本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于飛行器再入過程中黑障區(qū)X射線通信的方法，其利用X射線實現(xiàn)飛行器再入大氣所形成的黑障區(qū)通信，飛行器再入大氣層后在不同高度進行上行鏈路通信模式下所需載波X射線能量的選擇以及對信號的調(diào)制。

背景技術(shù)：
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航天器以5-20倍音速的速度于距地面25-90km的區(qū)間飛行過程中，通過空氣與其表面之間的劇烈相互作用，表面形成非常劇烈的激波，飛行器的部分動能被周圍的空氣吸收導致氣體分子離解，產(chǎn)生含有大量的電子和正離子的高溫氣體層，即所謂的“等離子鞘套”，而這些帶電粒子(主要為自由電子)將會吸收、反射和散射電磁波，產(chǎn)生類似金屬屏蔽的效應(yīng)，使得通信信號發(fā)生衰減，同時使天線的阻抗特性發(fā)生改變、方向圖畸變。這些效應(yīng)將會導致通信質(zhì)量惡化，當?shù)入x子體振蕩頻率高于通信信號頻率時，將導致信息鏈路中斷，形成所謂的“黑障”現(xiàn)象。

2007年美國國家航空航天局(NASA)戈達德空間飛行中心的Keith Gendreau博士首次提出了空間X射線通信的概念，X射線作為一種波長短(0.01～10nm)、頻率高(3×1016Hz～3×1019Hz)的電磁波，同樣可作為承載信息的載體用于通信。X射線在真空環(huán)境中傳輸沒有物理衰減，頻率比微波高出幾個數(shù)量級，理論上通信系統(tǒng)帶寬更高，美國加州大學的Porter George教授認為X射線通信的最大理論速度可達到40000Tbit/s。傳統(tǒng)的射頻方式在受到屏蔽干擾及空間天氣變化的情況下可靠性能大大降低甚至無法通信，而X射線通信可以在電磁屏蔽環(huán)境下正常工作，可以用于超高速飛機通信和飛行器再入時的黑障區(qū)通信。

由于飛行器在再入大氣過程中，仍然存在稀薄大氣對X射線的影響，本發(fā)明提出利用時變X射線能量進行上行鏈路數(shù)據(jù)通信傳輸方法，從而實現(xiàn)X射線在黑障區(qū)被通信的可信性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明提供一種適用于飛行器再入過程中黑障區(qū)X射線通信的方法，其針對現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的通信黑障問題，利用X射線進行上行鏈路通信過程中，在飛行器再入過程不同的高度使用不同的X射線能量的選擇方法，從而進行可靠的信號傳輸。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種適用于飛行器再入過程中黑障區(qū)X射線通信的方法，包括如下步驟：

步驟1，對所要傳輸?shù)恼Z音、視頻信息進行模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號作為調(diào)制信號，等待載波信號的調(diào)制；

步驟2，針對步驟1得到的調(diào)制信號，由飛行器艙內(nèi)X射線發(fā)生器調(diào)制生成所要傳輸?shù)纳闲墟溌吠ㄐ艛?shù)據(jù)；

步驟3，根據(jù)飛行器再入大氣所形成等離子鞘層的不同位置高度，針對步驟2得到的已調(diào)信號，實時選擇不同的X射線能量進行上行鏈路發(fā)送。

進一步地，步驟1具體包括如下步驟：

步驟1.1，作為X射線通信常用的信號調(diào)制方法，有二進制幅移鍵控以及多脈沖脈沖位置調(diào)制；

步驟1.2，選擇二進制相移鍵控調(diào)制方法，該方法是利用兩種相位來傳輸二元符號，常用的相位是0與π，在第n時隙(n-1)T_b≤t＜nT_b上，其信號可以表述為

基帶信號m(t)，載波信號調(diào)制之后為s_BPSK(t)＝Am(t)cos2πf_ct，其中A為載波信號振幅，T_b為載波周期，f_c為載波信號的中心頻率；

步驟1.3，與此對應(yīng)，此類依靠準確的載波頻率或者相位信息進行接收的方法為相干接收或相干解調(diào)。

進一步地，步驟2具體包括如下步驟：

步驟2.1，針對步驟1得到的調(diào)制信號，由飛行器艙內(nèi)X射線發(fā)生器調(diào)制生成所要傳輸?shù)纳闲墟溌吠ㄐ艛?shù)據(jù)；

步驟2.2，針對飛行器艙內(nèi)X射線發(fā)生器發(fā)射的信號，對X射線進行有效的聚焦與準直來提高信號的有效傳輸。

進一步地，步驟3具體包括如下步驟：

步驟3.1，根據(jù)飛行器再入大氣的不同位置高度，針對所述步驟2得到的已調(diào)信號，選擇不同的X射線能量進行上行鏈路發(fā)送；

步驟3.2，剛進入黑障區(qū)高度90km位置時，利用≥10keV的X射線在稀薄大氣層進行上行鏈路通信；進入黑障區(qū)高度80km位置時，利用≥15keV的X射線在稀薄大氣層進行上行鏈路通信；進入黑障區(qū)高度70km位置時，利用≥18keV的X射線在稀薄大氣層進行上行鏈路通信；

步驟3.3，進入黑障區(qū)高度61km位置時，利用≥20keV的X射線在稀薄大氣層進行上行鏈路通信；進入黑障區(qū)高度50km位置時，利用≥50keV的X射線在稀薄大氣層進行上行鏈路通信；進入黑障區(qū)高度40km位置時，利用≥150keV的X射線在稀薄大氣層進行上行鏈路通信；

步驟3.4，在快離開黑障區(qū)高度30km位置時，利用≥200keV的X射線在稀薄大氣層進行上行鏈路通信；

步驟3.5，以此為基準，飛行器再入大氣過程中，根據(jù)相應(yīng)的高度選擇合適的X射線能量進行可靠地上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸。

本發(fā)明具有如下有益效果：本發(fā)明充分利用X射線解決了在飛行器再入大氣過程中形成黑障區(qū)通信問題，考慮到再入過程中仍然存在稀薄的大氣環(huán)境，提出了在不同飛行高度利用可變的X射線能量進行可靠的上行鏈路數(shù)據(jù)通信問題。

附圖說明：

圖1為利用X射線在黑障區(qū)進行上行鏈路通信示意圖。

圖2為發(fā)生黑障區(qū)高度90km位置時，利用≥10keV的X射線在稀薄大氣層進行上行鏈路通信。

圖3為發(fā)生黑障區(qū)高度61km位置時，利用≥20keV的X射線在稀薄大氣層進行上行鏈路通信。

圖4為發(fā)生黑障區(qū)高度30km位置時，利用≥200keV的X射線在稀薄大氣層進行上行鏈路通信。

圖5為利用X射線通信在等離子體通道中的誤碼特性。

具體實施方式：

以下將結(jié)合附圖以及具體實施方式對本發(fā)明作進一步的描述。

如圖1所示，飛行器再入過程中形成的通信黑障問題，可以利用X射線進行有效的上行鏈路傳輸，包括如下步驟：

步驟1，對所要傳輸?shù)恼Z音、視頻等信息進行模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號作為調(diào)制信號，等待載波信號的調(diào)制(采用BPSK方式調(diào)制)；

步驟2，針對所述步驟1得到的調(diào)制信號，由飛行器艙內(nèi)X射線發(fā)生器調(diào)制生成所要傳輸?shù)纳闲墟溌吠ㄐ艛?shù)據(jù)；

步驟3，根據(jù)飛行器再入大氣所形成等離子鞘層的不同位置高度，針對所述步驟2得到的已調(diào)信號，參考圖2、圖3以及圖4實時選擇不同的X射線能量進行上行鏈路發(fā)送。針對再入飛行器艙內(nèi)X射線發(fā)生器發(fā)射的信號，需要對X射線進行有效的聚焦與準直來提高信號的有效傳輸。本發(fā)明需要利用不同的X射線能量進行上行鏈路通信，考慮飛行器再入過程中形成的等離子體鞘層，仍然存在微弱的大氣層影響，為了進行有效的X射線通信數(shù)據(jù)傳輸，需要根據(jù)飛行器再入大氣的不同位置高度(25-90km)，針對所述步驟2得到的已調(diào)信號，選擇不同的X射線能量進行上行鏈路發(fā)送。

需要說明的是，所述步驟1具體包括如下步驟：

步驟1.1，作為X射線通信(XCOM)常用的信號調(diào)制方法，有二進制幅移鍵控(2ASK)以及多脈沖脈沖位置調(diào)制(MPPM)等；

步驟1.2，相比于以上幾種信號調(diào)制解調(diào)方法，選擇二進制相移鍵控(BPSK)調(diào)制方法，其誤碼率特性具有明顯的優(yōu)勢，該方法是利用兩種相位來傳輸二元符號，常用的相位是0與π，在第n時隙(n-1)T_b≤t＜nT_b上，其信號可以表述為

基帶信號m(t)，載波信號調(diào)制之后為s_BPSK(t)＝Am(t)cos2πf_ct(其中A為載波信號振幅，T_b為載波周期，f_c為載波信號的中心頻率)；

步驟1.3，與此對應(yīng)，此類依靠準確的載波頻率或者相位信息進行接收的方法為相干接收或相干解調(diào)。

需要說明的是，所述步驟2具體包括如下步驟：

步驟2.1，針對所述步驟1得到的調(diào)制信號，由飛行器艙內(nèi)X射線發(fā)生器調(diào)制生成所要傳輸?shù)纳闲墟溌吠ㄐ艛?shù)據(jù)；

步驟2.2，針對飛行器艙內(nèi)X射線發(fā)生器發(fā)射的信號，需要對X射線進行有效的聚焦與準直來提高信號的有效傳輸。

需要說明的是，所述步驟3具體包括如下步驟：

步驟3.1，由于X射線波長很短，當X射線光子能量超過10keV，即如果波長小于0.12nm時，大氣壓強低于10^-4Pa，X射線幾乎無衰減傳輸；

步驟3.2，考慮飛行器再入過程中形成的等離子體鞘層，仍然存在微弱的大氣層影響，為了進行有效的X射線通信數(shù)據(jù)傳輸，需要根據(jù)飛行器再入大氣的不同位置高度(25-90km)，針對所述步驟2得到的已調(diào)信號，選擇不同的X射線能量進行上行鏈路發(fā)送；

步驟3.3，剛進入黑障區(qū)高度90km位置時，利用≥10keV的X射線在稀薄大氣層傳輸至國際空間站(ISS)，其透射系數(shù)超過95％，能量提升至20keV或50keV幾乎完全穿透。因此選擇10keV的X射線可進行信號的有效傳輸，進入黑障區(qū)高度80km位置時，需要利用≥15keV的X射線在稀薄大氣層進行上行鏈路通信；進入黑障區(qū)高度70km位置時，需要利用≥18keV的X射線在稀薄大氣層進行上行鏈路通信；

步驟3.4，進入黑障區(qū)高度61km位置時，利用≥20keV的X射線在稀薄大氣層傳輸至國際空間站(ISS)其透射系數(shù)超過75％，利用20keV與50keV的X射線在稀薄大氣層傳輸至國際空間站(ISS)其透射系數(shù)超過75％與95％，因此選擇≥20keV的X射線可進行信號的有效傳輸；進入黑障區(qū)高度50km位置時，需要利用≥50keV的X射線在稀薄大氣層進行上行鏈路通信；進入黑障區(qū)高度40km位置時，需要利用≥150keV的X射線在稀薄大氣層進行上行鏈路通信；

步驟3.5，在快離開黑障區(qū)高度30km位置時，利用20keV、50keV、200keV與500keV的X射線在稀薄大氣層傳輸至國際空間站(ISS)其透射系數(shù)分別為0、40％、60％與80％。因此選擇≥200keV的X射線可進行信號的有效傳輸，需要配合大功率的X射線源滿足；

步驟3.6，以此為基準，飛行器再入大氣過程中，根據(jù)相應(yīng)的高度選擇合適的X射線能量進行可靠地上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。