近空间高速飞行器双卫星联合通信信道模型研究

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临近空间飞行器高速飞行时在飞行器表面所形成的等离子鞘套,将引起通信信号的衰减,严重时会导致飞行器捕获、跟踪、遥测、导航的失败。从通信角度而言,当前所选的通信体制与复杂动态等离子鞘套信道的不适配是影响通信质量及中断的主要原因之一,因此构建准确的信道模型对突破等离子鞘套环境下的通信中断问题研究具有重要意义。并且目前所有的研究都停留在“端对端”的信道模型研究中,没有考虑多平台联合通信对通信质量的改善作用。本文一方面开展动态等离子鞘套信道建模研究,建立多状态的马尔科夫信道模型以及单卫星到飞行器的近-空综合信道模型;另一方面在此基础上从角度分集的思想出发,开展双卫星对飞行器联合通信的信道模型研究,并分析了其对通信质量的提升作用。  针对等离子鞘套环境的动态性问题,采用隐马尔科夫模型对其进行建模,并利用可逆跳变马尔科夫蒙特卡洛算法估计信道状态数及状态参数,建立了动态等离子鞘套多状态马尔科夫信道模型;然后借鉴了陆地移动通信卫星信道建模方法,以近-空大气环境信道为基础串行考虑等离子鞘套信道,建立了单卫星到飞行器的近-空综合信道模型;最后考虑双卫星联合通信,根据单卫星两状态转移矩阵以及双卫星之间的相关系数,获取双卫星四状态模型的转移矩阵,建立双星到飞行器之间联合通信信道模型,并分析了不同仰角和方位角组合下双星系统对飞行器通信质量的提升作用,为实际联合通信双星星座图的选择提供了参考依据。  本文提出的利用可逆跳变马尔科夫蒙特卡洛算法对动态等离子鞘套进行建模,可以实现等离子鞘套在不同动态环境下模型状态数以及状态参数的自适应估计。所建立的信道模型物理含义明确,数学表达式统一,可以准确满足等离子鞘套信道一阶统计特性,与预设状态数的方法相比,可以避免引入人为误差。本文所建立的双卫星联合通信信道模型,从仿真结果看以看出通信质量与单卫星相比有较大提升,并且在合理的卫星仰角和方位角组合下,通信质量会达到最优。
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