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[转载]ADF-EMS再入飞行器RF链路评估的专用建模分析工具

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0楼发表于: 2011-06-17 13:48:54

一、简介

ADF-EMS（天线设计平台-电磁卫星）即将集成一个新模块，用于分析在再入到大气中的飞行器（密封舱、升力体和航天飞机）上安装后的天线的性能。
特别地，该模块还可以用于评估：1. 在飞行器周围存在再入等离子体云时，安装后的天线的方向图；2. 沿着整个再入轨迹，飞行器与某个选定的地面基站之间的通信传输函数（CTF）。这个发布前简报，目的是描述该模块独有的特性。
该再入飞行器建模分析模块的开发是在欧洲太空署的这个项目框架内的：ESA ITT “AO/1-6197/09/NL/JK, Re-Entry Vehicle Communications Technology”。
这里也报告了与ARD（大气再入演示器）和IXV（中型实验飞行器）这两个ESA（欧洲太空署）任务相关的初步分析结果。


二、概述

高速飞行在大气的上层时，再入飞行器能产生电子密度，其等离子频率超过RF传输频率，导致通信衰减甚或黑障。这种现象典型地出现在当飞行器再入地球大气层的时候。
一旦飞行器减速，通信就会恢复，尽管如此，显然地，能够维持在“黑障阶段”（距离地球90-45公里）的遥感、遥控（飞行器控制）以及导航（即，GPS、GNSS）和飞行器的跟踪，对于满足公众安全顾虑以及为乘坐人员提供更舒适的飞行条件，都是至关重要的。
作为典型案例，我们来看看大气再入演示器（ADR），这是欧洲太空署（ESA）在载人太空运输计划（MSTP）框架内的部分技术上的探索活动，第一个有引导的亚轨道再入飞行器由欧洲进行了制造、发射和回收。无线电“黑障”预期出现在大约90公里和42公里高度之间。


一旦ARD达到200公里，它就处于与两架美国空军KC-135飞机的遥感联系中。

在ARD飞行中，进行了等离子体衰减的测试，这里是部分结果报告：

主要结论如下：
•前向GPS链路的黑障区出现在92和28公里之间；
•后向GPS链路的黑障区出现在87和41公里之间；
•TDRS（跟踪和数据中继卫星）链路无黑障区出现（该卫星在后向链路方位），但是等离子体衰减出现在86和43公里之间，最高达-25dB；
•后向TM（遥感） ARIA1链路在84和77公里之间出现等离子体衰减；
•前向TM ARIA2链路在70公里（记录起点）和42公里之间出现黑障。

该实验活动最终揭示了那些能够对天线与等离子体间相互作用建模，以及能够被用于识别那些能够消除该类不想要的现象的解决方案的方法论的重要性。

三、ESA过去的经验及未来计划驱动了本模块的开发

过去的经验
大气再入演示器（ARD）飞行已经显示了在再入飞行的“黑障阶段”ARD和跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）之间的RF链路能有比预期（基于等离子体截至频率的简化考虑）高得多的信号水平。
事实上，RF载波并没有如初始预测的那样严重地受到衰减的影响。这样的事实可以导出一个结论，即，类似的RF链路可能在任何再入飞行器中被维持，只要天线位置和通信体系结构以恰当的方式被设计和实现。
ARD TT&C天线在存在等离子体包围飞行器的时候的方向图的建模仿真活动，已经表明可以预测当再入地球大气时产生的等离子鞘对RF链路的影响，而且精度不错。
所用的模型基于对通过等离子云的RF信号进行射线追踪，以及通过对包围飞行器及等离子云的一个表面上的等效电流积分计算天线方向图。



另外，当天线前面的等离子体频率高于RF频率（因此造成强阻隔）时，通过等离子云与密封舱之间的反射和绕射效应仍可以维持不错的链路。

未来的计划
中型实验飞行器（IXV）项目是一个带有大气再入系统和技术的再入演示器的飞行试验。
IVX项目目标是一个自主上升并进行空气动力学控制的再入系统的设计、开发、制造和地面及飞行验证。计划于2012年末从法属圭亚那（French Guiana）由织女星（Vega）火箭发射。
该项目的一个严重挑战在于对飞行器的跟踪能力，从飞行器与火箭分离以后，直到弹道阶段，以及在再入过程中找回至关重要的实验遥感，时间上要没有任何缝隙。

四、建模仿真方法大纲
开发一个仿真环境用于预测安装在再入飞行器上的天线辐射性能，意味着要对被等离子体云包围的飞行器的RF传播进行建模分析。
根据工程实际精度需求，等离子体可以用非均匀介质体来建模，其复（相对）介电常数表示为：

式中，f是链路频率，fp和fc分别是电子等离子体频率（与电子数密度相关）和碰撞等离子体频率。
对RF通过等离子体云的传播的建模分析，使用一种混合方法，基于“射线传播”和“等效原理”。这种方法非常适合这个频段（L波段用于导航；S、C和X波段用于TT&C和TM-TC），而全波技术则由于过大的模型（即，飞行器和等离子体云）电尺寸而无法使用。
包含飞行器和等离子体云的整个区域用一个等效表面包围起来，此外不再有等离子体影响RF波的传播。
从安装后天线辐射出来的电磁场传播通过等离子云，直到等效表面，采用一种基于所谓Eikonal Ansatz的射线技术。等效Je和Jm流分布在等效表面上的一些合适的网格点上。
在此区域之外的场，直到原场区域的地面或卫星中继站，通过严格的Je和Jm等效流的辐射来评估。
该方法已经被证明是合适的，能够获得所需的计算效率、精度和鲁棒性，这是通过多个验证活动对比实验数据（从ARD任务中）和解析模型（例如Maxwell Fish-Eye Lunenberg透镜，Ling球等）获得的。

五、新的ADF-EMS模块的主要特性
新的建模分析方法已经被集成到了ADF-EMS天线布局模块，目标是提供一套具有分析和优化处于太空飞行器和地面或卫星中继站之间的RF链路能力的工具。
综合起来说，包括这些功能：

定义飞行器轨迹；
•定义地面或卫星中继站；
•读取一套沿着轨迹进行时间采样的等离子体云配置；
•实现飞行器的电磁模型，从CAD模型开始，或直接从CFD分析的飞行器模型开始；
•安装一个天线模型到飞行器上面；
•评估和显示/导出：
天线安装到再入飞行器后的方向图（极化、幅度和相位）；
存在或不存在等离子体云时，投射到地面或卫星中继站上的接收天线上的来波方向（DOA）；
信道传输函数（CTF），适用于整个链路的进一步分析，例如链路预算、误比特率和误桢率。

CTF定义为，发射天线加上一个单位激励（1V）后辐射的电磁波，投射到接收天线上的E场值；显然，CTF是轨迹和Tx-Rx天线的特征系数。
当然，所有的关心的输出，也可以定义在部分轨迹上，在其中等离子体云存在与否影响着RF传播；这些输出，事实上，将被要求作为在链路链接层进一步关键分析的输入数据。

六、案例：输入数据
分析再入飞行器的建模工作流程第一步是定义一些特定的输入数据：
     1. 再入轨迹：再入飞行器沿着轨迹的位置、速度和高度信息；
     2. 站：地面站或数据中继卫星的位置；
     3. 等离子体数据：沿着再入轨迹产生的等离子体特性。
轨迹的定义是通过一个专用GUI来完成的，可以直接从轨道工具导入数据：

                                                   再入轨迹GUI

飞行中的飞行器姿态和高度随着时间的演进，以及在地球上的投影能显示和查看：

                                            再入飞行器高度随时间变化

                                                    轨迹在地面的投影

建模分析流程还需要地面站的位置，用这些参数表达：
•纬度，表示为角度[0-90]o，分和秒；
•经度，表示为角度[0-360]o，分和秒；
•高度，表示为米。



                                         地面站位置

至于导入等离子体数据，开发了一个专用CAD界面，在其中能直接从计算流体动力学仿真工具中导入等离子体形状和它的物理特性数据：



                  不带等离子体云的ARD CAD模型



                 等离子体云包围着的ARD CAD模型



                等离子体云包围着的IXV CAD模型

七、案例：分析结果
这里给出了与ARD和IXV再入飞行器分析相关的部分初步数据。
在第一个模型中，天线安装于IXV的一侧，如下图所示，其中还显示了太空飞行器上的感应电流密度。



                    IVX 飞行器上的感应电流

下图则显示了存在和不存在等离子体的条件下，两个不同切面上的天线方向图。



                            IXV，自由空间远场方向图，水平切面



                   IXV，有等离子体存在时的远场方向图，水平切面



                           IXV，自由空间远场方向图，垂直切面



                      IXV，有等离子体存在时的远场方向图，垂直切面

与ARD发射天线和安装于一架飞机上的接收天线之间的链路相关的信道传输函数（CTF）和到达方位（DOA），计算的结果显示为某段轨迹的时间段的函数。



                                              ADR，DOA和CTF

CTF也可以输出为ASCII格式，适用于系统仿真器进行例如误比特率和 ..

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