平流层飞艇无线通信系统

平流层飞艇无线通信系统 【摘要】:飞艇通信是近几年来出现的一种通信方式，它利用一个漂浮于地球上空20,50公里的飞艇装载的通信平台,实现信息的传输或转发。由于该通信系统具有适中的覆盖面积、低廉的成本、安全可靠等一系列独特的优点，已经引起了许多国家的注意和重视，应用前景十分诱人。本文简单概述了飞艇的工作环境和应用前景，较详细地描述了该系统的各组成部分、性能特性及要解决的关键问。 【关键词】:飞艇 通信系统 关键技术 1、引言 平流层是大气层中最平静的一段，不受天气影响，也几乎从不潮湿由于平流层有着稳定的气象条件和良好的电磁特性，数十年来人们一直在尝试利用平流层平台长期驻空进行观测和通信。进入21世纪，随着相关技术的飞速发展，在世界上掀起了研究和开发平流层平台热潮。平流层平台的定点位置一般设定在距地面20 km附近的平流层底部，因为那里的全年平均风速较弱。根据所携带的不同有效载荷，平流层平台可以作为通信平台或观测基地从通信领域的角度来看，平流层平台具有传输距离短、传输时延小、发射功率小以及能量损耗少的优点，因而平台和信号传输系统都可以设计得更加简单。并且一个平流层平台在20km定点高时它 km?，完全可以实现小型通信终端为广大区域提供的地面有效覆盖面积达到19000 高速通信服务的目标。而在地球观测领域，平流层平台由于距离地面较近，能够提供比卫星观测更高的分辨率和精度。它不仅能进行地球环境变化观测和气象数据探测，还可以通过对指定地区的连续观测进行交通、灾害及环境破坏监视，在洪水、火灾或地震等灾害来临时，构成广大区域的监视系统。随着科学技术的不断发展，在全球的宽带连接、地球遥感成像、空间观测、大气测量、全球资源监控以及军事侦察等方面的需求将会数不胜数。平流层平台广阔的应用前景越来越引起世界的关注，美、日、韩及西欧各国已经投入了大量的人力物力对其进行可行性研究论证以及试验。 2、系统组成 2.1 气球 气球是系统中的工作主体。外形一般为球形、水滴形和飞艇形。气球壁用多层薄膜和织物粘合而成,包括一层Tedlar薄膜、两层聚脂薄膜和一层涤纶,系留气球系统可以在恒风50,70节(相当于10,12级风)、阵风70,90节的情况下,稳定悬停在高空。气球的前端有鼻锥和鼻系索,中间是球体。后端有中空而充入空气的垂直与水平稳定尾翼。尾翼有“十”字形和“人”字形两种。从气球两侧和底部引出多股短系索和聚合线,聚合线汇集在气球下方的聚汇点上,与系统缆索相连接。大型系留气球的内部结构如下图所示。 2.2 有效载荷 有效载荷根据用途的不同而各有所异。一般来讲,典型的有效载荷包括通信、广播、电子侦察、雷达等电子设备,相应的动力设备、控制机构、定向装置及信息转发设备等。有效载荷都集中悬挂在气球下方的防风罩内。有效载荷的选择受气球载荷重量、防风罩几何尺寸大小及载荷所需功率等因素限制。为了减小尺寸和重量,保证系统稳定工作,通常把各种电子器件和天线装置紧凑地组装成一个单元,通过万向关节倒挂在球体下面的桁架结构上,以减轻载荷受到气球摇摆和晃动的影响。 2.3 系统缆索 系留缆索上端与气球聚合线相接,下端与地面系留设施连接,用来把气球悬浮在一定高度。早期的系留缆索为钢丝绳,由于拉力强度、重量及功能方面的原因，现已采用新型系留缆索。新型缆索的中心部分有3根带绝缘的传输电线,能传输400Hz,3000V三相电力,供设备用电,传输电线外部有内屏蔽层、介质、光纤传输线和多层凯夫拉制成的加强保护层,外层是避雷电的铜制网套,最外层是一种由嵌入涤纶丝加强的金属编织网套。缆索中的光导纤维作为遥测与遥控系统中的通信线路,传送监测与遥控指令,其数据率超过100Mb/s,凯夫拉加温保护层材料与美军防弹衣和陆军钢盔所用材料相同。用这种材料制作的缆索具有拉力强度高、重量轻等优点。 2.4 地面系留设施 该设施又称停泊系统,是系留气球系统的操纵、控制和维护中心,主要有地面固定式、机动式和舰艇装载式3种。固定式地面系留设施适用于大型系留气球,通常 由机械转台、系留塔、旋转基座、水平桁架、绞盘、操作控制室、工作平台和圆形单根导轨等组成。机动式地面系留设施适用于小型系留气球,主要由系留塔、悬臂式桁架、液压绞盘、操作控制台和平板拖车等组成。舰载系留设施由500吨级的小型供应船改装而成,在其后甲板两侧各有一条导轨,两轨间隔为6m,导轨上架有可前后移动的滑架,可360?旋转,滑架上固定有系留系统。 固定式: 机动式: 舰载式: 2.5 地面控制站 地面控制站内有遥测和指挥系统,用以监测和控制气球上的所有通信设施,并连续监测升空气球的各项工作数据和环境数据(如高度、风速、温度、球体、俯 仰度、横滚度和方向等)它也作为中心站完成雷达图像信息的贮存或转发。大型气球系统的地面控制站为固定建筑场,设置在阵地外面。小型气球系统的地面控制站则为安装在支援拖车上的一个控制室。 3、特点 3.1 覆盖范围 平流层通信平台为三种不同的覆盖区域提供服务而设计, 即城市覆盖区(UAC)、市郊覆盖区(SAC)和远郊覆盖区(RAC),总的覆盖区域超过10km?,其最小仰角分别是30?,10?,0?。在远郊覆盖区提供400MW的功率,而在城市和市郊覆盖区域中都只提供10MW的功率,前者是为了对抗更大的大气衰减和更远距离的传输损耗。在47GHZ频段上更大的大气衰减(由蒸汽加上气体造成)将会带来2%的中断。 根据用户所处的覆盖区不同,平流层通信平台业务可以用手持PDA类装置(UAC)、小型笔记本式装置(SAC)或小的碟形天线(RAC)来接人。在城市、市郊及远郊覆盖区中的最低天线增益分别为3dBi,23dBi和36dBi。平流层通信平台的地面覆盖情况如下图所示 。 3.2 机动性 平流层平台既适用于城市，也可用于海洋、山区，还可以迅速转移，用于发生自燃灾害(如洪水、山火、地震等)的通信。 3.3 经济性 造价和通信资费低，平流层的放飞及、回收及日常监测和一般的民航系统相似，不需要庞大复杂的发射基地，估计每一平台造价为通信卫星的1/10;而且每个平台都可以独立运行，不像低轨通信卫星那样需发射几十颗卫星组成星座之后才能工作，建设周期短，投资少，一般用户端机价格也低，通信资费也不高于已有的公众电话。 3.4 环保性 环境问题是当前国际上高度关注的问题之一。和卫星通信相比,系留气球通信系统在环保方面具有突出的优点:它不需要火箭发射,没有发射火箭时所产生的有害气体;它主要使用太阳能发电，子推进器则利用同温层的等离子体，不会对臭氧层起破坏作用;系留气球通信系统失效时还可回收修复，不会成为空间垃圾。 3.5 生存力 气球的使用寿命,一般可达7,10年。在空中悬停时间相对较长，大型气球的悬停时间为20,30天，小型气球也达2周，而其它飞行器的续航时间仅为4,24小时, 远不如系留气球。此外，气球的抗风能力较强，能在强风下(大雷暴雨除外)工作。在岸对海或舰对海监视时，浓雾可能会阻止飞机飞行，而系留气球可在能见度几乎为零的情况下升空和回收。 3.6 安全性 气球无需载人操纵，在实际使用中不会出现人员伤亡。 4、关键技术 4.1 压力控制 在平流层飞艇的设计中，把整个艇分成数个囊室，每个囊体有一套压力控制装置，分别控制囊体的内部压力。其优点有:增加可靠性，某一囊体破损仅仅影响飞行高度，不会对飞艇产生致命后果;可分别对各个囊体的浮力大小进行控制，从而调整飞艇的俯仰姿态角。这些囊体分为氦气囊和空气囊，一般通过对空气囊进行充气或放气来实现压力控制。 压力控制系统的主要作用有: (l)外形保持 平流层飞艇是充气的柔性体，必须通过压力控制，建立飞艇内外差压l03%(400 ~ 800 Pa)，并在整个飞行过程中保持这一压差，从而保持整个飞艇的外部形状。在飞艇上升期间，外部压力降低。相应地，通过差压阀门放气保持内外压差一致。在飞艇下降过程中，随飞艇高度降低，外部压力增加，飞艇内部趋向负压，需打开鼓风机充气，维持压差。在定点期间，主要由于昼夜温差的变化，使飞艇内部压力改变，从而影响飞艇的外形。可以通过两种方法保持飞艇形状，一是进行充气放气;二是调整驻空高度。 (2)升力浮力控制 平流层飞艇的主要升力源是它所受的浮力，外形压力保持系统使飞艇外形始终不变，飞艇所受浮力就主要取决于此高度的空气密度。由于大气密度随着高度的不同而有很大变化，因此在上升和下降过程中，升力在垂直方向是不稳定的，需要对飞艇内部空气与氦气比例加以控制。一般采用的方法是在飞艇前后各有一副气囊，通过对副气囊充放气，获得升力控制和纵向配平控制。 4.2 能源电池研制 平流层飞艇通信系统长时间在没有云雨等气象条件的高空运行，采用太阳能电池+储能电池的能源系统最为有利:白天由太阳能电池把光能转化为电能，在为各工作设备提供连续电能的同时，对储能电池充电，夜晚由储能电池为设备供电。由于在冬季和高纬度地区，太阳能电池吸收到的太阳能十分有限，因此提高电池的效率和比功率、降低电池重量是太阳能电池技术研究的重点与关键。另外，考虑到飞艇的弧形表面和柔性结构，太阳能电池的薄膜化、柔性化也是一种必然趋势。对于储能电池，无论是常规蓄电池、锂离子电池还是可再生燃料电池，除对其效率(包括充电和放电)、重量的要求与限制外，还必须考虑到电池在大规模使用和长期使用时的环境适应性、安全性与可靠性。而对于还处于试验阶段 的微波能量传输技术，要应用于平流层飞艇主要需解决传输距离及其与通信信号的干扰问题。 4.3 动力控制 平流层飞艇要实现长期定点，需要太阳能、燃料电池等装置存储和提供能量，并利用无刷直流电机替代航空发动机作为动力源带动螺旋桨，以对抗风的扰动。由于风速大小是随机变化的，所以飞艇的动力控制系统必须不断调节电机的转速，来改变推力大小，以抵抗风速变化的影响，保持定点。这样，就必须解决高 空环境下的无刷直流电机转速及转矩控制问题，还要设计电机的控制器及控制算法 4.4 材料研制 平流层通信平台的主体是庞大的充氦飞艇，其表面积约为几万平方米。为了降低飞艇自身重量，并延长其寿命，用于构成飞艇囊体的材料必须重量轻、强度高、抗老化性能好，同时还应有较强的抗高能辐射和臭氧腐蚀的能力。据初步估算, 飞艇囊体材料的主要性能应达到下列要求: 单位面积重量小于1809/m?，拉伸断裂强度大于400N/cm , 氦漏率小于0.5L/m?.DA。当前已有的各种单一材料都 难以满足这些要求，通常都采用以高分子材料为主的多层复合结构。这种多层结构一般分为承力层、阻气层、热封层、防老化层，以及用于粘合功能材料的中间层等。制备这种复合材料的加工工艺也是重要的研究课题。 4.5 环境控制 平流层空间的低密度、高辐射和低温特点给飞艇通信系统的环境控制、特别是热控制带来不利影响。白天和夜晚飞艇所受热辐射差别巨大，即使是白天同一时刻，飞艇向光面和背光面的温度差异也很大。飞艇平台环境控制技术的关键一方面是在有限的重量能量条件下，为艇上设备提供合适的工作温度、发挥设备性能;另一个方面是针对环境变化调节飞艇自身的状态，特别是气囊内气体的状态。作为一种主要依靠浮力来克服自身重力升空的航空器，平流层飞艇通信系统飞艇平台的性能与环境条件密切相关:温度上升引起气体膨胀，最终会导致飞艇上升;温度降低引起气体收缩，最终会导致飞艇下降。由于飞艇体积尺寸巨大，自身的调节响应时间较慢，因此有必要研究一套环境控制、特别是热控技术，改善飞艇性能。 4.6 升空回收 平流层飞艇通信系统的体积和重量巨大，使其顺利升入平流层空间并安全返回地面的升空回收技术与常规飞艇和其他航空、航天器均有所不同。作为低速浮空器，平流层飞艇的升降过程受风速影响很大，通常的设计规划中，飞艇升空时需要利用空气浮力和风速将其送入到预定的空域，返回地面时，需要利用重力和风速实现回收。因此，掌握从地面到平流层高度的大气环境，特别是大气风场就显得格外重要。同时，飞艇的上升下降还要经历空气密度、压力和温度的巨大变化，只有压力调节、动力推进、飞行控制等多方功能系统协调配合，才能使飞艇始终处于设计状态之内。从目前国内外的相关进展来看，对平流层飞艇的升空回收技术、特别是有效的回收着陆技术的研究还比较欠缺，亟待加以解决以实现飞艇的多次重复使用要求。 5、结语 平流层飞艇通信平台的研制是一项崭新的课题，由于受到平流层气象及物理条件的限制，对材料、能源、动力等诸多方面的要求都非常苛刻，迄今为止，能实现长期驻空的实用平流层飞艇通信平台还没有研制成功。但随着科学技术的迅速发展，特别是电晕离子推进器技术的发展，多波束天线技术的日趋成熟，微电子产品对轻小型载体的支持和遥控和遥测技术的进步等等，平流层飞艇通信系统正成为一种极有发展潜力和竞争力的通信系统，日益受到人们的重视，这种通信系统将会适时切入21世纪初无线通信产业的许多变革，我们期待着平流层飞艇通信的早日实现。 参考文献: 1 胡红芬，雒小红.平流层气球载通信系统.现代雷达，2000(4) 2 谭百贺.平流层飞艇通信系统关键技术探讨.中国新通信，2010(11) 3 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