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航天飞行器(卫星、导弹、航天飞机和飞船返回舱等)以超高速再入大气层时,由于高温高压会在表面形成包覆着飞行器的等离子体鞘套。等离子体鞘套会对通过其中的无线信号产生吸收和反射等作用过程,严重影响航天器与外界通信。
根据等离子体鞘套结构及其电磁特性,本文选用Z变换时域有限差分方法(ZT-FDTD)进行信道建模,来研究通信信号通过等离子体鞘套时的吸收、反射和透射等情况。
首先,以麦克斯韦基本方程组为基础,结合等离子体鞘套模型边界条件,得到了适合于在等离子体鞘套中传播的公式,并且使所得公式具有普适性。
其次,给出了ZT-FDTD算法的详细推导过程,建立了算法模型并在VC中编程实现。计算了等离子体层的反射和透射系数,并将计算结果与解析方法计算结果利用MATEAB作图进行对比分析。在此基础上,又进一步将ZT-FDTD方法推广到三维空间中,并在三维空间中分析了电磁信号透过等离子体层的传播。
随后,根据对常用航天器等离子鞘套的分析,修正了等离子体鞘套电子双指数分布模型,利用ZT-FDTD方法根据修正后的双指数分布模型进行信道建模,编程实现并分析了不同载波频率的信号通过等离子体鞘套的情况。
最后,编程实现了含有噪声和等离子体鞘套的通信系统,并仿真计算了再入等离子体鞘套对通信信号的吸收、反射和透射以及对通信系统误码率的影响。
研究工作主要有三方面:
1、将ZT-FDTD法从一维空间推广到三维空间中,编程实现了在上下行链路两种情况下计算区域内入射波的加入；
2、利用ZT-FDTD法进行通信信道模型建模,并用来分析等离子鞘套对通信信号的影响；
3、修正了等离子体鞘套双指数分布模型,将其引入到计算空间中并利用一维辅助数组实现了等离子体鞘套在总场区域和散射场区域间的分割。