再入飞行器突破黑障通信系统与方法

摘要

本发明涉及的再入飞行器突破黑障通信系统，由飞行器上的信号发射部分和中转飞行器上的信号中转部分组成。信号发射部分由四象限探测器、激光通信发射器、第一转动机构及装于其上的四象限探测器和激光通信发射器等组成。信号中转部分由激光探测器、激光通信接收天线、中转射频发射器、第二转动机构及装于其上的激光探测器组成。飞行器着陆时，激光探测器锁定再入飞行器，持续发射指示激光束。第一转动机构旋转，使通信激光束落在激光接收天线上，转化成射频信号后向地面站发送。本发明的有益效果在于：(1)再入飞行器可以用激光的形式向外发送信息，因此在黑障区内仍可以向外发送信息；(2)再入飞行器返回时，信号中转飞行器飞到足够的高度，就可以避免激光束被云层阻挡。

说明书

技术领域

本发明涉及一种再入飞行器突破“黑障”通信系统与方法。

背景技术

高速飞行器再人大气层时，空气被急剧压缩，飞行器前端会形成一道强激波。由于飞行器壁面与空气分子产生强烈摩擦，飞行器周围空气的温度、压力急剧升高，使空气中分子和原子的电子被激发到高能级，发生电离，出现离子和自由电子，在飞行器的外围形成等离子体鞘套。电磁波在等离子体鞘套内传播过程中，因被等离子体鞘套反射、吸收，电磁波强度产生衰减，并出现偏折、延时、相移等效应；同时离子体鞘套将导致天线阻抗严重失配，天线方向性图畸变，辐射效率下降，甚至射频信号完全中断，这就是通常所说的黑障现象。黑障的出现给高速飞行器的测控通信、制导带来极大的困难。由于再入飞行器须与地面和在轨卫星之间进行着多种通信，如GPS导航定位、遥感遥测、语音通信等，而在通信黑障区内相关信号的实时传输受到干扰或中断，严重影响飞行器的实时控制和着陆安全。随着飞行器的速度不断提高，其再入大气层的通信黑障问题变得更为突出。例如在进入火星大气层的过程中，通信黑障将会对飞行器飞行环境分析、跟踪定位带来影响，甚至影响到探测任务的成功。

鉴于黑障对飞行器影响，人们提出各种办法来减缓或者消除黑障，诸如改变气动外形、加磁窗、喷水、提高载波频率和发射功率等。改变飞行器外型即在飞行器上伸出鳍或者尖头，将天线伸出等离子体鞘套之外。天线周围的等离子鞘会很薄，电子密度也相对较低，电磁波的衰减降低，信号是有可能穿过等离子体鞘套。加磁场方法的主要原理是利用外加磁场改变电子的运动与分布，让天线区域的等离子体密度降低或者产生新的传播模式，从而减小电磁波的衰减或者让特定频率的电磁波能够在鞘套中传播。另一种方法是在鞘套中喷射亲电子物质，例如水、六氟化硫、四氯化碳或者陶瓷粉末等，这些物质的加入会降低天线附近鞘套的温度，或者吸附那里的自由电子，造成局部电子密度降低或者自由电子的减少，从而降低信号衰减。

上述有些方法经过试验证明是有效的，但效果却是有限的，因为这些方法的共同点都是减少黑障区内电磁波的衰减，而减少的程度又往往达不到测控通信的要求，好比一个人能举起100斤的石头，另一个人200斤的石头，而现在有一块500斤的大石头，后一个人尽管力量大一些但同样举不起来。要解决黑障区内的通信问题，其根本在于采用一种不受等离子体影响的通信方法。

发明内容

本发明涉及的再入飞行器突破“黑障”通信系统，由安装在再入飞行器上信号发射部分和安装在信号中转飞行器上的信号中转部分组成。信号发射部分由四象限探测器、激光通信发射器、第一信号处理计算机、第一转动机构和透明隔热罩组成。透明隔热罩安装在再入飞行器的头部，内部的四象限探测器和激光通信发射器并列安装在第一转动机构上。信号中转部分安装在信号中转飞行器上，由激光探测器、激光通信接收天线、第二转动机构、第二信号处理计算机和中转射频发射器组成。激光探测器的光轴与激光通信接收天线平面垂直，安装在第二转动机构上，第二转动机构安装在信号中转飞行器的上方。飞行器着陆时，激光探测器锁定再入飞行器，持续发射指示激光束。四象限探测器接收指示激光束并送第一信号处理计算机，第一信号处理计算机据此控制第一转动机构旋转，使激光通信发射器发射的激光束落在激光通信接收天线上。激光通信接收天线接收激光束后，由第二信号处理计算机转化成射频信号，中转射频发射器向地面站发送。

本发明的有益效果在于：

(1)再入飞行器可以用激光的形式向外发送信息，而激光可以穿过等离子体，因此在黑障区内仍可以向外发送信息；

(2)再入飞行器返回时，只要信号中转飞行器飞到足够的高度，就可以避免激光束被云层阻挡。

附图说明

图1是再入飞行器突破“黑障”通信系统示意图。

标号说明：1激光通信发射器，2四象限探测器，3信号中转飞行器，4激光探测器，5激光通信接收天线。

具体实施方式

再入飞行器突破“黑障”通信系统由信号发射和信号中转两部分组成。

信号发射部分安装在再入飞行器上，由四象限探测器(2)、激光通信发射器(1)、第一信号处理计算机、第一转动机构和透明隔热罩组成。透明隔热罩作为飞行器外壳的一部分，安装在再入飞行器的头部，内部的四象限探测器(2)和激光通信发射器(1)并列安装在第一转动机构上，两器件的光轴平行。第一转动机构由第一信号处理计算机控制，可以两个自由度转动。

信号中转部分安装在信号中转飞行器(3)上，由激光探测器(4)、激光通信接收天线(5)、第二转动机构、中转射频发射器和第二信号处理计算机组成。激光探测器(4)的光轴与激光通信接收天线(5)平面垂直，安装在第二转动机构上，第二转动机构安装在信号中转飞行器(3)的上方。激光探测器(4)可以探测，并通过控制第二转动机构跟踪再入飞行器，同时还可以向再入飞行器发射激光束。

信号中转飞行器(3)需要飞到足够的高度，以避免激光束被云层阻挡。

以d表示信号中转飞行器(3)与处在黑障区的再入飞行器的最大距离，以r表示激光通信接收天线(5)的半径，则可作为激光通信发射器(1)的光轴调整阈值，当激光通信发射器(1)的光轴方向与指示激光束方向的夹角小于时，激光通信发射器(1)发射的激光束就可以落在激光通信接收天线(5)上。由于黑障可能出现的高度在100km以下，假定信号中转飞行器(3)与处在黑障区的再入飞行器的最大距离为100km，激光通信接收天线(5)的半径为1m，则激光通信发射器(1)的光轴调整阈值为10^-5Rad.

当再入飞行器开始着陆时，在地面测控站的配合下，安装在信号中转飞行器(3)上的激光探测器(4)对再入飞行器实施捕获、跟踪，在瞄准并锁定目标后，持续发射指示激光束。再入飞行器上的四象限探测器(2)接收指示激光束之后，将指示激光束的角度信息送信号第一处理计算机，第一信号处理计算机通过计算得到指示激光束的角度，并以此控制第一转动机构旋转，使激光通信发射器(1)的光轴方向与指示激光束方向的夹角小于激光通信发射器(1)的光轴调整阈值，从而使激光通信发射器(1)发射的激光束落在激光通信接收天线(5)上。之后，激光通信发射器(1)发射激光通信信号，信号到达激光通信接收天线(5)后被接收，由第二信号处理计算机转化成射频信号，通过中转射频发射器向地面站发送。