飞行器穿越黑障区域的通讯方法及装置

本发明涉及一种突破通讯黑障的方法，属于航空航天。

背景技术：

1、随着世界航天进入以大规模空间基础设施建设、空间资源开发、载人月球和火星探测为代表的新阶段，进入空间需求快速增长，相应地对航天运输系统也提出了更高要求。但当飞行器在临近空间段(20～90km)飞行速度达到10ma以上时，其表面由于热致电离形成的高密度、强碰撞、非均匀、高动态等离子体鞘套会吸收、反射、折射、散射电磁波，使通信信号被衰减甚至完全屏蔽，导致飞行器通信中断。此外，等离子体鞘套会使飞行器自身天线匹配特性发生变化，造成阻抗失配、谐振点偏移。同时，等离子体鞘套受湍流影响，鞘套参数剧烈变化呈现高动态特征(～100khz量级)，通信信号幅度和相位随之变化使其难以被捕获跟踪和接收解调，进一步恶化通信环境。由等离子体鞘套引发的通信质量下降甚至中断问题会导致飞行器成为“信息孤岛”，引发参数不可知、目标不可见、状态不可控等一系列严重后果，进而严重威胁飞行器和舱内人员的安全，是制约航班化航天运输产品体系建立的主要因素之一。

2、针对这一问题，根据现有的文献可以将缓解高速飞行器通信中断的方法分为两类，一类是通过主动改变等离子体流场特性减小等离子体鞘套对通信信号的衰减，如亲电子物质注入、改变攻角、磁窗法、正交电/磁场法等；另一类是在不改变等离子体鞘套的基础上，从电磁波与等离子体相互作用角度寻求新的通信手段，如低频法、高频法、中继法、超材料匹配法等。

3、在专利方面，围绕主动改变流场特性，申请号cn202211504205.4公开了一种用于再入飞行器缓解通信黑障的催化涂层及其制备方法，基于金属铜涂层的表面催化效应，减小再入飞行器表面和尾流区的电子数密度，但是涂层法的缺点是使用时间有限且可能在非黑障区影响自身的正常通信。申请号cn202111355853.3公开了一种主动冲击波削弱等离子体鞘套的突破通信黑障的方法，利用主动放电产生的冲击波调制等离子体电子密度分布及位形，从而缓解黑障问题。申请号cn202110716664.8公开了一种缓解高速飞行器黑障通信的方法，通过释放二氧化碳减小等离子体鞘套电子密度，可有效减低通信目标区域等离子体截止频率。但是冲击波法和亲电子物质注入法的问题是载荷较大，不适用于长距离飞行。围绕电磁波与等离子体相互作用，申请号cn201810461835.5公开了一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，通过脉冲磁场调控等离子体的电子分布及其特性，并有效提高了电能利用率。申请号cn202211602396.8公开了一种突破等离子体通讯黑障的结构、方法及飞行器，通过将多个高介电常数材料组成的晶格结构放置在等离子体中，使电磁波能够以倏逝波的形式向前传播。但是该方法需要改变飞行器的外形，且无法解决由于强碰撞引起的信号衰减。申请号cn201310476799.7公开了一种克服临近空间等离子体鞘套通信黑障的磁窗天线，通过磁化通信目标区域的等离子体，减小电磁波在等离子体中传输的衰减。申请号cn201911301601.5和cn201710049140.1公开了黑障区x射线通信系统及其方法，通过提高电磁信号的频率，可实现黑障区的x射线通信。申请号cn201910893562.6公开了一种实现太赫兹跟踪与数据中继通信一体化系统，利用太赫兹信号的高频和高带宽特性，可满足黑障条件下的通信需求。申请号cn201610056782.x公开了一种再入飞行器突破黑障通信系统，利用激光的高频特性，实现黑障区的可靠通信。但是x射线、太赫兹以及激光等高频法容易受天气环境以及等离子体鞘套中的烧蚀微粒影响，在实际应用中的可靠性难以保障。

4、综上，目前关于通信黑障问题缓解方法的研究仍存在以下问题：

5、(1)系统载荷相对较大，系统灵活性、可靠性不足，使用场景受限；

6、(2)缺少对等离子体鞘套高密度、强碰撞、非均匀以及高动态特性的综合考虑。

7、亟需发展可靠性更高、适用性更好的新型通讯黑障缓解方法。

技术实现思路

1、针对现有通信黑障问题缓解方法存在的问题，本发明提供一种飞行器穿越黑障区域的通讯方法及装置。

2、本发明的一个方面，提供所述飞行器穿越黑障区域的通讯方法，该方法包括以下步骤：

3、步骤一、通过地面实验模拟或计算机仿真模拟黑障的产生过程，得到不同飞行状态下等离子体鞘套的等离子体参数；

4、步骤二、选取n种典型的飞行状态，获取每种飞行状态对应的预设通讯窗口位置；

5、在每一种飞行状态下比选等离子体鞘套不同位置的等离子体参数，进而确定电磁波的角频率ω及预设通讯窗口位置；

6、步骤三、在飞行器内表面的n个预设通讯窗口位置各设置一个可调谐增益超材料模块，可调谐增益超材料模块包括超材料、调谐单元和位置层数微调单元；

7、步骤四、飞行器穿越黑障区域时，获得实际飞行中等离子体鞘套不同位置的等离子体参数；

8、步骤五、根据实际飞行中等离子体鞘套不同位置的等离子体参数获取实际通讯窗口位置，找到与实际通讯窗口位置相邻的预设通讯窗口位置，将该预设通讯窗口位置的超材料微移至实际通讯窗口位置处，并调节超材料的参数，使移至实际通讯窗口位置的超材料与等离子鞘套阻抗匹配，进而实现飞行器内部与外界保持通讯。

9、优选地，等离子体鞘套的等离子体参数包括电子密度ne法向分布、碰撞频率v以及厚度dp。

10、优选地，预设通讯窗口位置和实际通讯窗口位置的确定方式一样，其中实际通讯窗口位置的确定过程为：

11、首先，获取等离子体鞘套不同位置的等离子体参数；

12、其次，根据电子密度ne法向分布获取任意位置等离子体频率的法向分布ωp：

13、

14、式中，ε0表示真空中的介电常数；me为电子质量；e表示元电荷量；

15、最后，找到满足以下三个约束条件的位置作为实际通讯窗口位置，并获取实现阻抗匹配的电磁波的角频率ω：

16、约束条件1、归一化法向等离子体频率的最大值小于等于5：

17、ωpmax/ω≤5，ωpmax为任意位置等离子体频率的法向分布ωp的最大值；

18、约束条件2、归一化等离子体碰撞频率小于等于2：

19、v/ω≤2

20、约束条件3、归一化等离子体厚度小于等于0.1：

21、dp/λ≤0.1，λ为电磁波波长；

22、等离子鞘套在实际通讯窗口位置的参数为：等离子体厚度等离子体的相对介电常数的法向分布且为实际通讯窗口位置的等离子体频率的法向分布，ω*为满足约束条件的电磁波频率，v*为实际通讯窗口位置的等离子体碰撞频率。

23、优选地，步骤五中超材料参数包括相对介电常数εm、相对磁导率μm和厚度dm。

24、优选地，超材料参数的调节包括：

25、利用位置层数微调单元调节超材料的位置移至实际通讯窗口位置，并通过调整超材料的层数来实现超材料厚度的调节；超材料的厚度

26、利用调谐单元调节超材料的相对介电常数εm和相对磁导率μm，具体的：

27、超材料的相对介电常数εm调节为：其中mean表示沿法向分布的算术平均值；

28、超材料的相对磁导率μm调节方式：改变超材料的相对磁导率μm以调节等离子体和可调谐增益超材料模块的等效波阻抗，当匹配后的传输率tm大于0.9或传输增益tgain大于10db时停止调节，此时的相对磁导率μm为目标值。

29、优选地，传输率tm、传输增益tgain满足关系式：

30、

31、式中，tp表示没有敷设可调谐增益超材料模块匹配时，电磁波在等离子体中的传输率。

32、本发明的另一个方面，提供所述飞行器穿越黑障区域的通讯装置，所述通讯装置包括等离子体参数诊断模块1、计算决策模块2、可调谐增益超材料模块3和通信模块4；

33、穿越黑障区域时，飞行器外部形成等离子鞘套5；

34、可调谐增益超材料模块3包括超材料、调谐单元和位置层数微调单元；超材料设置于飞行器内表面的n个预设通讯窗口位置；

35、等离子体参数诊断模块1用于获取等离子体鞘套在不同位置的等离子体参数，并发送给计算决策模块2；

36、计算决策模块2用于遍历等离子体鞘套在不同位置处的等离子体参数，找到同时满足以下三个约束条件的位置作为实际通讯窗口位置：

37、约束条件1、归一化法向等离子体频率的最大值小于等于5：

38、ωpmax/ω≤5，ωpmax为任意位置等离子体频率的法向分布ωp的最大值；

39、约束条件2、归一化等离子体碰撞频率小于等于2：

40、v/ω≤2

41、约束条件3、归一化等离子体厚度小于等于0.1：

42、dp/λ≤0.1，λ为电磁波波长；

43、在实际通讯窗口位置确定后，获取阻抗匹配的超材料厚度、相对介电常数和相对磁导率的目标值；

44、计算决策模块2还用于根据目标值向可调谐增益超材料模块下达指令，利用位置层数微调单元调节超材料的位置移至实际通讯窗口位置，并通过调整超材料的层数来实现超材料厚度的调节，利用调谐单元调节超材料的相对介电常数和相对磁导率；

45、通信模块4，用于通过实际通讯窗口位置的超材料与外界通讯。

46、本发明的有益效果：

47、本发明利用结构轻便的超材料敷设于飞行器内表面，对飞行器系统重量的影响较小，实现小载荷加载；系统集参数诊断和电磁调控于一体，利用超材料的增益和可调谐特性，可在多种飞行状态下同时克服等离子体鞘套高密度和强碰撞引起的损耗，找到通讯窗口并调节超材料参数至最优，达到阻抗匹配状态，令飞行器内部与外界通讯得到有效保障。