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李小平教授团队提出一种缓解通信“黑障”新方法
时间:2016-04-13 09:19    点击:   所属单位:空间科学与技术学院
   西安电子科技大学空间科学与技术学院李小平教授带领的研究团队,日前提出一种与重返大气层的飞船保持连续通信的新方法,并且在地面原理性实验中得到验证。这一通信方式有望缓解通信“黑障”问题,而且也可被用在其他的10马赫以上超音速飞行器上,比如未来的空天飞机。
 
   探讨这一新方法的研究论文《利用驻波检测和自适应码率穿透等离子鞘套的再入通信方法》(Re-entry communication through a plasma sheath using standing wave detection and adaptive data rate control,全文链接:http://dx.doi.org/10.1063/1.4939700),经过同行评议后,已经发表在由美国物理联合会出版的《应用物理学杂志》(Journal of Applied Physics)2016年第1期。
 
   “黑障”现象是所有返回式航天器通信的巨大挑战
 
   中国第一位宇航员杨利伟在他的自传书《天地九重》中,这样回忆了归途中载人飞船重返大气层时所经历的惊心动魄的一幕:遭遇强烈的过载和振动、看见烧得通红的舷窗、不断剥落的碎片,更可怕的是再入大气层飞行阶段无法和地面取得任何联络,独自面对危险甚至死亡威胁时的精神煎熬。
 
   实际上,包括美国的航天飞机、俄罗斯联盟号飞船在内的所有返回式航天器,从外太空重返大气层的航程一直是风险最大的阶段。众所周知,许多重大的航天事故,比如阿波罗13号飞船故障、联盟11号飞船泄漏、哥伦比亚号航天飞机解体,都发生在再入大气层的阶段。而再入阶段与地面的通信失联,更是加剧了风险的不可控性。
 
 
图1 飞船重返大气层的场景(艺术效果图)
 
   飞船重返地球大气层时,因剧烈的摩擦被数千摄氏度高温气体所环绕,这样的高温足以使空气电离而变得具有导电性,这层包裹于飞船表面的电离气体被称作“等离子鞘”,就像一个密封的金属罐一样,绝大多数的情况下都会屏蔽电磁波信号,切断飞行器与外部的联系,这就是所谓的“黑障”现象。
 
   “飞船发出的讯号始终无法到达地面控制中心,地面也就无法得知或者控制飞船的位置和状态。在‘黑障’阶段,每一秒钟都是煎熬,你唯一能做的就是等待。”中国科学院院士包为民如此说到。
 
   论文第一作者谢楷副教授介绍说,严格地讲,等离子屏蔽效应引起的“黑障”现象并不是信号的彻底中断,广义上可以认为是信道容量小于通信系统的信息量的结果。让飞船的通信系统来自动适应等离子鞘套信道的变化,是他们团队提出的缓解“黑障”的一种新思路。
 
   新的通信方法不需携带附加设施,具备工程应用潜力
 
   不同于以往的思路,诸如通过施加强磁场约束等离子层中的电子,或者向等离子层中喷入降温液以减少电子密度等物理方法,论文提出的利用驻波检测和自适应码率穿透等离子鞘套的再入通信方法,不需要携带任何额外的附加设施,甚至可以与现有的测控系统保持兼容,具备工程应用的潜力。
 

 
图2 自适应再入通信系统图框图
 
   自适应通信是一种目前广泛应用的通信技术,例如手机在信号弱的时候会自动从高速模式切换至低速模式,通过降低信息率来适应信息传输环境的恶化。然而,实现这一技术的前提是需要信道反馈机制,即发射机要实时地感知信道容量的变化,但这在飞行器上却是另一个难题,因为大部分航天器的遥测系统是单向通信系统,发射机无法获得实时的信道反馈信息。
 
   针对这一关键问题,研究团队进一步发现了在碰撞频率与等离子频率比值小于0.3的条件下,天线的驻波和等离子体中电波衰减之间,存在明显的负相关特性。借助两者物理特性上的负关联性,就使得通过检测发射天线端口处的驻波变化,预测等离子鞘套引起的信道容量衰落成为可能。再通过自动调整传输速率以适应信道变化,并引入了数据优先级和暂存机制,最终使自适应通信机制得以实现。
 
   实验结果表明对等离子密度耐受极限提高了一个数量级
 
   这篇研究论文对驻波负相关特性的物理机理和数学原理进行了阐述,设计了完整的自适应通信系统并进行了原理性实验验证。
 
   实验结果表明:当等离子体覆盖通信天线时,系统能够实时根据驻波检测到等离子体的变化,使通信速率在4Mbps到250bps之间自动切换,换取了约40dB的额外增益,使得通信系统对等离子密度的耐受极限至少提高了一个数量级。
 
   换句话说,即使等离子体密度达到黑障临界值10倍以上,仍能在维持最低信息速率的条件下保持连续通信。
 

 
图3 利用空间科学与技术学院自研的等离子鞘套地面模拟装置对通信系统进行实验验证
 
   从上世纪70年代起,许多科学家和工程师曾提出过数十种不同的方法设想,但大多受限于实际飞行器载荷重量、尺寸、电力负荷等工程限制而未能实现,“黑障”至今仍是航天领域的未解难题之一。
 
   研究团队提出的利用驻波检测和自适应码率穿透等离子鞘套的再入通信方法,不依赖于对等离子层的物理干预,也不需要携带对等离子层的探测设备,因此完全无需增加任何特殊载荷,甚至能和已有的遥测发射机组件保持接口兼容,从而有望解决实际应用中的瓶颈问题。
 
   该成果系973项目阶段成果之一
 
   近年来,李小平教授带领的研究团队一直致力于解决等离子鞘套下测控通信领域的基础理论与关键技术问题,获得了国家重点基础研究计划(973计划)“临近空间高速飞行器等离子鞘套信息传输理论”的项目支持。在解决通信“黑障”难题方面,研究团队开展了一系列的基础性研究,在等离子研究领域的高水平期刊,如Physic of Plasmas、IEEE Trans. on Plasma Science等发表了30余篇SCI检索论文,授权发明专利近20项。
 
   此前,研究团队还提出了可用于地面模拟等离子鞘套的新型等离子源,成功进行了地面“黑障”的连续再现,发现了等离子体鞘套环境下一系列特殊的电磁物理效应,并给出了等离子鞘套信道的框架及信道容量估计方法。这些前期的基础研究工作为取得阶段性的突破奠定了基础,同时还揭示了许多有可能被利用于解决“黑障”问题的新线索。
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