李小平个人资料介绍-李小平个人资料简介

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李小平,杨敏,姚博,刘彦明,石磊,刘浩岩,李乘光.可重复使用运载火箭再入段星箭协同可靠通信技术[J].航空学报, 2023, 44(23): 628906.

李小平,杨敏,姚博,刘彦明,石磊,刘浩岩,李乘光.可重复使用运载火箭再入段星箭协同可靠通信技术[J].航空学报, 2023, 44(23): 628906.

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https://hkxb.buaa.edu.cn/CN/10.7527/S1000-6893.2023.28906

1 研究背景

回收火箭是未来低成本火箭应用技术的必然发展趋势,可靠通信链路的建立和保持是实现可回收火箭再入过程中全时可测、全程可控的重要基础。然而,在火箭以极高的速度再入大气过程中,包覆在箭体表面的等离子体鞘套会引起通信中断问题,即所谓的“黑障”现象,“黑障”使得火箭与地面产生数分钟的失联,严重增加了回收过程中的失控风险。目前,通信“黑障”问题仍然是航天技术中尚未攻克的关键难题,同时也成为制约可回收火箭发展的障碍。

为了保证火箭再入过程中的全时可测、全程可控的基本要求,研究“黑障”下的测控通信是促进可回收火箭发展的重要一步。采用低轨卫星与火箭进行协同通信时,具有传播路径少,传输时延低等优势,且箭体背风面的“黑障”效应要弱于迎风面,有利于通信信号穿透等离子体鞘套。本文面向可回收火箭再入段可靠测控通信需求,从机理分析、模型建立、理论仿真和地面实验等多个角度论述了火箭再入段测控通信的问题与解决方案。首先,分析了再入段火箭测控通信所面临的挑战,并结合星箭链路特性与等离子体鞘套参数的物理变化规律,建立了一种尺度非平稳综合信道模型然后,分别从信道感知、编码、检测和调制体制这4个通信技术层面分析了如何设计与火箭再入段信道相匹配的通信方法,从而消除非平稳快时变信道的干扰,提升通信系统对多普勒频移的耐受度。最后,通过在地面实验模拟中火箭再入过程中等离子体鞘套环境,开展 “黑障”复现与可靠通信新体制实验验证,为可回收火箭的研究奠定了一定基础。

2 研究亮点

火箭再入段信道是一种耦合了时变等离子体鞘套、高动态多普勒频移和极低信噪比等多种干扰因素的复杂综合信道。其中,相较于一般通信信道,其中的等离子体鞘套是一种动态时变的有耗色散介质,会导致信号经历时变衰减和相位变化,从而引起时变寄生调制效应,造成接收信号具有极强的动态变化性。

作者团队研究发现,等离子体鞘套动态变化源于电子密度的多尺度时变。随着飞行条件和流体条件的变化,等离子体鞘套信道呈现多状态非平稳特性,统计特性出现多峰特征,因此,提出了一种有限状态马尔可夫链(Finite-State Markov Channel,FSMC)信道模型来表征等离子体鞘套信道动态特性,该模型可自适应估计不同信道状态的转移矩阵,完成等离子体鞘套信道从短时准平稳到全程非平稳的转化。

从实时测控接收角度来看,如此大的动态多普勒频移,特别是当同时耦合了等离子体鞘套寄生调制效应时,将使现有的捕获跟踪体制面临严峻挑战。特别在叠加了极低信噪比的情况下,通信系统的接收端对估计、检测技术的精度提出了更高的要求。因此,分别从信道感知、编码、检测、调制体制设计等角度开展了相应的研究工作,在地面复现了“黑障”场景并对所提出的方案进行了实验验证。

1)信道感知技术

实现对动态等离子体鞘套信道状态的实时感知是保证可靠通信的基础,受火箭高速飞行和外部湍流的影响,等离子体鞘套内的电子密度等参数呈非线性分布,且具有快时变特征。等离子体鞘套会引起天线的近场区域的介电系数改变,从而影响天线阻抗并最终导致阻抗失配损耗,回波损耗和阻抗失配进而会引起天线的电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)变化,因此,对天线的VSWR进行监测可以提供潜在的实时反馈以感知等离子体鞘套信道状态的变化,作者团队提出基于VSWR检测的等离子体鞘套信道状态来实时调节发送数据速率(如图1所示),根据数据优先级进行传输。实验结果表明,当检测到VSWR过阈值时,比特率自动从4Mbit/s降至250bit/s,可容忍的等离子体密度提高了一个数量级,验证了所提出的方案的有效性。

图1 自适应再入遥测通信系统框图

2)自适应编码技术

机体表面包覆的等离子体鞘套中的电子密度随时间快速变化,会在时域和空域出现随机分布的“通信窗口”,其具有时间不连续、持续时间短的特点。在“通信窗口”中,等离子体鞘套对电磁波的衰减作用减弱,大部分电磁波能量可以穿透等离子体鞘套,产生了通信时隙,这为高电子密度的等离子体鞘套下的通信提供了可能性。基于LT喷泉码的机制,作者团队针对等离子体鞘套中电子密度的不同变化尺度的特性,分别提出了自适应分级喷泉码,自适应短帧喷泉码和自适应空时喷泉码的编码方案,解决了传统通信方式无法应对的“通信窗口”在时域上随机分布且不连续性以及单个“通信窗口”持续时间过短导致无法维持链路长时间通信的难题(如图2所示)。

图2 分级喷泉码随电子密度变化的自适应调整过程

3)智能检测方法

时变的等离子体鞘套会对入射电磁波产生寄生调制效应,造成接收信号在星座图上呈螺旋状非线性旋转,难以正确划分符号判决区域,给传统接收方案设计带来了巨大挑战。针对这一问题,作者团队提出了一种基于深度学习的流形对称网络,通过利用自动编码器提取主曲线来寻找时变等离子体鞘套生成的螺旋线,从而对未知的数据符号进行分类。图3展示了基于流形对称网络的不同时变等离子体鞘套下QPSK检测算法(Symbol Error Rate,SER)的分类性能,可以看出该方法对于存在部分重合的螺旋线也具有良好的分辨能力,且实现相同的误码率性能时所需消耗的带宽仅为监督学习的1/16。

图3 基于流形对称网络的时变等离子体鞘套下QPSK检测算法

4)先进调制技术

等离子体鞘套对通信信号的寄生调制效应的影响明显时,部分信号经历深衰落后被噪声淹没,致使通信系统性能在等离子体鞘套的作用下出现严重退化。分集技术是缓解信道起伏变化的最有效方法,根据等离子体鞘套引起的时域信道波动特点,考虑基于时间分集设计调制方案,作者团队采用信号空间分集(Signal Space Diversity,SSD)与交织技术,保证所有码字均有部分能量穿透等离子体鞘套信道,经过译码后将快时变衰落信道等效为平坦衰落信道,弥补了信道剧烈波动带来的性能损失;同时,作者团队针对正交时频空间调制(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)方法,分析并证明了其与快时变信道的适配性,并且可以获取更高的分集增益。在不同电子密度的情况下(如图4所示),证明了其性能的优异性。

图4 时变等离子体鞘套下QPSK与OTFS误码率对比

5)“黑障”地面复现与可靠通信实验

如图5所示,通过构建等离子体包覆目标的通信信号传输系统,开展“黑障”复现与可靠通信新体制实验,复现出飞行全程的进黑障、出黑障的全过程。采用了自适应分级短帧喷泉码技术,通过将通信时隙窗口的随机性与短时性相匹配,巧妙利用了等离子体鞘套动态性带来的通信时隙资源,从而提高了信道整体传输能力。另一方面,通过分析信道在时延多普勒域的信道稀疏表征,基于OTFS体制,设计时延多普勒域内的二维正交基函数集合,优化传输信号波形。将上述信道编码技术、波形优化设计和接收算法有机结合,充分利用时域“通信窗口”资源,在时延多普勒域进行波形设计和接收算法研究,形成临近空间高动态复杂环境协同通信方法。

图5 地面模拟火箭再入过程中等离子体鞘套环境实验

3 研究结论

1)基于等离子体鞘套物理参数的变化规律,建立具有多状态非平稳特性的等离子体鞘套信道模型,为设计适应性通信方法提供依据

2)考虑耦合时变等离子体鞘套的信道特殊性,从信道感知、编码、检测、调制体制设计等角度提出了适应性的通信新方法。

3)通过地面模拟实验验证,采用与时变等离子体鞘套信道环境更加匹配的传输体制时,大幅缩减了黑障时间,提高了信息传输可靠性,为火箭重复利用提供了通信保障。

4 团队介绍

李小平(第一作者),极端环境下装备效能教育部重点实验室主任、教授、博士生导师,长期围绕高超飞行器信息技术与实验科学深入研究,形成围绕高速飞行器的等离子体鞘套模拟、物理信道感知与通信、等离子体电磁科学实验研究装置等典型成果及成果应用。主持国家科技重大专项、973计划、国家自然基金重大科研仪器等重大课题,获国家部委技术发明奖2项、科技进步奖1项。

刘彦明,空间科学与技术学院执行院长,教授、博士生导师。承担和参与了国家973计划项目“临近空间高速飞行器等离子鞘套下信息传输基础理论”课题“动态等离子鞘套信道模型研究”、国家重大专项“临近空间飞行器等离子鞘套通信技术基础研究”、国家863高科技项目、国家自然科学基金、“九五”、“十五”、“十一五”、“十二五”等科研项目30余项,发表论文20余篇,著作10余部。

杨敏(通信作者),教授、博士生导师,长期致力于高超声速飞行器等离子体鞘套信道预估方法、参数诊断、空间电子对抗与等离子体鞘套自适应通信方法等方向开展创新研究。主持参与了国家自然科学基金面上/青年项目,基础加强项目,慧眼行动项目,前沿创新项目、973计划与型号研制课题等课题。个人发表高水平SCI论文40余篇,2023年获陕西省电子学会技术发明二等奖(排名第一),2018年获教育部技术发明二等奖1项。

石磊,空间科学与技术学院副院长,教授,博士生导师,长期致力于临近空间高速飞行器测控通信、高速目标探测识别研究,主持和参与国家科技重大专项、973计划、国家自然科学基金等项目20余项,发表高水平SCI论文60余篇,授权国家发明专利26项;获2020国家部委技术发明一等奖1项,2018年教育部技术发明二等奖1项,2022年度陕西省青年科技奖。

姚博,讲师,研究方向为高超声速飞行器信道建模。参与国家重点基础研究发展计划、国家安全重大基础研究计划、基础加强等重大项目6相,参与发表SCI论文21篇,申请专利21项。

供稿 / 杨敏

编辑 / 宋金超,许雅婷

审核 / 蔡斐,范真真

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