本发明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。
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
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。
4.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。
5.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，在步骤三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。
6.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，在步骤三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机序列。
7.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，在步骤三中的第三步采用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)，具体包括：第一步、由K个二阶网络级联而成多普勒成型滤波器，系统函数表示为S(z)为：
式中，A是常数，aj,bj,cj,dj是待求第j个滤波器系数，K为级联二阶滤波器个数；
第二步、采用Yule-Walker方程法求解系数求解滤波器系数4K+1个滤波器系数，在(0，π)区间内取M点数字频率ωi，i＝1,2.....M,M为频点个数，在这些频率上，使得Sd(ejω)和期望S(ejω)之间幅度平方误差E最小；其中， Sd(ejω)是期望滤波器的频率响应， 是设计滤波器的频率响应；
第三步、离散化Sd(ejw)波形，得到多普勒成型滤波器序列S(k)，其中k的个数与第一步和第二步中相同。
8.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，在步骤三之后重复步骤二和步骤三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。
一种临近空间动态等离子鞘套信道建模及模拟的方法
技术领域
[0001] 本发明属于测控通信技术领域，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。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
发明内容
[0005] 本发明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。
[0006] 本发明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：
[0007] 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；
[0008] 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：
[0009] 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)；
[0010] 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)；
[0011] 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)；
[0012] 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)；
[0013] 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。
[0014] 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；
[0015] 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：
[0016] 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：
[0017]
[0018] 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；
[0019] 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；
[0020] 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[0021] 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：
[0022] 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
[0023] 左旋接收时
[0024] 右旋接收时
[0025] 其中
[0026]
[0027] 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。
[0028] 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：
[0029] 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；
[0030] 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。
[0031] 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；
[0032] 第一步、产生在(0,aX)上均匀分布的V1X，其中aX是X的最大值；
[0033] 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；
[0034] 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；
[0035] 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。
[0036] 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；
[0037] 第一步、产生在(0,aY)上均匀分布的V1Y，其中aY是Y的最大值；
[0038] 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；
[0039] 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；
[0040] 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机序列。
[0041] 进一步，在步骤二中的第三步采用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)，具体包括：
[0042] 第一步、由K个二阶网络级联而成多普勒成型滤波器，系统函数表示为S(z)为：
[0043]
[0044] 式中，A是常数，aj,bj,cj,dj是待求第j个滤波器系数，K为级联二阶滤波器个数；
[0045] 第二步、采用Yule-Walker方程法求解系数求解滤波器系数4K+1个滤波器系数，在jω(0，π)区间内取M点数字频率ωi，i＝1,2.....M,M为频点个数，在这些频率上，使得Sd(e )和期望S(ejω)之间幅度平方误差E最小；其中， Sd(ejω)是期望
滤波器的频率响应， 是设计滤波器的频率响应；
[0046] 第三步、离散化Sd(ejw)波形，得到多普勒成型滤波器序列S(k)，其中k的个数与第一步和第二步中相同。
[0047] 进一步，在步骤二之后重复步骤一和步骤二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。
[0048] 本发明提供的临近空间动态等离子鞘套信道建模及模拟的方法，该方法基于动态性的物理影响尺度机理进行统计建模，与现有再入遥测信道和近空间信道仅仅考虑稳态等离子鞘套下的衰减相比，综合考虑了不同尺度物理上动态性对信号特性和信道特性的影响；本发明可适用于不同等离子鞘套动态规律下的信道建模，所采用的信道参数获取方法可避开信道参数无法探测难题，采用准静态方式从远场数据中提取信道参数；本发明中提出的任意概率分布函数模拟方法，可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；本发明适用于临近空间飞行器等离子鞘套信道建模，也可适用于航天再入返回飞行器等离子鞘套信道建模，所建立的信道模型可用于调制/解调、信道编码、信道估计和均衡等通信物理层传输技术的算法设计和性能评估。
附图说明
[0049] 图1是本发明实施例提供的临近空间动态等离子鞘套信道建模及模拟的方法流程图；
[0050] 图2是本发明实施例提供的大尺度信道资源矩阵划分示意图；
[0051] 图3是本发明实施例提供的单状态下(某大尺度信道)100组等离子体电子密度分布规律示意图；
[0052] 图4是本发明实施例提供的CST非均匀等离子鞘套电磁参数建模仿真示意图；
[0053] 图5是本发明实施例提供的接收点获取的三维场强示意图；
[0054] 图6是本发明实施例提供的典型状态下不同接收极化下的幅度概率密度函数示意图；
[0055] 图7是本发明实施例提供的典型状态下不同接收极化下的相位概率密度函数示意图；
[0056] 图8是本发明实施例提供的典型状态下不同接收极化下的多普勒功率谱示意图；
[0057] 图9是本发明实施例提供的典型状态下不同接收极化下的幅度模拟随机序列示意图；
[0058] 图10是本发明实施例提供的典型状态下不同接收极化下的相位模拟随机序列示意图；
[0059] 图11是本发明实施例提供的典型状态下不同接收极化下的信道包络复随机序列示意图；
[0060] 图12是本发明实施例提供的典型状态下不同接收极化下的动态等离子鞘套信道随机序列示意图；
[0061] 图13是本发明实施例提供的临近空间动态等离子鞘套信道建模及模拟的方法具体实现流程图。
具体实施方式
[0062] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0063] 下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
[0064] 如图1和图13所示，本发明实施例的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：
[0065] S101：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；
[0066] S102：针对每个信道资源矩阵，获取动态小尺度信道参数；
[0067] S103：根据给定的小尺度信道参数，实现小尺度信道模型的模拟；
[0068] S104：重复S102和S103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。
[0069] 如图1所示，本发明实施例的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：
[0070] 本发明实施例的具体步骤为：
[0071] 针对某临近空间再入高超声速飞行器飞行轨迹单一典型状态小尺度信道模型，本发明实施例的具体实施方案如下：
[0072] 步骤一，根据大尺度空时频特征(高度，速度，频点)划分，如图2所示，给出该状态下的100组电子密度分布及其抖动规律，如图3所示；其中具体条件设定为：电子密度分布双高斯，厚度均为10cm，峰值均为1*1017/m3，抖动均服从(0.5,1.5)，均匀分布抖动跳变间隔Ts＝1us；碰撞频率为1GHz，电磁波频率2.3GHz；
[0073] 步骤二，针对每个信道资源矩阵，获取动态小尺度信道参数：
[0074] 第一步，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：
[0075] (1)、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：
[0076]
[0077] 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；计算得到10km远场数据；以CST软件仿真为例如图4所示，计算得到10km远场数据，飞行器及天线仓尺寸如图所示；
[0078] (2)、采用三维FDTD电磁计算方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；示意图如图3所示；
[0079] (3)、重复(2)仿真计算，得到在大尺度动态特征下的N组复场强数据
[0080] 第二步，获取小尺度信道的幅度和相位概率密度函数：
[0081] (1)、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
[0082] 其中
[0083]
[0084] (2)、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)；不同接收极化下的幅度概率密度函数如图6所示；得到不同接收极化下的相位概率密度函数如图7所示；
[0085] 第三步，获取小尺度信道多普勒功率谱函数：
[0086] (1)、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；
[0087] (2)、求解接收信号 的其自相关函数 对其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如
图8所示；
[0088] 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：
[0089] 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)；其中均匀帽子法步骤如下，假设产生fR(x)的随机序列X；
[0090] (1)、产生在(0,aX)上均匀分布的V1X，其中aX是X的最大值；
[0091] (2)、产生在(0,bX)上均匀分布的V2X，其中bX不小于的fx(x)最大值；
[0092] (3)、如果V1X≤fx(V1X)，令X＝V1X；如果不等式不满足，则丢弃V1X和V2X，从(1)开始重复以上过程；
[0093] (4)、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如图9所示；
[0094] 第二步，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θ(k)；步骤同步骤三的(4)；得到不同接收极化下的相位模拟随机序列如图10所示；
[0095] 第三步，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)；
[0096] (1)、由K个二阶网络级联而成多普勒成型滤波器，系统函数表示为S(z)为：
[0097] 式中，A是常数，ai,b,ci,di是待求系数；
[0098] (2)、采用Yule-Walker方程法求解系数求解滤波器系数4K+1个滤波器系数，在(0，π)区间内取M点数字频率ωi，i＝1,2.....M，在这M点频率上，使得设计Sd(ejω)和期望S(ejω jω)之间幅度平方误差E最小；其中， Sd(e )是期望滤波器的频
率响应， 是设计滤波器的频率响应；
[0099] (3)离散化Sd(ejw)波形，得到多普勒成型滤波器序列S(k)，其中k的个数与第一步和第二步中相同；
[0100] 第四步，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)；得到不同接收极化下的信道包络复随机序列如图11所示；
[0101] 第五步，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)；得到不同接收极化下的动态等离子鞘套信道随机序列如图12所示；
[0102] 步骤六，重复步骤二和步骤三，对临近空间飞行轨迹上多个大尺度特征状态的小尺度信道进行建模，实现大尺度信道模型的构建和模拟。
[0103] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
