临近空间通信平台应用研究

【摘 要】在飞行器的指控和测控过程中，要求系统具有覆盖更广、时效性更强、可靠性更高的通信保障能力。针对此需求，分析了飞行器的指控和测控系统增加临近空间通信平台的可行性，并针对此需求对临近空间通信平台系统的平台选择、通信频段和应用方法进行了研究。

【关键词】临近空间 通信平台 指控 测控

中图分类号：E962 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2013）-24-0035-04

1 引言

临近空间通常是指距地面20～100km的空域。这个空间主要包括平流层大部、中间层和一部分电离层，空气非常稀薄、气温极低，几乎没有云、雨和大气湍流现象，雷暴闪电也较少[1]。临近空间气象状况相对天空简单得多，同时高度比天空高很多，用于通信保障的通信覆盖范围要大得多，而又比太空低很多，平台装备和电磁信号到达的难度、经费和风险都要小得多。因此，临近空间平台在通信保障方面具有非常好的应用前景和潜力。

在山区等复杂地形条件下，现有的通信系统大多采用卫星通信或地面多次中继来解决山体的遮挡问题。但是卫星通信资源相对稀少，时延较大且投资巨大，而地面多次中继则难以实现区域全覆盖，覆盖盲区较多。与卫星通信相比，临近空间通信平台传播距离短、传播损耗少、延时小、所需发射功率低，有利于实现通信终端的小型化和宽带传输，并且机动性强、可快速部署；与地面中继系统相比，其作用距离远、覆盖范围大。作为高空中继，作用距离可超过1 000km[2]，并且能够覆盖地面通信站由于地形影响而不能到达的地方，特别适用于山区、戈壁等偏远地区的通信，适合作为飞行器指控和测控的通信保障的补充手段。

2 飞行器的指控和测控对通信的需求

综合国内外军事信息系统的发展规律，飞行器的指控和测控对通信的要求也越来越高，主要包括：

（1）飞行器发射对通信保障能力的机动性提出了更高的要求，需要在一定区域内快速建立机动通信网络，基本没有可依托的既有通信设施；

（2）飞行器需要大量信息支撑，如需要实时掌握飞行位置、速度、姿态等关键工作参数，为变更打击目标、安全自毁等提供支撑，因此对飞行器和地面的通信提出了大容量、高带宽要求，继而也需要相应的通信保障；

（3）飞行器需要更为可靠的安全控制，对通信系统提出了高可靠性的要求；

（4）飞行器需要高实时、高可靠的回路控制，对通信系统提出了低延时、强纠错、抗干扰等要求。

综上所述，支撑飞行器指控的通信系统具有要素多、高机动、高带宽、高可靠的特点；支撑飞行器测控的通信系统具有空间跨度大、时效性强、可靠性要求高的特点。

3 临近空间通信平台

3.1 临近空间飞行器分类

临近空间飞行器是指在临近空间区域内飞行并完成特定任务的飞行器[3]。临近空间飞行器从速度上可分为低速临近空间飞行器和高速临近空间飞行器两类。

（1）低速临近空间飞行器

低速临近空间飞行器主要包括浮空气球、平流层飞艇、高空长航时无人机等。这类飞行器主要利用空气的浮力和飞行器运动产生的升力进行飞行，飞行速度慢（亚音速），能够长时间滞空，一般无人驾驶，主要适用于侦察、情报收集和通信等[4]。

（2）高速临近空间飞行器

高速临近空间飞行器以美国的X-37B空天飞机为代表，主要采用高超音速下的高升阻比气动外形、高超音速无动力滑翔或高超音速吸气式推进等技术飞行。这类飞行器一般无人驾驶、飞行速度快（数倍音速）、机动能力强，在空间攻防对抗中具有很强的突防生存能力[5]。

3.2 临近空间通信平台选择

（1）平台选择的原则

安全性：安全性需要同时考虑自身的飞行安全和遭受敌方攻击时的生存能力两个方面。

覆盖性：综合考虑保障通信的区域要求、地形条件和通信终端的功耗要求等因素。

载荷能力：根据通信的容量、带宽要求，选择适当的中继/转发方式，结合供电等需要，确定载荷能力的要求。

滞空时间：根据任务保障的时间，确定平台滞空时间的需求。

部署成本：综合考虑平台展开、运行、转移、撤收等过程中对时间、空间、人力、能源等方面的需求，对比计算部署成本。

以上几个方面的因素在不同的作战任务时权重是不同的，各因素之间又存在着互相影响、互相制约的关系，所以平台选择中需要综合考虑。

（2）平台的选择建议

基于平流层（距离地面20～25km）的通信平台是目前世界各国研究的重点。平流层气象条件稳定，温度低，到达相对容易，受地面和空中武器的威胁小，是布置临近空间通信平台的最佳选择。目前，在这个空域内飞行的临近空间飞行器主要是低速临近空间飞行器。

浮空气球具有结构简单、制造成本低的优点，但是受风扰动影响大、机动能力差，不适合作为长时间定点工作的通信平台。

平流层飞艇依靠静升力驻空，定点能力强，能够满足飞行器的指控和测控系统对于通信的定点区域覆盖的需求，适合作为临近空间通信平台使用，但要进入实际应用还有很多关键技术需要突破。

高空长航时无人机采用GPS和惯性导航系统作为飞行控制系统，可自主完成从起飞到着陆的整个飞行过程，将成为近期及未来利用临近空间的重要工具。

4 临近空间通信平台的应用

4.1 通信频段

国际电联ITU分配的临近空间平台通信系统使用的频段主要包括Ka和S频段，如图1所示[6]。其中，Ka或毫米波频段可获得充足的频谱资源，实现大容量宽带通信；而S频段则便于和3G移动通信兼容。

4.2 临近空间通信平台应用方法

临近空间通信平台可作为飞行器的指控和测控通信系统的有效补充，可用于地面和卫星难以覆盖的地区的通信保障，也可作为基站或附加节点对现有的地面通信系统进行有效的补充[7]。

临近空间通信平台，可有以下三种应用方法：

（1）独立平台通信

由于临近空间通信平台所处的高度高，形成的有效覆盖区域比地面通信中继站覆盖范围更广，能够解决山区由山体阻挡造成的跨视距通信问题。临近空间通信平台还可以作为卫星通信的补充，飞临到达卫星通信尚未覆盖的盲区，实现对地面通信的无缝覆盖。

（2）多平台组网通信

临近空间通信平台还可以实现多平台组网通信。这种应用方式，可以在更大范围的区域内，在未被地面站或卫星通信覆盖的区域内，提供高速无线通信，实现更大区域的长时间超视距通信的覆盖[8]。

（3）与空间平台协同通信

临近空间通信平台利用其在天空之上太空之下的特殊空间位置，可以与各种高度的通信平台协同工作，为不能互连互通的通信系统提供适配接口，更适于为飞行器指控和测控提供一体化设计的、综合性能更强的、使用更加灵活的通信网络，协同实现飞行器指控和测控的通信保障。该组网方式如图4所示。

4.3 覆盖距离分析

假设地面站天线高度h1=15m，平台升空高度h2=20km，在此高度下天线在地球表面的视距通信范围为（考虑大气折射率K=4/3）：d=4120；

该高度下100km处地面站天线的仰角为（考虑地球曲率影响α0=0.9°）：α≈10.4°。假设山的比高为300m，那么为了保证视距传输，需要最近的离山距离为1.6km。可见20km的升空平台可以保证至少100km范围内山区情况下的视距通信。

4.4 天线与传输损耗分析

这里以S频段为例分析两种平台的链路损耗，设通信频点为2GHz。

（1）无人机平台

从仿真可以看出，地面采用定向天线，距离超过20km的时候，链路损耗基本上取决于距离损耗。而地面采用全向天线，则在距离较近的时候由于天线方向性的影响而使链路损耗变大。

（3）传输速率

以无人机平台为例，假设发射功率43dBm（20W），

馈线损耗2dB，地面及遮挡损耗10dB，地面采用13dBi定向天线（有伺服），80km处链路损耗约为122dB，计算得到接收信号电平为-91dBm。该接收电平可以达到10Mbps量级的速率。

5 结论

临近空间飞行器作为通信平台，具有卫星通信、通信飞机和地面通信站无法比拟的优点，利用临近空间通信平台作为飞行器的指控和测控系统的通信手段，加入飞行器的指控和测控系统通信网络，可以进一步补充和完善现有的通信系统，实现通信手段的多元化、一体化，是具有可行性的。但由于技术难度大，各国临近空间飞行器的技术研究多处于关键技术攻关与演示验证阶段，可继续紧密关注临近空间飞行器的研究进程，进一步深入论证临近空间通信平台作为飞行器的指控和测控通信系统的技术途径。

参考文献：

[1] 郭劲. 临近空间飞行器军事应用价值分析[J]. 光机电信息， 2010（8）： 22-27.

[2] 丁平，杨健. 临近空间飞行器在空间通信中的应用[J]. 科技信息， 2009（10）： 419-420.

[3] 黄伟，陈逖，罗世彬，等. 临近空间飞行器研究现状分析[J]. 飞航导弹， 2007（10）： 28-31.

[4] 王彦广，李健全，李勇，等. 近空间飞行器的特点及其应用前景[J]. 航天器工程， 2007（1）： 50-57.

[5] 王亚飞，安永旺，杨继何. 临近空间飞行器的现状及发展趋势[J]. 国防技术基础， 2010（1）： 33-37.

[6] 吴佑寿. 高空平台信息系统新一代无线通信体系[J]. 中国无线电管理， 2003（6）： 3-8.

[7] 鲁芳，池小泉. 美国临近空间飞行器的C4 ISR能力及其启示[J]. 装甲兵工程学院学报， 2010（3）： 17-20.

[8] 甘仲民. 临近空间平台应急通信的有效手段[J]. 数字通信世界， 2008（6）： 45-49.