流星余迹通信建模仿真技术研究
第一章 绪论
1.1流星余迹通信的基本概念
流星余迹通信是利用地球上空约百公里高空天然发生的带电流星余迹对无线电波的发射和散射作用进行突发通信的一种无线通信模式。其通信基本原理涉及流星体/流星、电离流星余迹、电波反射/散射等概念。流星（METEOR），更确切的说是流星体（METEOROID），是太阳系的一种组成物质。太阳系的成员包括太阳、行星及其卫星、小行星、彗星、流星体以及散布在行星际空间的稀薄气体和尘埃等物质。太阳系的其它成员都在围绕太阳运行，其中包括地球和流星体。地球由于质量一定，绕日运行速度和轨道是基本不变的。流星体由于数量众多，质量不一，运行轨道和速度也各异。因此，在运行过程中，地球总是会和某些流星体的运行轨道产生交叠。流星是流星体与地球相互作用的现象和产物。当流星体与地球近距离接近时，由于地球的质量远远大于流星体的质量，流星体会被地球引力捕获，高速坠入地球大气层，与大气分子剧烈碰撞和摩擦，流星体由于产生灼热高温而汽化，同时又使周围的空气分子电离，形成一条电离气体柱划过天空，这种现象称为流星。当流星的原始母体在行星际空间自由运行时，还只能称之为流星体；只有当流星体与地球发生相互作用、相互干涉后，才由流星体转变成流星。由于与大气分子的剧烈摩擦而燃烧汽化，绝大部分流星体在大气层中就消失了，只有极少一部分质量大的流星体能够穿过大气层坠落到地面上，这种流星的残骸被称为陨石。流星现象发生时产生的电离气体柱，称为流星余迹（METEOR TRAIL）。根据大气层的密度分布，流星余迹的发生高度在 80～120 公里高空[1]。由于流星的质量、运行速度不同，会影响气体电离的程度，因而流星余迹有强有弱，其衡量的单位是电子线密度--电子/米;，即单位长度上存在的电子数量。流星余迹一旦发生后，会迅速与周围空气分子复合消失，一般持续存在时间只有 300 至 500 毫秒。
1.2流星余迹通信的基本模式和主要特点
由于流星余迹的出现是随机的，余迹信号是间断的，因此流星余迹通信是一种突发通信模式。通信时，必须发送探测信号，当有可用强度的流星余迹出现时，对端通信站接收到探测信号并应答，双方建立通信链路。随即通信进入数据传输现实，两端以分组数据形式进行信息交换，直至余迹信号降低到门限电平以下。通信中断后，系统重新开始探测，以等待下一个有效的流星余迹出现。流星余迹突发通信基本模式就是探测、建链、通信、中断、再探测的现实循环。在此点对点基本通信模式的基础上，流星余迹通信可以进一步组成复杂的网络进行通信[16]。流星余迹通信具有以下突出的特点：（1）通信距离远，单跳最远可达2000公里。由于余迹发生高度在80-120公里高空，因此可以支持超远距离通信。（2）覆盖范围大，易于实现组网通信。由于余迹信道自身具有空分和时分多址的特点，结合远距离大范围覆盖的特点，流星余迹通信系统可以在大范围内实现多节点组网通信。（3）信道可靠，适用地域广。流星余迹的发生是一种自然现象，且电波传播不受电离层扰动、磁暴、极光等自然因素影响，因此应用地域不受限制。（4）随机突发通信，信息保密能力强。流星余迹通信持续时间短，且信道具有热区;、足迹;等空间选择特性，因此信息传输保密抗侦收能力强。（5）通信非实时，传信率低。由于信道原因，流星余迹通信是非实时的，通信有间断，且传信率较低，平均每分钟可传输几十至几百个字符。上述流星余迹通信的模式特点与余迹信道特性密切相关，因此，研究流星余迹通信的性能，需要在建立准确可靠的信道模型基础上，通过模拟仿真计算通信系统的各项性能，本文即对此进行研究。
第二章 流星余迹信道特性与通信性能分析
2.1 流星余迹信道特性
每天有两类流星进入大气层，一类是流星雨，一类是偶发流星，大约有 80 亿~100 亿左右。流星雨是指一些按照同样的轨道和同样的速度围绕太阳运行的聚集在一起的彗星和小行星残余物，其运行轨道每年在同样的时间与地球运行的轨道相交，形成流星雨。流星雨的发生季节性很强，出现时对流星余迹通信（MBC）性能造成明显的增强，但它们的作用时间很短，并且其发生数量只占进入地球的总流星数量很小的一部分，因此对于通信的研究意义不大。流星余迹通信主要依靠偶发流星，偶发流星在分散的轨道上运行，约有 2/3 的偶发流星在黄道轨道上按相同方向围绕太阳运行，与地球等行星的轨道相同。当流星进入大气层后，因其运行速度（11.3～72m/s）相当高，会使其分子与空气分子剧烈摩擦燃烧，产生正离子和自由电子，随即形成以条电离尾迹，即流星余迹。流星余迹开始形成时时间十分短，大约为零点几毫秒左右，在这个过程中，流星电离微粒的速度下降至 0.5m/s 左右，然后变稀形成余迹。整个持续时间比开始形成的时间要长得多，一般为几百毫秒，最长为几分钟。[27]
2.2 流星余迹通信的工作方式
流星余迹通信系统一般至少由一个主站和若干从站组成。主站作为系统通信控制中心，主动探测信道的存在，完成和其他站点的链路控制和通信。从站受控于主站，在主站的链路控制下完成和主站之间的通信联络。流星余迹通信系统按通信方式分类，可分为点对点、点对多点和组网三种类型[3]。点对点方式是流星余迹通信的最简通信方式，也是基本通信方式。为了探测流星余迹信道的出现，主站对准从站接收方向不停的向流星余迹可能出现的电离层发射探测信号；从站不主动发起探测，当收到探测信号后，回复应答信号，并建立通信链路。实时监测链路接收信号变化，当接收信噪比大于接收门限时，及进入通信现实，而当接收信噪比下降至接收门限之下时，通信中断，主站重新发起探测，并重复上述全过程。流星余迹信道存在时间极其短暂，意味着最实用的通信方法是设计高效的数据分组格式，以便在信道短暂存在期间快速处理数字信息[22]。
第三章 流星余迹信道建模理论及物理模型实现..........13
3.1 流星余迹信道物理建模基础........13
3.2 流星余迹信道物理建模方法........21
3.3 流星余迹通信计算机模型.....29
3.4 计算结果分析....32
3.5 本章小结.....38
第四章 流星余迹通信仿真技术研究....39
4.1 仿真平台.....39
4.2 仿真体系构建....42
4.3 仿真设计.....44
4.4 仿真结果及分析.......50
4.5 本章小结.....58
第五章 流星余迹通信信道模拟系统设计..........59
5.1 流星余迹信道模拟系统组成........59
5.2 流星余迹信道模拟系统设计........60
5.3 流星余迹信道模拟系统应用模式.......65
5.4 本章小结.....67
第五章 流星余迹通信信道模拟系统设计
5.1 流星余迹信道模拟系统组成
本文设计实现的流星余迹通信信道模拟系统在射频频段对流星余迹信道进行模拟，它能串联于流星余迹通信设备中，模拟实际流星余迹信道的最主要特征：随机突发出现、指数衰减。流星余迹通信系统从通信方式分，具有点对点、点对多点和组网三种类型，流星余迹信道模拟系统在功能设计实现上，包含上述三种使用方式，以基本的使用方式为基础，划分出合理的接口功能，以多模块串接、并接或互联成网络的方式实现流星余迹通信网络模拟。信道模拟系统由信道模拟单元和控制计算机软件两部分组成。其中信道模拟单元用于流星余迹通信系统级的连接，可以模拟流星余迹通信信道。多台信道模拟器通过合适的连接后，能够使流星余迹通信设备连接成网络，用于测试检验在组网条件下系统的性能。控制计算机上加载模拟系统控制软件，通过以太网线连接，对信道模拟系统的工作现实及参数进行监视控制。
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结束语
流星余迹通信是利用流星余迹这种高空自然发生的天文物理现象进行超远距离无线传输的特殊通信方式。由于特殊的通信机理，流星余迹通信具有距离远、易组网、覆盖范围大、安全保密、抗毁顽存等突出优点，是一种极具应用价值的通信资源。为开发这种资源，国内对其进行了技术攻关，目前已基本掌握了其通信技术。同时，为支持该技术的进一步发展和系统应用，有必要同步开展通信建模仿真技术研究，本文正是基于此应用背景和目标，通过分析流星余迹信道特性和物理模型，对流星余迹通信主要性能进行模拟仿真研究。主要研究内容如下：首先对流星余迹的主要通信特点和关键性能指标进行了分析定义，确定了模拟仿真的具体研究目标；之后对目前三种主流信道物理模型进行了分析，重点分析了 SMRD 的原理和意义，据此提出了流星余迹通信建模方法，并开发了流星余迹通信计算机模型。该模型可以对通信链路上余迹的出现概率 MR、持续时间 DC及热区;分布等主要信道参数进行计算分析，由于结合了当前最先进的物理信道模型研究成果，因此该模型预报的参数具有较强的参考价值。
参考文献（略）