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临近空间高速飞行器具有独特的空间优势,使得其在情报收集、侦察、通信保障、监视、导航和预警等方面具有极大的发展潜力。然而,高速飞行器再入过程中在其表面上所形成的等离子鞘套,将引起通信信号的大幅度衰减、严重时导致通信中断,即“黑障”现象。因此,分析等离子鞘套环境对无线传播特性的影响,构建准确信道模型,从而设计优化方案改善通信质量,对减缓“黑障”问题具有重要意义。当前,对于等离子鞘套环境下的信道建模,主要集中在高速飞行器配备单极化天线的场景,其相对应的单输入单输出(Single Input Single Output,SISO)信道容量较低。另一方面,双极化天线受到广泛关注,高速飞行器双极化天线部署对应于MIMO(Multiple Input Multiple Output)信道可以有效提高信道容量。鉴于此,本文针对各类高速飞行器的天基测控与通信场景,研究了高速飞行器上行中继采用双极化MIMO技术的综合信道建模方法,并且验证了该信道模型的可行性。与地面环境相比,等离子鞘套环境会影响MIMO信道的去极化效应和引起左/右旋圆极化波的信号功率衰减。因此,在研究临近空间高速飞行器中继双极化MIMO综合信道模型时,本文重点分析了临近空间高速飞行器中继双极化MIMO大气传播信道环境和等离子鞘套环境对信道建模的影响,并验证了双极化MIMO技术在等离子鞘套环境下对信道容量的提升效果。本文的主要创新点和贡献包括:1.针对高速飞行器和中继卫星的上行通信场景,本文提出了双极化MIMO通信方案,在考虑大气传播环境对信道相关性和信号功率影响的条件下,研究了临近空间高速飞行器中继双极化MIMO大气传播信道模型。2.在不同飞行高度和圆极化波入射角度的条件下讨论了等离子鞘套环境对极化参数和信号功率衰减的影响,并建立了临近空间高速飞行器中继双极化MIMO综合信道模型,进而建立起飞行高度和圆极化波入射角度与信道容量的映射关系。仿真结果表明,和传统的SISO通信方案相比,本文所提出的双极化MIMO通信方案可以有效提升信道容量,减缓等离子鞘套“黑障”问题,为优化通信链路容量提供了理论参考。