西電李小平教授團隊提出一種緩解通信「黑障」新方法
西安電子科技大學空間科學與技術學院李小平教授帶領的研究團隊，日前提出一種與重返大氣層的飛船保持連續通信的新方法，並且在地面原理性實驗中得到驗證。這一通信方式有望緩解通信「黑障」問題，而且也可被用在其他的10馬赫以上超音速飛行器上，比如未來的空天飛機。
探討這一新方法的研究論文《利用駐波檢測和自適應碼率穿透等離子鞘套的再入通信方法》（Re-entry communication through a plasma sheath using standing wave detection and adaptive data rate control，全文鏈接：http://dx.doi.org/10.1063/1.4939700），經過同行評議後，已經發表在由美國物理聯合會出版的《應用物理學雜誌》（Journal of Applied Physics）2016年第1期。
「黑障」現象是所有返回式航天器通信的巨大挑戰
中國第一位宇航員楊利偉在他的自傳書《天地九重》中，這樣回憶了歸途中載人飛船重返大氣層時所經歷的驚心動魄的一幕：遭遇強烈的過載和振動、看見燒得通紅的舷窗、不斷剝落的碎片，更可怕的是再入大氣層飛行階段無法和地面取得任何聯絡，獨自面對危險甚至死亡威脅時的精神煎熬。
實際上，包括美國的太空梭、俄羅斯聯盟號飛船在內的所有返回式航天器，從外太空重返大氣層的航程一直是風險最大的階段。眾所周知，許多重大的航天事故，比如阿波羅13號飛船故障、聯盟11號飛船泄漏、哥倫比亞號太空梭解體，都發生在再入大氣層的階段。而再入階段與地面的通信失聯，更是加劇了風險的不可控性。
圖1 飛船重返大氣層的場景（藝術效果圖）
飛船重返地球大氣層時，因劇烈的摩擦被數千攝氏度高溫氣體所環繞，這樣的高溫足以使空氣電離而變得具有導電性，這層包裹于飛船表面的電離氣體被稱作「等離子鞘」，就像一個密封的金屬罐一樣，絕大多數的情況下都會屏蔽電磁波信號，切斷飛行器與外部的聯繫，這就是所謂的「黑障」現象。
「飛船發出的訊號始終無法到達地面控制中心，地面也就無法得知或者控制飛船的位置和狀態。在『黑障』階段，每一秒鐘都是煎熬，你唯一能做的就是等待。」中國科學院院士包為民如此說到。
論文第一作者謝楷副教授介紹說，嚴格地講，等離子屏蔽效應引起的「黑障」現象並不是信號的徹底中斷，廣義上可以認為是信道容量小於通信系統的信息量的結果。讓飛船的通信系統來自動適應等離子鞘套信道的變化，是他們團隊提出的緩解「黑障」的一種新思路。
新的通信方法不需攜帶附加設施，具備工程應用潛力
不同於以往的思路，諸如通過施加強磁場約束等離子層中的電子，或者向等離子層中噴入降溫液以減少電子密度等物理方法，論文提出的利用駐波檢測和自適應碼率穿透等離子鞘套的再入通信方法，不需要攜帶任何額外的附加設施，甚至可以與現有的測控系統保持兼容，具備工程應用的潛力。
圖2 自適應再入通信系統圖框圖
自適應通信是一種目前廣泛應用的通信技術，例如手機在信號弱的時候會自動從高速模式切換至低速模式，通過降低信息率來適應信息傳輸環境的惡化。然而，實現這一技術的前提是需要信道反饋機制，即發射機要實時地感知信道容量的變化，但這在飛行器上卻是另一個難題，因為大部分航天器的遙測系統是單向通信系統，發射機無法獲得實時的信道反饋信息。
針對這一關鍵問題，研究團隊進一步發現了在碰撞頻率與等離子頻率比值小於0.3的條件下，天線的駐波和等離子體中電波衰減之間，存在明顯的負相關特性。藉助兩者物理特性上的負關聯性，就使得通過檢測發射天線埠處的駐波變化，預測等離子鞘套引起的信道容量衰落成為可能。再通過自動調整傳輸速率以適應信道變化，並引入了數據優先順序和暫存機制，最終使自適應通信機製得以實現。
實驗結果表明對等離子密度耐受極限提高了一個數量級
這篇研究論文對駐波負相關特性的物理機理和數學原理進行了闡述，設計了完整的自適應通信系統並進行了原理性實驗驗證。
實驗結果表明：當等離子體覆蓋通信天線時，系統能夠實時根據駐波檢測到等離子體的變化，使通信速率在4Mbps到250bps之間自動切換，換取了約40dB的額外增益，使得通信系統對等離子密度的耐受極限至少提高了一個數量級。
換句話說，即使等離子體密度達到黑障臨界值10倍以上，仍能在維持最低信息速率的條件下保持連續通信。
圖3 利用空間科學與技術學院自研的等離子鞘套地面模擬裝置對通信系統進行實驗驗證
從上世紀70年代起，許多科學家和工程師曾提出過數十種不同的方法設想，但大多受限於實際飛行器載荷重量、尺寸、電力負荷等工程限制而未能實現，「黑障」至今仍是航天領域的未解難題之一。
研究團隊提出的利用駐波檢測和自適應碼率穿透等離子鞘套的再入通信方法，不依賴於對等離子層的物理干預，也不需要攜帶對等離子層的探測設備，因此完全無需增加任何特殊載荷，甚至能和已有的遙測發射機組件保持介面兼容，從而有望解決實際應用中的瓶頸問題。
該成果系973項目階段成果之一
近年來，李小平教授帶領的研究團隊一直致力於解決等離子鞘套下測控通信領域的基礎理論與關鍵技術問題，獲得了國家重點基礎研究計劃（973計劃）「臨近空間高速飛行器等離子鞘套信息傳輸理論」的項目支持。在解決通信「黑障」難題方面，研究團隊開展了一系列的基礎性研究，在等離子研究領域的高水平期刊，如Physic of Plasmas、IEEE Trans. on Plasma Science等發表了30餘篇SCI檢索論文，授權發明專利近20項。
此前，研究團隊還提出了可用於地面模擬等離子鞘套的新型等離子源，成功進行了地面「黑障」的連續再現，發現了等離子體鞘套環境下一系列特殊的電磁物理效應，並給出了等離子鞘套信道的框架及信道容量估計方法。這些前期的基礎研究工作為取得階段性的突破奠定了基礎，同時還揭示了許多有可能被利用於解決「黑障」問題的新線索。
來源 西安電子科技大學新聞網 空間科學與技術學院
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