平流层通信

摘要：平流层通信是一种新型的信息体系，其战略价值已经引起各国的重视，并成为各
国近期研究的热点。

文章将对平流层通信进行简要概述，并对于其在军事方面的应用进行论述。

关键字：平流层通信系统，飞艇，平流层平台，军事应用
近十余年来，移动通信的发展非常迅速。

移动通信要解决的根本问题是使人们在任何时间和任何地点都能进行各种通信问题，包括在运动中的通信问题。

目前已有的移动通信手段，主要有两种。

第1种移动通信手段是地面蜂窝网，它是应用最广泛的一种移动通信手段。

第2种移动通信手段是低轨道卫星通信网。

此外，集群通信网，寻呼网，以及迅速发展中的无线局域网(WLAN)、无线城域网(WMAN)和无线个人域网(WPAN)等，都是各有其特点的移动通信网。

近来，又有一种新的移动通信手段出现。

它就是平流层通信。

1.简述平流层信息系统
平流层信息系统一般是指用位于平流层空间轻于空气的、准静止长驻空的飞艇作为平台，装载一定的有效信息载荷，配合各种地面通信和终端设备所构成的系统，简记为SCS。

平流层平台所处的空间处于各种通信卫星和地面接力通信站之间，是地球上空一片尚未开垦的“处女地”，它的开发对未来通信发展具有极大的意义。

平流层信息平台（一般高度为二十几公里）和通信卫星一样位于地球的上空，但它不属于卫星通信，因为按定义，“卫星是一个绕着另一个绝对质量占优势的物体运动，它的运动在初期而且以后，永远由那一个物体的引力所决定的物体”。

平流层通信业务也不属于空间无线通信，因为国际电信联盟（ITU）定义的空间站是一种位于某一目标，且该目标超过或可能超过地球大气主要范围的站。

平流层通信也不应属于移动通信，因为它的大多数用户终端的位置是固定的。

有较多的理由把它看作是一种高密度固定业务（FS），因为它的功能很像高山顶的一个转发站。

因而ITU建议把它叫做“高空平台站”(High Altitude Platform Stations)，简记为HAPS。

[1]
把平流层通信系统的属性弄清楚在管理上是很必要的。

考虑到它属于固定业务的范畴，因此ITU决定把可能分配给这种业务的47GHz/48GHz波段分配给HAPS使用。

目前这个波段已被认为是平流层通信系统的主要频段，但由于这个频段的雨雪衰减较大，问题较多，因而不少国家正在研究采用其它频段。

2. 平流层通信系统的分类及特点
2.1平流层通信的性能与比较
平流层通信是指用位于平流层的高空平台电台(HAPS －High Altitude Platform stations)代替卫星作为基站的通信，平台高度距地面在17～22km。

可以用充氦飞艇、气球或太阳能动力飞机作为安置转发站的平台。

若其高度在20km，则可以实现地面覆盖半径约500 km的通信区。

若在平流层安置250个充氦飞艇，可以实现覆盖全球90%以上的人口。

在一个平流层平台的覆盖范围内，仍然可以采用蜂窝网结构组织通信，如图1所示[2]
图1 平流层通信的蜂窝网结构
平流层通信系统和卫星通信系统相比，费用低廉、延迟时间小、建设快、容量大。

和蜂窝网相比，它的多径衰落小、覆盖面积大。

所以，它是很有发展前途的一种通信手段。

在表1中较详细地比较了它和蜂窝网及低轨道卫星网的性能。

表1 平流层通信、蜂窝网和低轨道卫星网的性能比较
2.2平流层平台的分类及性能比较
平流层平台可以分为3种。

第一种是带推进系统的无人充氦飞艇。

它通常很大，有100 m长，有效载荷可达800 kg以上，用太阳能提供动力。

飞艇可以是半刚性的或非刚性的[3]，其基本结构材料是有弹性的、防氦泄漏的层压塑料。

在飞艇表面上覆盖有重量轻（< 400 g/m2）的太阳能电池。

第二种是无人飞机[4-7]。

它也是一种高高度持久（HALE –High Altitude Long Endurance）平台。

这是一个太阳能飞机，它比飞艇小，不能携带很重的有效载荷，功率也有限，特别是在夜间。

另一种无人飞机是用燃料的，称为无人飞行器(UAV – Unmanned Aerial
Vehicle)，它通常飞行在中等高度，用于短时间军事侦察。

第三种是有人飞机。

它是普通的燃油飞机，有效载荷约有1吨[8-9]。

这3种平台的性能比较列于表2中。

通常建议平台的高度在17至22 km之间，其主要原因有二：第一，这个高度位于航空航线之上；第二，此处的平均风速低，而在更高处的大气密度极低，致使平台难于定位（见图2）。

飞艇较易受风或压力变化的影响，它必须抵消因之产生的漂移。

此外，其高度还难于精确地进行遥控。

虽然飞机不易受风的影响，但是它不能在空中停留不动，它只好沿一个小圆圈飞行。

国际电信联盟（ITU）已经将47.2 – 47.5 GHz和47.9 – 48.2 GHz频段分配给HAPS应用。

在亚洲，由于受雨衰减的影响，可以用28/31 GHz频段代替47/48GHz频段。

HAPS还可以使用3G的一些频段。

在表3中给出了HAPS可以使用的频段。

3 平流层通信技术在军事通信中的应用
3.1区域性通信和中继
平流层通信系统用于区域性通信时主要由空间段和地面段构成。

空间段由一个或几个飞艇组成，根据业务量情况，飞艇既可利用多波束天线在覆盖区域内形成小区，也可采用大区制。

采用多波束天线时，飞艇要求具有艇上交换功能，能转接两个小区间的话务。

地面段主要由平流层通信地面站和用户终端组成。

每个飞艇覆盖的区域内一般有一个地面站，它起控制、交换的作用，并且地面站还是飞艇与蜂窝网和公用电话网(PSTN ) 的接口。

用户终端可以是固定台、车载台或手持台。

平流层通信平台也可作为一个作用距离很大的微波中继站，其单艇中继距离可达1000km。

地面用户可以通过平流层中继站收发信息，也可以通过地面站连接到PSTN ，蜂窝网或数据库。

若干个平流层通信平台互相连接，可构成高空接力通信网。

3.2区域性探测
由于平流层通信平台位于20km～24km 的高度，可算是定点悬空式装备，除有关的高频头与直接控制、感知天线指向设备等设备外，大部分其他处理设备都可放在地面，可很容易地组成空地结合式的探测设备。

它适于观测低空或超低空的远距离目标，对海平面目标的极限探测距离为620 km左右。

由于目前通信平台能承担的装备载荷有限，限制了有源探测设备(雷达) 的规模。

因此探测系统的合理配备，应该是以雷达、光电、无线电侦测与部分军用数据通信功能结合的有源探测和无源探测的综合体，以建立能充分发挥平流层有利的制高位置的集成、互补式的探测系统，来完成尽可能多的任务。

平流层通信平台可完成的探测任务有：远海的海/空情报探测、远海战术数据通信、军政要地防空信息网、探测隐身飞机、探测弹道导弹与巡航导弹等。

3.3其他应用
因为平流层通信平台可以快速地覆盖大面积区域而不依靠服务区内的设备；平台可回收、可随机选用站址，便于转移阵地，适于变动的形式需要；平台位于本国上空，可以掌握主权、管理权和使用权等。

基于以上特点，平流层通信平台特别适用于在敏感地区应用，例如用于东南沿海及近海海面，西南地区等，这些平台可完成预警探测、情报侦察、指挥、控制、引导、通信、战损评估、目标识别等。

4. 平流层通信具有重要的军事应用前景
由于平流层通信系统具有费用低、可快速部署、地面设备少、使用灵活、回收方便等特点，在战场上空可迅速建立起空中信息收集和交换通道，将战地信息迅速、准确地传输到作战指挥中心，从而达到实时指挥作战的目的。

另外，系统还可以对1000km地段，方圆近百万平方公里的地面和天空进行不间断的监视。

其主要特点如下：
(1)平流层通信系统特别适用于有限区域、边缘地带以及战役和应急情况下的临时服务。

通信平台可以快速部署，所需地面设备少。

一旦平台到位，就可以迅速地建立起战区的通信和侦察体系。

(2)系统的造价和资费较低。

据估计，一个通信平台的造价不超过3000万美元，其中飞艇1000万美元，能源2000万美元。

其价格约为目前通信卫星的一半，并且可以不需要发射费用。

每个用户终端价格不超过100美元，资费方面估计一般用户约每分钟几美分。

(3)通信平台可以不需要发射器，通过调节自身浮力，就能自行升空并移动到预定位置。

当服务完毕或需要重新维护和部署时，它可以自己返回地面。

(4)与蜂窝网相比，平流层通信可实现视距通信，路径损耗只相当于半径为2km 的蜂窝小区的损耗。

由于平流层通信有较好的电磁波传播特性，因此具有相同通信容量所需的通信设备复杂度和造价都大大降低。

并且由于低功率要求，平台和地面的天线尺寸小，可满足灵活性的要求，适合于军事要求。

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5.小结
平流层信息平台的营建是一个巨大的系统工程，涉及能源、材料、大气环境、和空气动力学（稀薄气体条件下的），以及平台的位置保持、姿态稳定等控制技术和放飞、回收等问题。

平台的有效载荷是各种电子信息系统。

与平台本身相比，信息技术比较成熟，但作为一种新的通信体制却仍有许多重要问题需深入研究。

频段的确定是关键问题之一。

此外电子系统如何与平台的能源、温度压力和保持稳定等支持系统相适应，如何与其它各种通信系统，如地面通信系统，卫星通信系统等相兼容，构成能互连互通互操作的信息基础设施，都是必须研究解决的问题。

尽管平流层通信面临许多挑战，但是由于它固有的优势，在军事通信领域，将扮演一个越来越重要的角色。

随着技术和应用的推动，世界许多国家都已经着手进行平流层通信的研究。

坚信，在不久的将来，平流层通信一定能取得巨大的成功。

参考文献：
[1] 平流层通信,The stratospheric communications，吴佑寿，2005-03-16
[2]一种发展中的新移动通信方式——平流层通信研发概况，西安电子科技大学，樊昌信
2005-7-22
[3] www.estec.esa.nl/halewww/www/hale.htm (European Space Agency)
[4] www.helinet.polito.it (HeliNet project)
[5] (AeroViroment)
[6] (Skytower Telecommunications)
[7] (Aeronautical Systems – Predator)
[8] N. J. Colella, J. N. Martin and I. F. Akyildiz, “The HALO Network,”IEEE Communications
Magazine, June 2000, pp. 142 – 148.
[9] (Angel Technologies Corporation)
[10] 平流层通信技术在军事通信中的应用，High-Altitude Platforms Communication
Application on Military ，SHENG Hong-yan ，文章编号：1009-3044(2007)17-31264-02。