探討這一新方法的研究論文《利用駐波檢測(cè)和自適應(yīng)碼率穿透等離子鞘套的再入通信方法》，經(jīng)過(guò)同行評(píng)議后，已經(jīng)發(fā)表在由美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)出版的《應(yīng)用物理學(xué)雜志》2016年第1期。
“黑障”現(xiàn)象是所有返回式航天器通信的巨大挑戰(zhàn)
中國(guó)第一位宇航員楊利偉在他的自傳書(shū)《天地九重》中，這樣回憶了歸途中載人飛船重返大氣層時(shí)所經(jīng)歷的驚心動(dòng)魄的一幕：遭遇強(qiáng)烈的過(guò)載和振動(dòng)、看見(jiàn)燒得通紅的舷窗、不斷剝落的碎片，更可怕的是再入大氣層飛行階段無(wú)法和地面取得任何聯(lián)絡(luò)，獨(dú)自面對(duì)危險(xiǎn)甚至死亡威脅時(shí)的精神煎熬。
實(shí)際上，包括美國(guó)的航天飛機(jī)、俄羅斯聯(lián)盟號(hào)飛船在內(nèi)的所有返回式航天器，從外太空重返大氣層的航程一直是風(fēng)險(xiǎn)最大的階段。眾所周知，許多重大的航天事故，比如阿波羅13號(hào)飛船故障、聯(lián)盟11號(hào)飛船泄漏、哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)解體，都發(fā)生在再入大氣層的階段。而再入階段與地面的通信失聯(lián)，更是加劇了風(fēng)險(xiǎn)的不可控性。
飛船重返地球大氣層時(shí)，因劇烈的摩擦被數(shù)千攝氏度高溫氣體所環(huán)繞，這樣的高溫足以使空氣電離而變得具有導(dǎo)電性，這層包裹于飛船表面的電離氣體被稱作“等離子鞘”，就像一個(gè)密封的金屬罐一樣，絕大多數(shù)的情況下都會(huì)屏蔽電磁波信號(hào)，切斷飛行器與外部的聯(lián)系，這就是所謂的“黑障”現(xiàn)象。
“飛船發(fā)出的訊號(hào)始終無(wú)法到達(dá)地面控制中心，地面也就無(wú)法得知或者控制飛船的位置和狀態(tài)。在‘黑障’階段，每一秒鐘都是煎熬，你唯一能做的就是等待?！敝袊?guó)科學(xué)院院士包為民如此說(shuō)到。
論文第一作者謝楷副教授介紹說(shuō)，嚴(yán)格地講，等離子屏蔽效應(yīng)引起的“黑障”現(xiàn)象并不是信號(hào)的徹底中斷，廣義上可以認(rèn)為是信道容量小于通信系統(tǒng)的信息量的結(jié)果。讓飛船的通信系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)適應(yīng)等離子鞘套信道的變化，是他們團(tuán)隊(duì)提出的緩解“黑障”的一種新思路。
新的通信方法不需攜帶附加設(shè)施，具備工程應(yīng)用潛力
不同于以往的思路，諸如通過(guò)施加強(qiáng)磁場(chǎng)約束等離子層中的電子，或者向等離子層中噴入降溫液以減少電子密度等物理方法，論文提出的利用駐波檢測(cè)和自適應(yīng)碼率穿透等離子鞘套的再入通信方法，不需要攜帶任何額外的附加設(shè)施，甚至可以與現(xiàn)有的測(cè)控系統(tǒng)保持兼容，具備工程應(yīng)用的潛力。
自適應(yīng)通信是一種目前廣泛應(yīng)用的通信技術(shù)，例如手機(jī)在信號(hào)弱的時(shí)候會(huì)自動(dòng)從高速模式切換至低速模式，通過(guò)降低信息率來(lái)適應(yīng)信息傳輸環(huán)境的惡化。然而，實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的前提是需要信道反饋機(jī)制，即發(fā)射機(jī)要實(shí)時(shí)地感知信道容量的變化，但這在飛行器上卻是另一個(gè)難題，因?yàn)榇蟛糠趾教炱鞯倪b測(cè)系統(tǒng)是單向通信系統(tǒng)，發(fā)射機(jī)無(wú)法獲得實(shí)時(shí)的信道反饋信息。
針對(duì)這一關(guān)鍵問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了在碰撞頻率與等離子頻率比值小于0.3的條件下，天線的駐波和等離子體中電波衰減之間，存在明顯的負(fù)相關(guān)特性。借助兩者物理特性上的負(fù)關(guān)聯(lián)性，就使得通過(guò)檢測(cè)發(fā)射天線端口處的駐波變化，預(yù)測(cè)等離子鞘套引起的信道容量衰落成為可能。再通過(guò)自動(dòng)調(diào)整傳輸速率以適應(yīng)信道變化，并引入了數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)和暫存機(jī)制，最終使自適應(yīng)通信機(jī)制得以實(shí)現(xiàn)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)等離子密度耐受極限提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)
這篇研究論文對(duì)駐波負(fù)相關(guān)特性的物理機(jī)理和數(shù)學(xué)原理進(jìn)行了闡述，設(shè)計(jì)了完整的自適應(yīng)通信系統(tǒng)并進(jìn)行了原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)?shù)入x子體覆蓋通信天線時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)根據(jù)駐波檢測(cè)到等離子體的變化，使通信速率在4Mbps到250bps之間自動(dòng)切換，換取了約40dB的額外增益，使得通信系統(tǒng)對(duì)等離子密度的耐受極限至少提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
換句話說(shuō)，即使等離子體密度達(dá)到黑障臨界值10倍以上，仍能在維持最低信息速率的條件下保持連續(xù)通信。
從上世紀(jì)70年代起，許多科學(xué)家和工程師曾提出過(guò)數(shù)十種不同的方法設(shè)想，但大多受限于實(shí)際飛行器載荷重量、尺寸、電力負(fù)荷等工程限制而未能實(shí)現(xiàn)，“黑障”至今仍是航天領(lǐng)域的未解難題之一。
研究團(tuán)隊(duì)提出的利用駐波檢測(cè)和自適應(yīng)碼率穿透等離子鞘套的再入通信方法，不依賴于對(duì)等離子層的物理干預(yù)，也不需要攜帶對(duì)等離子層的探測(cè)設(shè)備，因此完全無(wú)需增加任何特殊載荷，甚至能和已有的遙測(cè)發(fā)射機(jī)組件保持接口兼容，從而有望解決實(shí)際應(yīng)用中的瓶頸問(wèn)題。
該成果系973項(xiàng)目階段成果之一
近年來(lái)，李小平教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)一直致力于解決等離子鞘套下測(cè)控通信領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，獲得了國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（973計(jì)劃）“臨近空間高速飛行器等離子鞘套信息傳輸理論”的項(xiàng)目支持。在解決通信“黑障”難題方面，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了一系列的基礎(chǔ)性研究，在等離子研究領(lǐng)域的高水平期刊，如Physic of Plasmas、IEEE Trans. on Plasma Science等發(fā)表了30余篇SCI檢索論文，授權(quán)發(fā)明專利近20項(xiàng)。
此前，研究團(tuán)隊(duì)還提出了可用于地面模擬等離子鞘套的新型等離子源，成功進(jìn)行了地面“黑障”的連續(xù)再現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)了等離子體鞘套環(huán)境下一系列特殊的電磁物理效應(yīng)，并給出了等離子鞘套信道的框架及信道容量估計(jì)方法。這些前期的基礎(chǔ)研究工作為取得階段性的突破奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)還揭示了許多有可能被利用于解決“黑障”問(wèn)題的新線索。
（文/西電新聞中心·空間科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）
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