线而非离散的线谱。理论上多普勒功率谱和时延　功率谱可通过发送一定的信号实际测试得到。　时延功率功率谱Ｐ（．ｒ）描述的是对一个已传输　的冲激，平均接收功率如何随时问延时而变化，可利　用扩频序列获取等离子鞘套的Ｐ山…（　）：首先调制　高速的ＰＮ序列；将接收机的输出和延时的ＰＮ序列　进行互相关，并测量相关器输出的平均值；最后刻画　出延迟功率曲线。　多普勒功率谱　（１厂）与时间分割相关函数（空时　相关函数）Ｐ（Ａｔ）互为傅里叶变换关系，因此想要获　取Ｓ（ｆ），可先计算Ｐ（△　）再对其进行傅里叶变换得　到。Ｐ（Ａｔ）是信道对正弦波响应的自相关函数，它　表示信道中对在ｔ　时刻发送的正弦波响应和对在ｔ，　第７期　石　磊等：临近空间高速飞行器综合信道模型研究　１５６３　时刻发送相同的正弦波响应之间的关联程度。其中　Ａｔ＝ｔ　一ｔ　，要求小于相干时间，则Ｓ（．厂）获取过程　是：在ｔ　和ｔ　时刻分别发送一个正弦波（同频）；在　接收端获取接收信号，计算出两个时刻接收信号的　互相关函数Ｐ（Ａｔ）；对时间分割相关函数Ｐ（△　）做　傅里叶变换获取等离子鞘套的多普勒功率谱　ｓ（　山…。　可以看出这种方式在理论上可行，但实际操作　起来很困难，一方面在于△　要求小于信道的相干时　问。另一方面在于等离子体存在时间短单次实验获　取的数据长度有限。解决方案是进行多次实验，将实　验数据整合抽样得到相关函数的序列，然后对得到　的数据进行功率谱估计。这样得到的结果将会更为　合理。　确定性等离子鞘套信道的实现难度正在于小尺　度模拟，也就是鞘套延功率迟谱和多普勒功率谱的获　取。一方面国内在等离子鞘套的产生方法和实验设　备上都与国外有很大的差距，尚不能形成长时间存　在、厚度达到理论要求的等离子鞘套；另一方面上述　已有的测试方法尚需要很好地研究以适应这一特殊　的测试环境。目前可做的定量实验都是针对透射系　数的计算和测试，尚不能很好地测试得到多普勒功率　谱和时延功率谱。这一部分值得深入研究。　４　结束语　临近空问高速飞行器面临着恶劣的通信环境，　本文对其综合信道模型做了细致的理论分析，对电　波传输信道的相干带宽和相干时间做计算分析，建　议将该信道建模为一频率选择性快衰落信道；等离　子鞘套信道的大尺度衰落由鞘套的电波传输中计算　获取的透射系数来表征，而小尺度衰落仿真模型的　确立尚需要得到其内部的时延功率谱和多普勒功率　谱，这两个关键特性参数还需要通过合适的地面实　验和飞行试验的数据来获取，还有很长的路要走。　参　考　文　献　［１］　Ｒｙｂａｋ　Ｊ　Ｐ，Ｃｈｕｒｃｈｉｌｌ　Ｒ　Ｊ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　ｒｅｅｎｔｒｙ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　［Ｊ］ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，　１９７１，７（５）：８７９—８９４．　［２］Ｈａｒｔｕｎｉａｎ　Ｒ　Ａ，Ｓｔｅｗａｒｔ　Ｇ　Ｅ，Ｆｅｒｇａｓｏｎ　Ｓ　Ｄ，ｅｔ　ａ１．Ｃａｕｓｅｓ　ａｎｄ　ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＲＦ　ｂｌａｃｋｏｕｔ　ｄｕｒｉｎｇ　ｒｅｅｎｔｒｙ　ｏｆ　ｒｅｕｓａｂｌｅ　ｌａｕｎｃｈ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｒ］．Ｔｈｅ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，ＵＳＡ：Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｒｅｐｏｒｔ　Ｎｏ．ＡＴＲ一２００７（５３０９）一１，２６　Ｊａｎｕａｒｙ　２００７．　［３］　Ｃｈａｒｌｅｓ　Ｈ　Ｊ．Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｏｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｐｌａｓｍａ　ｄｕｒｉｎｇ　ｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃ　ｆｌｉｇｈｔ［Ｒ］．Ｕ．Ｓ．Ａｉｒ　Ｆｏｒｃｅ　Ｔ＆Ｅ　Ｄａｙｓ　２Ｏ０９：ＡＩＡＡ２００９—１７１８，Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ，Ｎｅｗ　Ｍｅｘｉｃｏ，１０—１２　Ｆｅｂｒｕａｒｙ　２Ｏ０９．　［４］　Ｅｒｉｃ　Ｄ　Ｇ，Ｊｏｈｎ　Ｅ　Ｆ，Ｉｓａｉａｈ　Ｍ　Ｂ．Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　ｌｅａｄｉｎｇ　ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ　ｆｏｒ　ｍｉｔｉｇａｔｉｎｇ　ｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｂｌａｃｋｏｕｔ　ａｎｄ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｖｉａ　ｃａｔｈｏｄｅ　ｓｐｏｔ　ａｒｃｓ　ｆｏｒ　ｂｌａｃｋｏｕｔ　ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ［Ｒ］．ＮＡＳＡ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍ一２０１０—　２１６２２０：Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｓｐａｃｅ　Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ　Ｇｌｅｎｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，Ｏｈｉｏ　４４１３５，Ｆｅｂｒｕａｒｙ　２０１０．　［５］　柴霖．临近空间测控系统技术特征分析［Ｊ］．宇航学报，　２０１０，３１（７）：１６９７—１７０５．［Ｃｈａｉ　Ｌｉｎ．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＴＴ＆Ｃ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｎｅａｒ　ｓｐａｃｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，２０１０，３１（７）：１６９７—１７０５．］　［６］　Ｐｒｉｙａｎｋａ　Ｇ，Ａｂｈｉｓｈｅｋ　Ｋ　Ｄ．Ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ＲＦ　ｂｌａｃｋｏｕｔ　ｄｕｒｉｎｇ　ｒｅ—　ｅｎｔｒｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｕｓａｂｌｅ　ｌａｕｎｃｈ　ｖｅｈｉｃｌｅ［Ｃ］．Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　２００９　ＩＥＥＥ，Ｂｉｇ　ｓｋｙ，Ｍｏｎｔａｎａ，ＵＳＡ，Ｍａｒｃｈ　７—１４，２００９．　［７］　Ｆｏｓｔｅｒ　Ｊ　Ｅ　Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｕｓｔ　ｓｔｒｅａｕｌ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｌｏｗ　ｃｕｒｒｅｎｔ，ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｃａｔｈｏｄｅ　ｓｐｏｔｓ［Ｊ］．Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，２００４，７５（４）：９４７—９５４．　［８］　Ｍｉｎｋｗａｎ　Ｋ，Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｋ，Ｉａｉｎ　Ｄ　Ｂ．Ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ａｎ　ｅｌｅｃｔｒ０ｍ　ｇｎｅｔｉｃ　ｌａｙｅｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｂｌａｃｋｏｕｔ［Ｃ］．Ｔｈｅ　４７ｔｈ　ＡＩＡＡ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　Ｍｅｅｔｉｎｇ　Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｎｅｗ　Ｈｏｒｉｚｏｎｓ　Ｆｏｒｕｍ　ａｎｄ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ，　Ｆｌｏｒｉｄａ，ＵＳＡ．Ｊａｎｕａｒｙ　５—８，２００９．　［９］　王爱华，罗伟雄．Ｋａ频段卫星通信信道建模及系统性能仿真　［Ｊ］．通信学报，２００１，２２（９）：３１２６９．［Ｗａｎｇ　Ａｉ—ｈｕａ，Ｌｕｏ　Ｗｅｉ—　ｘｉｏｎｇ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　Ｋａ　ｂａｎｄ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｃｈａｎｎｅｌ　ａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｎ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，　２００１，２２（９）：３１２６９．］　［１Ｏ］　Ｂｅｒｎａｒｄ　Ｓ．Ｄｉ　ｔａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，　ｓｅｃｏｎｄ　ｅｄｉｔｉｏｎ［Ｍ］．Ｐｅａｒｓｏｎ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　Ｉｎｃ　Ｐｒｅｎｔｉｃｅ　Ｈａｌｌ　ＰＴＲ，２００１．　Ｔｒａｎｔｅｒ　Ｗ　Ｈ，Ｓｈａｎｍｕｇａｎ　Ｋ　Ｓ，Ｒａｐｐｏ￣Ｔ　Ｓ，ｅｔ　ａ１．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　［Ｍ］．Ｕｐｐｅｒ　Ｓａｄｄｌｅ　Ｒｉｖｅｒ，Ｎｅｗ　Ｊｅｒｓｅｙ：Ｐｅａｒｓｏｎ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　Ｉｎｅ　Ｐｒｅｎｔｉｃｅ．Ｈａｌ１．２００４　［１２］　庄钊文，袁乃昌，刘少斌，等．等离子体隐身技术［Ｍ］．北京：　科学出版社，２００５．　［１３］　Ｊｅｒｕｃｈｉｍ　Ｍ　Ｃ，Ｂａｌａｂａｎ　Ｐ，Ｓｈａｎｍｕｇａｎ　Ｋ　Ｓ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｓｙｓｔｅｍｓ：ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｑｕｅｓ　［Ｍ］．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：Ｋｌｕｗｅｒ　Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，２０００．　作者简介：石磊（１９８ｌ一），男，博士研究生，主要研究方向为　信道建模、临近空间无线通信技术研究。　通信地址：西安电子科技大学２８４＃信箱（７１００７１）　电话：（０２９）８８２０２６３８　Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｈｉｌｅｉ２００２ｙｏｄａ＠１６３．ｔｏｎｉ　（编辑：余未）