CN108650017A - 一种高超飞行器通信黑障现象预示方法 - Google Patents

Abstract

一种高超飞行器通信黑障现象预示方法，通过对飞行器在不同状态下的气动热分析结果和测控通信系统的电磁信号参数得到信号衰减系数，并根据某一状态的衰减系数分布计算该状态的总衰减值，利用预设通信链路余量与总衰减量进行比较，判断是否会出现通信黑障现象，该预示方法计算精度高，能够准确可靠预示通信黑障现象。

Description

一种高超飞行器通信黑障现象预示方法

技术领域

本发明涉及一种高超飞行器通信黑障现象预示方法，属于航天测控通信领域。

背景技术

等离子体鞘套对无线信号的影响是高超声速飞行器无线通信的公认难题，目前对此问题的普遍认识是：当飞行器在大气层内高速飞行时，飞行器的前端处会形成很强的激波，激波的压缩和空气的粘着作用使空气中的部分电子摆脱原子核成为自由电子，与其它正离子和中性分子混合后在飞行器周围构成等离子体鞘套，等离子体鞘套的存在会对电磁波的传输产生吸收、反射和折射作用，影响无线通信的信道质量，严重情况下造成通信中断导致出现黑障现象。飞行器一旦进入黑障，则无法及时获得飞行器的状态信息，如飞行姿态、内部各分系统的工作状态和关键参数、当前位置的坐标等信息，同时无法及时对飞行器实施有效控制。一旦偏离目标，导致安全事故。

因此对高超飞行器进行通信黑障预示，是确保飞行试验数据有效获取和提前做好预案的必要环节，通信黑障预示主要取决于等离子体对通信信号的衰减情况，传统等离子体信号衰减计算要么对粒子分布过度简化，要么计算过程极其复杂，尚无兼顾效率和精度的方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统等离子体信号衰减计算无法兼顾计算精度及效率的问题，提出了一种高超飞行器通信黑障现象预示方法，利用函数逼近法模拟衰减系数的分布进行工程计算并给出信号衰减，从而判断飞行器是否会进入通信黑障。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种高超飞行器通信黑障现象预示方法，具体步骤如下：

(1)获取飞行器于飞行状态中产生的等离子鞘套的碰撞角频率，同时确定等离子鞘套中的电子密度；

(2)获取飞行器发送的电磁信号经过所述等离子鞘套的衰减系数；

(3)根据步骤(1)所得碰撞角频率、电子密度及步骤(2)所得衰减系数计算电磁信号强度于等离子体鞘套区域内的总衰减量；

(4)对地面控制中心通信链路余量进行预设，通过步骤(3)中所得总衰减量与预设通信链路余量判断是否会出现黑障。

所述步骤(2)中，所述衰减系数的计算方法如下：

式中，α_i为将等离子鞘套区域均分为i个区域后第i个区域内的电磁信号衰减系数，ω为电磁波工作角频率，ω_p为等离子鞘套角频率，N_e为等离子鞘套中电子密度，ν为等离子鞘套的粒子碰撞角频率，e为电子的电荷，m_e为电子的质量，ε₀为真空中的介电常数，c为光速。

所述步骤(3)中，信号强度总衰减量的计算公式为：

式中，A为信号强度总衰减量，α(s)表示距离天线s处的衰减系数，其中：

式中，p为归一化因子，N(X；μ_i,Σ_i)为高斯分布函数，X为所选区域电磁信号衰减系数，X＝{α₁,α_2,...,α_i}，其中：

式中，D为所选区域维度。

所述高斯分布函数的权重、均值、方差{b_i,μ_i,Σ_i}均通过最大期望(EM)算法计算得到。

所述步骤(4)中，信号强度总衰减值为A，设置链路余量门限值Linkbuget，若A≥Linkbuget，则出现通信黑障；若A<Linkbuget，则不会出现通信黑障。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种高超飞行器通信黑障现象预示方法，通过利用高斯模型拟合逼近难以用单一化参数密度函数表征的衰减常数分布，形成工程上可计算的通信衰减算法，在提升计算精度的同时通过信号强度总衰减值与无等离子体衰减情况的通信链路余量相比较，达到工程预测通信黑障的目的；

(2)本发明提供的一种高超飞行器通信黑障现象预示方法通过考虑衰减系数的计算方法得出电磁信号的衰减总量，再通过比较的方式对黑障进行预测，预判方法效率更高。

附图说明

图1为发明提供的黑障现象预示流程图；

具体实施方式

一种高超飞行器通信黑障现象预示方法，如图1所示，具体步骤如下：

(1)获取飞行器于飞行状态中产生的等离子鞘套的碰撞频率，同时确定飞行器鞘套中的电子密度及电子本身相关参数；

(2)获取飞行器发送的电磁信号经过等离子通道的初始衰减系数,同时获取电磁信号衰减常数序列，方便后续计算；

所述步骤(2)中，所述衰减系数a_i的计算方法如下：

式中，a_i为将等离子鞘套区域均分为i个区域后第i个区域内的电磁信号衰减系数，ω为电磁波工作角频率；ω_p为等离子体角频率，其值与等离子体鞘中电子密度N_e相关，ν为等离子体的粒子碰撞角频率，e为电子的电荷，m_e为电子的质量，ε₀为真空中的介电常数，其中，电磁波工作角频率、等离子体角频率的计算方法分别为：

ω＝2πf

通过利用网格化计算可得电磁信号衰减常数序列X＝{a₁,a₂,...,a_i}；

(3)根据步骤(1)、步骤(2)计算电磁信号强度于等离子体鞘套区域内总衰减量，计算步骤如下：

(3a)根据步骤(1)、步骤(2)所得参数获取飞行器发送的电磁信号于等离子鞘套中的信号强度总衰减表达式，并转换为高斯分布加权表达式；

所述步骤(3a)中信号强度总衰减表达式为：

式中，α(s)表示距离天线s处的衰减系数；

对步骤(2)所得电磁信号离散衰减序列进行归一化处理，并利用含K个高斯函数的混合模型对α(s)进行表达：

式中，b_i,μ_i,Σ_i分别是第i个高斯分布的权重、均值、方差，p为归一化因子，其中：

式中，D为所选区域维度；

(3b)通过最大期望算法计算高斯分布函数及权重，其中所述高斯分布函数的参数及权重{b_i,μ_i,Σ_i}均通过最大期望(EM)算法计算得到。

(3c)根据步骤(3a)、步骤(3b)确定信号强度总衰减算法，其中：

所述步骤(3c)中，信号强度总衰减工程算法的计算公式为：

(4)对地面控制中心通信链路余量进行预设，判断步骤(3)中所得总衰减量与预设通信链路余量是否匹配，判断方法如下：信号强度总衰减值为A，链路余量为Linkbuget，若A≥Linkbuget，则出现通信黑障；若A<Linkbuget，则不会出现通信黑障。

Claims (5)

1.一种高超飞行器通信黑障现象预示方法，其特征在于步骤如下：

(1)获取飞行器于飞行状态中产生的等离子鞘套的碰撞角频率，同时确定等离子鞘套中的电子密度；

(2)获取飞行器发送的电磁信号经过所述等离子鞘套的衰减系数；

(3)根据步骤(1)所得碰撞角频率、电子密度及步骤(2)所得衰减系数计算电磁信号强度于等离子体鞘套区域内的总衰减量；

(4)对地面控制中心通信链路余量进行预设，通过步骤(3)中所得总衰减量与预设通信链路余量判断是否会出现黑障。

2.根据权利要求1所述的一种高超飞行器通信黑障现象预示方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述衰减系数的计算方法如下：

式中，α_i为将等离子鞘套区域均分为i个区域后第i个区域内的电磁信号衰减系数，ω为电磁波工作角频率，ω_p为等离子鞘套角频率，N_e为等离子鞘套中电子密度，ν为等离子鞘套的粒子碰撞角频率，e为电子的电荷，m_e为电子的质量，ε₀为真空中的介电常数，c为光速。

3.根据权利要求2所述的一种高超飞行器通信黑障现象预示方法，其特征在于：所述步骤(3)中，信号强度总衰减量的计算公式为：

式中，A为信号强度总衰减量，α(s)表示距离天线s处的衰减系数，其中：

式中，p为归一化因子，b_i,μ_i,Σ_i分别为高斯分布函数的权重、均值、方差，N(X；μ_i,Σ_i)为信号强度衰减系数的高斯分布函数，X为所选区域电磁信号衰减系数，X＝{α₁,α₂,...,α_i}，其中：

式中，D为所选区域维度。

4.根据权利要求3所述的一种高超飞行器通信黑障现象预示方法，其特征在于：所述高斯分布函数的权重、均值、方差{b_i,μ_i,Σ_i}均通过最大期望算法计算得到。

5.根据权利要求1～4任一所述的一种高超飞行器通信黑障现象预示方法，其特征在于：所述步骤(4)中，信号强度总衰减值为A，设置链路余量门限值Linkbuget，若A≥Linkbuget，则出现通信黑障；若A<Linkbuget，则不会出现通信黑障。