用于航天器遭遇黑障場景時的信息可靠傳輸系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航天測控通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于航天器遭遇黑障場景時的 信息可靠傳輸系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)高超聲速飛行器以高馬赫速飛行或航天器高速重返經(jīng)過大氣層時，周圍空氣被 急速壓縮進而形成激波。同時，航天器大量動能因空氣摩擦轉(zhuǎn)換成熱能，這些熱能將導(dǎo)致空 氣被分解和電離。由于激波的形成及航天器表面的燒蝕作用，在航天器周圍會形成一個摻 有燒蝕雜質(zhì)的等離子體殼層，稱為等離子鞘套。本質(zhì)上來說，等離子鞘套是一種特殊的復(fù)雜 電磁環(huán)境，它會使得電磁波通過時產(chǎn)生大幅度衰落和大范圍抖動，往往導(dǎo)致飛行器測控、導(dǎo) 航和通信的長時間中斷，嚴(yán)重威脅飛行安全，這種現(xiàn)象又被通俗地稱為"黑障"。雖然目前工 程界提出了多種潛在可行的方法，但這些方法均還屬于理論研宄階段，并且存在諸多限制 因素。時至今日，黑障問題依然沒有得到有效解決。
[0003] 現(xiàn)階段，限制航天器再入階段實現(xiàn)信息傳輸?shù)闹饕蚴牵旱入x子鞘套對測控通 信信號的動態(tài)影響過大，導(dǎo)致接收機無法正常捕獲接收信號。因此，為實現(xiàn)黑障條件下的信 息可靠傳輸，需針對性地測量鞘套信道動態(tài)特性并減緩該動態(tài)的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。
[0005] 為此，本發(fā)明的目的在于提出一種用于航天器遭遇黑障場景時的信息可靠傳輸系 統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠針對性地測量鞘套信道動態(tài)特性并減緩該動態(tài)的影響，實現(xiàn)黑障場景下信 息的可靠傳輸。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例提出了一種用于航天器遭遇黑障場景時的信 息可靠傳輸系統(tǒng)，包括：鞘套反射信號測量模塊，用于對鞘套反射信號進行實時采樣，并檢 測所述鞘套反射信號的幅度和相位；鞘套信道狀態(tài)估計模塊，用于根據(jù)所述鞘套反射信號 與前向信號的相關(guān)性，反推出所述前向信號的幅度和相位，并根據(jù)所述前向信號的幅度和 相位預(yù)測下一時刻的信道狀態(tài)；鞘套信道自適應(yīng)傳輸模塊，用于根據(jù)鞘套實時信道狀態(tài)，調(diào) 整信息發(fā)送端的發(fā)送功率、調(diào)制方式及編碼結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)信息可靠傳輸。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明實施例的用于航天器遭遇黑障場景時的信息可靠傳輸系統(tǒng)，能夠針對 性地測量鞘套信道動態(tài)特性并減緩該動態(tài)的影響，實現(xiàn)黑障場景下信息的可靠傳輸。
[0008] 另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的用于航天器遭遇黑障場景時的信息可靠傳輸系統(tǒng) 還可以具有如下附加的技術(shù)特征：
[0009] 在一些示例中，所述鞘套反射信號測量模塊包括：下變頻模塊，用于將所述鞘套反 射信號下變頻到中頻信號；數(shù)字采樣模塊，用于對所述中頻信號進行數(shù)字采樣；幅度檢測 模塊，用于計算所述鞘套反射信號的幅度；相位檢測模塊，用于計算所述鞘套反射信號的相 位。
[0010] 在一些示例中，所述幅度檢測模塊和相位檢測模塊分別通過如下公式計算所述鞘 套反射信號的幅度和相位：
[0011]
[0012]
[0013] ΦΕ[η] = arctan(QE[n]/IE[n]),
[0014] 其中，xK(t)為鞘套反射信號，Ικ[η]和Q K[n]分別為同相支路I和正交支路Q的離 散采樣值，Ακ[η]和卿[〃]分別所述鞘套反射信號的幅度和相位。
[0015] 在一些示例中，所述鞘套信道狀態(tài)估計模塊包括：幅度映射模塊，用于將所述鞘套 反射信號的幅度映射到所述前向信號的幅度；相位映射模塊，用于將所述鞘套反射信號的 相位映射到所述前向信號的相位；信道狀態(tài)預(yù)測模塊，用于根據(jù)當(dāng)前信道狀態(tài)信息預(yù)測下 一時刻的信道狀態(tài)信息。
[0016] 在一些示例中，所述前向信號的幅度通過如下公式計算：
[0017]
[0018] 其中，At為所述前向信號的幅度，AkS所述鞘套反射信號的幅度，n ^為等離子體平 均密度，A' A' κ分別表示對應(yīng)幅度信息的導(dǎo)數(shù)。
[0019] 在一些示例中，所述前向信號的相位通過如下公式計算：
[0020]
[0021] 其中，@和_分別為所述前向信號的相位和所述鞘套反射信號的相位，巾\和 Φ ' κ分別表示對應(yīng)相位信息的導(dǎo)數(shù)。
[0022] 在一些示例中，所述當(dāng)前信道狀態(tài)可通過下式表示：
[0023] hT[n] = At[n] exp (j Φτ[η]) 〇
[0024] 在一些示例中，采用p階單步預(yù)測器得到下一時刻的信道狀態(tài)的預(yù)測值，具體包 括：
[0025]
[0026] 其中，遞推系數(shù)Ck根據(jù)最小均方誤差原則（MMSE)確定，且：
[0027] c = Q-1d，
[0028] 其中，c = [C1 C2 …cp]T，Q 為 pXp 階自相關(guān)矩陣，Qij= E{h T*[n-i]hT[n_j]}，d 為 p X 1 階自相關(guān)矩陣，(Ii = E {h K* [n-i]hT [η]}。
[0029] 在一些示例中，所述鞘套信道自適應(yīng)傳輸模塊包括：發(fā)射功率自適應(yīng)模塊，用于根 據(jù)所述前向信號的動態(tài)特性調(diào)整發(fā)射功率；調(diào)制方式自適應(yīng)模塊，用于根據(jù)所述前向信號 的動態(tài)特性調(diào)整調(diào)制方式；編碼結(jié)構(gòu)自適應(yīng)模塊，用于根據(jù)所述前向信號的動態(tài)特性調(diào)整 編碼結(jié)構(gòu)。
[0030] 本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0031] 本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中：
[0032] 圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于航天器遭遇黑障場景時的信息可靠傳輸系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理示意圖；
[0033] 圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的鞘套反射信號測量模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的鞘套信道狀態(tài)估計模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；以及
[0035] 圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的鞘套信道自適應(yīng)傳輸模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0037] 以下結(jié)合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例的用于航天器遭遇黑障場景時的信息可靠 傳輸系統(tǒng)。
[0038] 圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于航天器遭遇黑障場景時的信息可靠傳輸系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理示意圖。如圖1所示，該用于航天器遭遇黑障場景時的信息可靠傳輸系統(tǒng) 包括：鞘套反射信號測量模塊110、鞘套信道狀態(tài)估計模塊120和鞘套信道自適應(yīng)傳輸模塊 130〇
[0039] 其中，鞘套反射信號測量模塊110用于對鞘套反射信號進行實時采樣，并檢測鞘 套反射信號的幅度和相位。
[0040] 具體地說，在本發(fā)明的一個實施例中，參見圖2所示，鞘套反射信號測量模塊110 例如包括：下變頻模塊111、數(shù)字采樣模塊112(圖中未示出）、幅度檢測模塊113和相位檢 測模塊114。其中，下變頻模塊111用于將鞘套反射信號下變頻到中頻信號；數(shù)字采樣模塊 112用于對中頻信號進行數(shù)字采樣；幅度檢測模塊113用于計算鞘套反射信號的幅度；相位 檢測模塊114用于計算鞘套反射信號的相位。
[0041] 具體地說，下變頻模塊111將鞘套反射信號xK(t)與本地中心頻率為f。的載波混 頻，得到中心頻率為A的中頻信號。數(shù)字采樣模塊112對該中頻信號分別乘以sin(2 π flt) 和cos (2 π At)，并在t = nT時刻采樣，就得到了同相支路（I路）和正交支路（Q路）的離 散采樣值Ικ[η]及QK[n]。進一步地，幅度檢測模塊113和相位檢測模塊114分別通過下式 計算出鞘套反射信號的幅度信息Ακ[η]和相位信息抑[?]:
[0042]
[0043]
[0044] Φ K [n] = arctan (QK [η] /Ik [η])。
[0045] 鞘套信道狀態(tài)估計模塊120用于根據(jù)鞘套反射信號與前向信號的相關(guān)性，反推出 前向信號的幅度和相位，并根據(jù)前向信號的幅度和相位預(yù)測下一時刻的信道狀態(tài)。
[0046] 在本發(fā)明的一個實施例中，如圖3所示，鞘套信道狀態(tài)估計模塊120例如包括：幅 度映射模塊121、相位映射模塊122和信道狀態(tài)預(yù)測模塊123。其中，幅度映射模塊121用 于將鞘套反射信號的幅度映射到前向信號的幅度；相位映射模塊122用于將鞘套反射信號 的相位映射到前向信號的相位；信道狀態(tài)預(yù)測模塊123用于根據(jù)當(dāng)前信道狀態(tài)信息預(yù)測下 一時刻的信道狀態(tài)信息。
[0047] 以幅度映射模塊121為例，具體地說，根據(jù)等離子體的物理性質(zhì)，前向信號幅度At和反射信號幅度Ak例如可通過下式表示：
[0048] At= A T (ne) = At (η〇+ Δ η)
[0049] = At (η〇) +A' τ (η〇) X Δ η+0 ( Δ η2)
[0050] Ae= A Ε (ne) = Ae (η〇+ Δ η)
[0051] = Ae (η〇) +A' Ε (η〇) X Δ η+0 (Δη2),
[0052] 其中，~為時變等離子體密度，Iitl為等離子體平均密度，Λη為其變化值，Α' #ΡΑ' κ分別表示對應(yīng)幅度信息的導(dǎo)數(shù)。則根據(jù)上式，可得：
[0053]
[0054] 則，前向信號的幅度通過如下公式計算：
[0055]
[0056] 其中，At為前向信號的幅度，Ak為鞘套反射信號的幅度，n C1為等離子體平均密度， A'JP A' κ分別表示對應(yīng)幅度信息的導(dǎo)數(shù)。
[0057] 對于相位映射模塊112,與上述的推導(dǎo)過程類似，則，前向信號的相位通過如下公 式計算：
[0058]
[0059]