一种临近空间动态等离子鞘套信道建模及模拟的方法技术

本发明专利技术公开了一种临近空间动态等离子鞘套信道建模及模拟的方法，包括根据大尺度空时频特征划分信道资源，构建大尺度空时频信道资源矩阵；其中高度对应大尺度空域特征，速度对应大尺度时域特征，频点对应大尺度频域特征；针对每个信道资源矩阵，获取动态小尺度信道参数；根据给定的小尺度信道参数，实现小尺度信道模型的模拟；重复近空间飞行轨迹上多个状态的小尺度信道模型，即实现大尺度信道模型的模拟。本发明专利技术可适用于不同动态规律下的信道建模，对等离子鞘套下所可能产生的任意幅度相位概率密度分布进行模拟，保证信道建模的可行性；适用于临近空间飞行器等离子鞘套信道建模和航天再入返回飞行器等离子鞘套信道建模。

【技术实现步骤摘要】
一种临近空间动态等离子鞘套信道建模及模拟的方法
本专利技术属于测控通信
，尤其涉及一种临近空间动态等离子鞘套信道建模及模拟的方法。
技术介绍
高超声速飞行器在临近空间高速飞行过程中，其周围将包覆一层高温热致等离子体(等离子鞘套)，这一鞘套内部以自由电子为主的带电粒子将会吸收、反射和散射电磁波，产生类似金属屏蔽的效应，使得电磁信号发生严重衰减，同时使天线的阻抗特性发生改变、方向图畸变。这些效应将会导致通信质量恶化，严重时导致通信信号中断，产生黑障现象。黑障现象将严重影响地面站对飞行器的捕获、跟踪和实时遥测数据传输，导致不可预料的后果。为了对抗或者削弱缓解等离子鞘套对通信的影响，研究者们提出了很多物理化学方法试图削弱等离子体，提高通信的可能性。这些措施理论上可一定程度地降低衰减的程度。对于通信而言，关注的更多是等离子鞘套的特殊性给传输信道带来的影响。众多研究将这一特殊信道归结为衰减和相位偏移，这一特性通常可在稳态的非均匀等离子中通过电磁计算方法获取。随着对等离子鞘套认知的深入，发现等离子鞘套不仅具有稳态特性，而且具有动态特性，等离子鞘套的参数动态分布特性与高度、速度、轨迹、姿态变化、湍流、压力脉动、烧蚀剥落等众多随机因素及多因素的紧密耦合有关。等离子鞘套的动态性导致了复杂的随机介质电磁特性，进而对信号产生更为复杂的幅相调制效应。即使在信号穿过等离子体时，其动态特性引起的幅相调制效应也会严重恶化通信质量。因此为设计适应于这一复杂信道下的通信体制服务，动态等离子鞘套信道建模的研究至关重要。对动态等离子体信道的研究及其模型建模的研究几乎处于空白。实际上，从信道的物理特征角度而言，可将等离子的动态性分为大尺度动态性和小尺度动态性。针对飞行高度(空)、速度(时间)、频点(频)等物理状态引入“大尺度”动态特性，可进行大尺度空时频信道资源的划分，对大尺度动态特征建模，为通信系统需求更多的信道资源窗口协同资源优化利用和拓展信道容量服务。针对烧蚀湍流等物理“小尺度”动态特性，体现微观动态性对信号幅度、相位和功率谱弥散的影响，进行小尺度信道建模，为通信系统设计更有针对性的编码调制从而提升性能逼近容量界服务。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种临近空间动态等离子鞘套信道建模及模拟的方法，由于目前信道探测在实际在飞实验中无法实现，以及对动态等离子体对信号和信道特性影响认知不足问题，旨在从理论建模方法和信道参数的理论计算两方面解决动态等离子体信道模型建模问题，为设计缓解或者适应性的通信技术提供指导服务。本专利技术实施例是这样实现的，一种临近空间动态等离子鞘套信道建模及模拟的方法，该临近空间动态等离子鞘套信道建模及模拟的方法包括以下步骤：步骤一，针对每个信道资源矩阵，获取动态小尺度信道参数；通过电磁计算方法获取远场接收点三维场强数据，获取小尺度信道的幅度和相位概率密度函数，获取小尺度信道多普勒功率谱函数；步骤二，根据给定的小尺度信道参数，实现小尺度信道模型的模拟；具体包括：第一步，采用均匀帽子舍弃法模拟满足所提取幅度概率分布的随机序列R(k)和相位概率分布随机序列θ(k)；第二步，采用IIR数字滤波器直接设计法设计归一化离散的多普勒成型滤波器S(k)；第三步，叠加幅度随机序列和相位随机序列生成衰落信道包络复随机序列Z(k)＝R(k)ejθ(k)；第四步，信道包络复随机序列通过多普勒成型滤波器序列，生成动态等离子鞘套信道随机序列Cp(k)＝Z(k)·S(k)；步骤三，针对每个信道资源矩阵，重复步骤二，得到不同接收极化下的动态等离子鞘套信道随机序列。进一步，在步骤一之前需要根据大尺度空时频特征划分信道资源，构建大尺度空时频信道资源矩阵；其中高度对应大尺度空域特征，速度对应大尺度时域特征，频点对应大尺度频域特征；进一步，在步骤一中，通过电磁计算方法获取远场接收点三维场强数据；具体包括：第一步、根据大尺度特征下对应的N组等离子体电子密度分布及其动态性规律，构建等离子鞘套电磁参数模型，其中在每组非均匀电子分布下，对非均匀电子密度分层均匀化处理，每层电磁介质参数模型为：为第m层等离子体相对介电常数，ε0为自由空间介电常数，ω为入射电波频率，υm为第m层等离子体碰撞频率，ωp,m为第m层等离子体特征频率，m为等离子体层数；第二步、采用三维FDTD电磁计算算法获取每组准静态下接收点处的场强Ep,Ep＝Exax+Eyay+Ezaz,其中Ex＝(a+bi),Ey＝(c+di),Ez＝(e+fi)，ax、ay、az为x，y，z方向的单位向量；第三步、重复第二步仿真计算，得到在大尺度动态特征下的N组复场强数据进一步，在步骤一中，获取小尺度信道的幅度和相位概率密度函数，具体包括：第一步、根据天线接收极化形式，选择相应的极化分量并获取N个接收信号幅度数据和和相位数据左旋接收时右旋接收时其中第二步、对接收信号幅度数据和和相位数据进行统计分析和多项式拟合，得到幅度相位概率密度函数fR(x)和相位概率密度函数fθ(x)；得到不同接收极化下的幅度概率密度函数；得到不同接收极化下的相位概率密度函数。进一步，在步骤一中，获取小尺度信道多普勒功率谱函数，具体包括：第一步、由幅度数据和和相位数据得到接收信号复数据即通过N组复场强数据得到近似的连续时间数据；第二步、求解接收信号的其自相关函数进行傅里叶变换得到多普勒功率谱函数得到不同接收极化下的多普勒功率谱。进一步，在步骤二的第一步中均匀帽子法步骤如下，产生fR(x)的随机序列X；第一步、产生在(0,aX)上均匀分布的V1X，其中aX是X的最大值；第二步、产生在(0,bX)上均匀分布的V2X，其中bX不小于的fx(x)最大值；第三步、如果V1X≤fx(V1X)，令X＝V1X；如果不等式不满足，则丢弃V1X和V2X，从第一步开始重复以上过程；第四步、得到服从幅度概率分布函数fR(x)的随机序列R(k)＝X；不同接收极化下的幅度模拟随机序列。进一步，在步骤二的第一步中均匀帽子法步骤如下，产生fθ(x)的随机序列Y；第一步、产生在(0,aY)上均匀分布的V1Y，其中aY是Y的最大值；第二步、产生在(0,bY)上均匀分布的V2Y，其中bY不小于的fx(x)最大值；第三步、如果V1Y≤fx(V1Y)，令Y＝V1Y；如果不等式不满足，则丢弃V1Y和V2Y，从第一步开始重复以上过程；第四步、得到服从相位概率分布函数fθ(x)的随机序列θ(k)＝Y；不同接收极化下的相位模拟随本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种临近空间动态等离子鞘套信道建模及模拟的方法，其特征在于，该临近空间动态等离子鞘套信道建模及模拟的方法包括以下步骤：步骤一，针对每个信道资源矩阵，获取动态小尺度信道参数；通过电磁计算方法获取远场接收点三维场强数据，获取小尺度信道的幅度和相位概率密度函数，获取小尺度信道多普勒功率谱函数；步骤二，根据给定的小尺度信道参数，实现小尺度信道模型的模拟；具体包括：第一步，采用均匀帽子舍弃法模拟满足所提取幅度概率分布的随机序列R(k)和相位概率分布随机序列θ(k)；第二步，采用IIR数字滤波器直接设计法设计归一化离散的多普勒成型滤波器S(k)；第三步，叠加幅度随机序列和相位随机序列生成衰落信道包络复随机序列Z(k)＝R(k)ejθ(k)；第四步，信道包络复随机序列通过多普勒成型滤波器序列，生成动态等离子鞘套信道随机序列Cp(k)＝Z(k)·S(k)；步骤三，针对每个信道资源矩阵，重复步骤二，得到不同接收极化下的动态等离子鞘套信道随机序列。

【技术特征摘要】
1.一种临近空间动态等离子鞘套信道建模及模拟的方法，其特征在于，该临近空间动态等离子鞘套信道建模及模拟的方法包括以下步骤：步骤一，根据大尺度空时频特征划分信道资源，构建大尺度空时频信道资源矩阵；其中高度对应大尺度空域特征，速度对应大尺度时域特征，频点对应大尺度频域特征，其中高度以5km间隔划分，速度以0.5马赫间隔划分，频点以500MHz间隔划分；步骤二，针对每个信道资源矩阵，获取动态小尺度信道参数；通过电磁计算方法获取远场接收点三维场强数据，获取小尺度信道的幅度和相位概率密度函数，获取小尺度信道多普勒功率谱函数；步骤三，根据给定的小尺度信道参数，实现小尺度信道模型的模拟；具体包括：第一步，采用均匀帽子舍弃法模拟满足所提取幅度概率分布的随机序列R(k)和相位概率分布随机序列θ(k)；第二步，采用IIR数字滤波器直接设计法设计归一化离散的多普勒成型滤波器S(k)；第三步，叠加幅度随机序列和相位随机序列生成衰落信道包络复随机序列Z(k)＝R(k)ejθ(k)；第四步，信道包络复随机序列通过多普勒成型滤波器序列，生成动态等离子鞘套信道随机序列Cp(k)＝Z(k)·S(k)；步骤四，针对每个信道资源矩阵，重复步骤三，得到不同接收极化下的动态等离子鞘套信道随机序列。2.如权利要求1所述的临近空间动态等离子鞘套信道建模及模拟的方法，其特征在于，在步骤二中，通过电磁计算方法获取远场接收点三维场强数据；具体包括：第一步、根据大尺度特征下对应的N组等离子体电子密度分布及其动态性规律，构建等离子鞘套电磁参数模型，其中在每组非均匀电子分布下，对非均匀电子密度分层均匀化处理，每层电磁介质参数模型为：为第m层等离子体相对介电常数，ε0为自由空间介电常数，ω为入射电波频率，υm为第m层等离子体碰撞频率，ωp,m为第m层等离子体特征频率，m为等离子体层数；第二步、采用三维FDTD电磁计算算法获取每组准静态下接收点处的场强Ep,Ep＝Exax+Eyay+Ezaz,其中Ex＝(a+bi),Ey＝(c+di),Ez＝(e+fi)，ax、ay、az为x，y，z方向的单位向量；第三步、重复第二步仿真计算，得到在大尺度动态特征下的N组复场强数据3.如权利要求1所述的临近空间动态等离子鞘套信道建模及模拟的方法，其特征在于，在步骤二中，获取小尺度信道的幅度和相位概率密度函数，具体包括：第一步、根据天线接收极化形式，选择相应的极化分量并获取N个接收信号幅度数据和和相位数据左旋接收时右旋接收时其中第二步、对接收信号幅度数据和和相位数据进行统计分析和多项式拟合，得到幅度相位概率密度函数fR(x)和相位概率密度函数fθ(x)；得到不同接收...

【专利技术属性】
技术研发人员：石磊，李小平，刘彦明，周辉，姚博，方水汛，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61