一种适用于飞行器再入过程中黑障区X射线通信的方法与流程

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种适用于飞行器再入过程中黑障区X射线通信的方法，其利用X射线实现飞行器再入大气所形成的黑障区通信，飞行器再入大气层后在不同高度进行上行链路通信模式下所需载波X射线能量的选择以及对信号的调制。

背景技术：
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航天器以5-20倍音速的速度于距地面25-90km的区间飞行过程中，通过空气与其表面之间的剧烈相互作用，表面形成非常剧烈的激波，飞行器的部分动能被周围的空气吸收导致气体分子离解，产生含有大量的电子和正离子的高温气体层，即所谓的“等离子鞘套”，而这些带电粒子(主要为自由电子)将会吸收、反射和散射电磁波，产生类似金属屏蔽的效应，使得通信信号发生衰减，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，当等离子体振荡频率高于通信信号频率时，将导致信息链路中断，形成所谓的“黑障”现象。

2007年美国国家航空航天局(NASA)戈达德空间飞行中心的Keith Gendreau博士首次提出了空间X射线通信的概念，X射线作为一种波长短(0.01～10nm)、频率高(3×1016Hz～3×1019Hz)的电磁波，同样可作为承载信息的载体用于通信。X射线在真空环境中传输没有物理衰减，频率比微波高出几个数量级，理论上通信系统带宽更高，美国加州大学的Porter George教授认为X射线通信的最大理论速度可达到40000Tbit/s。传统的射频方式在受到屏蔽干扰及空间天气变化的情况下可靠性能大大降低甚至无法通信，而X射线通信可以在电磁屏蔽环境下正常工作，可以用于超高速飞机通信和飞行器再入时的黑障区通信。

由于飞行器在再入大气过程中，仍然存在稀薄大气对X射线的影响，本发明提出利用时变X射线能量进行上行链路数据通信传输方法，从而实现X射线在黑障区被通信的可信性。

技术实现要素：
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本发明提供一种适用于飞行器再入过程中黑障区X射线通信的方法，其针对现有技术中出现的通信黑障问题，利用X射线进行上行链路通信过程中，在飞行器再入过程不同的高度使用不同的X射线能量的选择方法，从而进行可靠的信号传输。

本发明采用如下技术方案：一种适用于飞行器再入过程中黑障区X射线通信的方法，包括如下步骤：

步骤1，对所要传输的语音、视频信息进行模数转换为数字信号作为调制信号，等待载波信号的调制；

步骤2，针对步骤1得到的调制信号，由飞行器舱内X射线发生器调制生成所要传输的上行链路通信数据；

步骤3，根据飞行器再入大气所形成等离子鞘层的不同位置高度，针对步骤2得到的已调信号，实时选择不同的X射线能量进行上行链路发送。

进一步地，步骤1具体包括如下步骤：

步骤1.1，作为X射线通信常用的信号调制方法，有二进制幅移键控以及多脉冲脉冲位置调制；

步骤1.2，选择二进制相移键控调制方法，该方法是利用两种相位来传输二元符号，常用的相位是0与π，在第n时隙(n-1)T_b≤t＜nT_b上，其信号可以表述为

基带信号m(t)，载波信号调制之后为s_BPSK(t)＝Am(t)cos2πf_ct，其中A为载波信号振幅，T_b为载波周期，f_c为载波信号的中心频率；

步骤1.3，与此对应，此类依靠准确的载波频率或者相位信息进行接收的方法为相干接收或相干解调。

进一步地，步骤2具体包括如下步骤：

步骤2.1，针对步骤1得到的调制信号，由飞行器舱内X射线发生器调制生成所要传输的上行链路通信数据；

步骤2.2，针对飞行器舱内X射线发生器发射的信号，对X射线进行有效的聚焦与准直来提高信号的有效传输。

进一步地，步骤3具体包括如下步骤：

步骤3.1，根据飞行器再入大气的不同位置高度，针对所述步骤2得到的已调信号，选择不同的X射线能量进行上行链路发送；

步骤3.2，刚进入黑障区高度90km位置时，利用≥10keV的X射线在稀薄大气层进行上行链路通信；进入黑障区高度80km位置时，利用≥15keV的X射线在稀薄大气层进行上行链路通信；进入黑障区高度70km位置时，利用≥18keV的X射线在稀薄大气层进行上行链路通信；

步骤3.3，进入黑障区高度61km位置时，利用≥20keV的X射线在稀薄大气层进行上行链路通信；进入黑障区高度50km位置时，利用≥50keV的X射线在稀薄大气层进行上行链路通信；进入黑障区高度40km位置时，利用≥150keV的X射线在稀薄大气层进行上行链路通信；

步骤3.4，在快离开黑障区高度30km位置时，利用≥200keV的X射线在稀薄大气层进行上行链路通信；

步骤3.5，以此为基准，飞行器再入大气过程中，根据相应的高度选择合适的X射线能量进行可靠地上行链路数据传输。

本发明具有如下有益效果：本发明充分利用X射线解决了在飞行器再入大气过程中形成黑障区通信问题，考虑到再入过程中仍然存在稀薄的大气环境，提出了在不同飞行高度利用可变的X射线能量进行可靠的上行链路数据通信问题。

附图说明：

图1为利用X射线在黑障区进行上行链路通信示意图。

图2为发生黑障区高度90km位置时，利用≥10keV的X射线在稀薄大气层进行上行链路通信。

图3为发生黑障区高度61km位置时，利用≥20keV的X射线在稀薄大气层进行上行链路通信。

图4为发生黑障区高度30km位置时，利用≥200keV的X射线在稀薄大气层进行上行链路通信。

图5为利用X射线通信在等离子体通道中的误码特性。

具体实施方式：

以下将结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

如图1所示，飞行器再入过程中形成的通信黑障问题，可以利用X射线进行有效的上行链路传输，包括如下步骤：

步骤1，对所要传输的语音、视频等信息进行模数转换为数字信号作为调制信号，等待载波信号的调制(采用BPSK方式调制)；

步骤2，针对所述步骤1得到的调制信号，由飞行器舱内X射线发生器调制生成所要传输的上行链路通信数据；

步骤3，根据飞行器再入大气所形成等离子鞘层的不同位置高度，针对所述步骤2得到的已调信号，参考图2、图3以及图4实时选择不同的X射线能量进行上行链路发送。针对再入飞行器舱内X射线发生器发射的信号，需要对X射线进行有效的聚焦与准直来提高信号的有效传输。本发明需要利用不同的X射线能量进行上行链路通信，考虑飞行器再入过程中形成的等离子体鞘层，仍然存在微弱的大气层影响，为了进行有效的X射线通信数据传输，需要根据飞行器再入大气的不同位置高度(25-90km)，针对所述步骤2得到的已调信号，选择不同的X射线能量进行上行链路发送。

需要说明的是，所述步骤1具体包括如下步骤：

步骤1.1，作为X射线通信(XCOM)常用的信号调制方法，有二进制幅移键控(2ASK)以及多脉冲脉冲位置调制(MPPM)等；

步骤1.2，相比于以上几种信号调制解调方法，选择二进制相移键控(BPSK)调制方法，其误码率特性具有明显的优势，该方法是利用两种相位来传输二元符号，常用的相位是0与π，在第n时隙(n-1)T_b≤t＜nT_b上，其信号可以表述为

基带信号m(t)，载波信号调制之后为s_BPSK(t)＝Am(t)cos2πf_ct(其中A为载波信号振幅，T_b为载波周期，f_c为载波信号的中心频率)；

步骤1.3，与此对应，此类依靠准确的载波频率或者相位信息进行接收的方法为相干接收或相干解调。

需要说明的是，所述步骤2具体包括如下步骤：

步骤2.1，针对所述步骤1得到的调制信号，由飞行器舱内X射线发生器调制生成所要传输的上行链路通信数据；

步骤2.2，针对飞行器舱内X射线发生器发射的信号，需要对X射线进行有效的聚焦与准直来提高信号的有效传输。

需要说明的是，所述步骤3具体包括如下步骤：

步骤3.1，由于X射线波长很短，当X射线光子能量超过10keV，即如果波长小于0.12nm时，大气压强低于10^-4Pa，X射线几乎无衰减传输；

步骤3.2，考虑飞行器再入过程中形成的等离子体鞘层，仍然存在微弱的大气层影响，为了进行有效的X射线通信数据传输，需要根据飞行器再入大气的不同位置高度(25-90km)，针对所述步骤2得到的已调信号，选择不同的X射线能量进行上行链路发送；

步骤3.3，刚进入黑障区高度90km位置时，利用≥10keV的X射线在稀薄大气层传输至国际空间站(ISS)，其透射系数超过95％，能量提升至20keV或50keV几乎完全穿透。因此选择10keV的X射线可进行信号的有效传输，进入黑障区高度80km位置时，需要利用≥15keV的X射线在稀薄大气层进行上行链路通信；进入黑障区高度70km位置时，需要利用≥18keV的X射线在稀薄大气层进行上行链路通信；

步骤3.4，进入黑障区高度61km位置时，利用≥20keV的X射线在稀薄大气层传输至国际空间站(ISS)其透射系数超过75％，利用20keV与50keV的X射线在稀薄大气层传输至国际空间站(ISS)其透射系数超过75％与95％，因此选择≥20keV的X射线可进行信号的有效传输；进入黑障区高度50km位置时，需要利用≥50keV的X射线在稀薄大气层进行上行链路通信；进入黑障区高度40km位置时，需要利用≥150keV的X射线在稀薄大气层进行上行链路通信；

步骤3.5，在快离开黑障区高度30km位置时，利用20keV、50keV、200keV与500keV的X射线在稀薄大气层传输至国际空间站(ISS)其透射系数分别为0、40％、60％与80％。因此选择≥200keV的X射线可进行信号的有效传输，需要配合大功率的X射线源满足；

步骤3.6，以此为基准，飞行器再入大气过程中，根据相应的高度选择合适的X射线能量进行可靠地上行链路数据传输。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。