等离子体对GPS信号载噪比的影响

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1、航空学报ActaAerOnauticaelAstrOnauticaSinicaFeb．252015VoI．36No．2633．639lSSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn等离子体对GPS信号载噪比的影响高平，李小平*，谢楷，刘彦明，石磊西安电子科技大学空间科学与技术学院，西安710126摘要：飞行器再人过程产生等离子体，等离子体中电子密度的变化对电磁波信号造成幅度衰减和相位偏移，严重时导致通信中断。理论分析了等离子体对GPS信号载噪比的影响；利用实验室环

2、境下的等离子体模拟装置，设计了GPS二键相控(BPSK)调制信号透过等离子体的地面模拟方案，进行了等离子体对GPS接收机性能影响的实验研究，获得了不同电子密度下的衰减和导航信号载噪比的数据。实验结果与理论分析一致，不仅证明了等离子体下衰减与导航信号载噪比的变化是一致的结论，而且验证了实验方法的有效性。关键词：等离子体；电子密度；衰减；GPS接收机；载噪比中图分类号：V249．32+4；TN967．1文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)02一0633一07飞行器以超高声速再人地球，过程中与大气发生剧烈摩擦，造成周围大气温度

3、迅速升高至几千摄氏度，极高的温度激发周围空气电离成为自由电子和正离子。于是飞行器被自由电子、正离子及中性粒子构成的等离子体包裹。等离子体对电磁波信号造成幅度衰减和相位偏移，严重时导致通信与导航中断。为了保持飞行器再入段的正常通信与导航，研究等离子体对电磁波信号传播和导航接收性能的影响非常必要。从20世纪60年代开始，国外宇航部门投入大量资金，从理论和实验方面同时展开这方面的研究，实施了一系列大规模飞行实验，如Fire、Asset、Ram、MA一6、GT一3和Trailblazer等。70年代中期，等离子体形成机理、缓和或减轻通讯中断等的研

4、究得到了长足的进展[1一。80年代后期，美国空军宇航与导弹局仍将通信中断问题的理论和相关实验验证研究作为一项重要课题[6]。中国自20世纪70年代以来开展了等离子通信方面的研究，取得了一些进展[7。11

5、，但是随着存储转发技术的成熟，该领域采用了延迟处理的方法，导致实时处理的研究一度停滞。随着我国载人航天飞行器、重复使用天地往返运载器、临近空间飞行器以及行星探测器研究的全面展开，研究中断以及克服通信与导航中断技术显得尤为迫切。大量文献表明，电磁波在等离子体内的传播特性与等离子体的电子密度、碰撞频率以及电磁波频率有关，理论和实验都表明提高电

6、磁波频率有助于延缓中断的出现[8。10

7、。测控通信系统中已经有将Ka频段作为再人全程测控通信频段的计划。然而，GPS信号载频低(位于L频段)且其体制不允许采用提高频率的方法延缓黑障，从而使GPS导航系统在受到等离子体的影响时更容易产生中断。目前，国内外并没有针对等离子体对GPS调制信号及导航定位影响的深入研究，国内外也尚收稿日期：2014-03—25；退修日期：2014-07-05；录用日期：2014·08—25；网络出版时间：2014-09-0510：28网络出版地址：wwwcnkinet／kcms／detail／11．1929V．20

8、1310090955001．htmI基金项目：国家“973”计划(2014cB340205)；中央高校基本科研业务费专项资金(K72125087)*通讯作者．Tel：029-81891034E-mail：xp¨@xidian．educn引用格武

9、GaoP．LixP．x

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11、．E他dofp

12、asmaonc／N口ofGPssI∞a

13、!J]．AcfaAeronaullcaetAstronauticas{nlca，2015，36(2)：633-639．高平．李小平．谢楷．等．等离子体对GPs信号载噪比的影响iJj÷航空学报．2015，3

14、6(2)：633—639．航空学报无文献公开通过等离子体的GPS信号的测量数据，而且直接获取此类飞行数据比较困难，并且由于GPS接收机中射频前端的存在，在中频信号中直接研究等离子体的影响行不通。因此为了预测导航中断并提出抑制中断方法，开展在等离子体下GPS接收机性能影响的实验研究非常必要，同时这项研究为其他通信和导航的中断研究提供了借鉴。激波管[5’71是目前等离子体实验的主要手段。激波管产生的等离子体时间长度仅为几百微秒，其稳定期仅数十微秒，实验时需要借助高速采样和定时触发机制来保证实验内容在稳定期内完成，这样操作难度大、效率低且重复性

15、较差。而GPS导航接收机至少需要接收毫秒级甚至更长的数据才能够实现导航性能。因此，激波管用于此项研究中产生等离子体的手段是不可行的。有文献[5’8’11’121认为等离子体对GPS系统的二相键