臨近空間平臺作戰效能影響研究

安合志，李 萍，王蕾蕾，張文輝

(1.武警工程大學研究生大隊，陜西西安 710086;2.武警工程大學通信工程系，陜西西安 710086)

所謂臨近空間是指距地面20～100 km的空域［1］，處于現有飛機的最高飛行高度和衛星的最低軌道高度之間，是從航空空域向航天空域過渡的區域。，它大致包括:大部分大氣平流層、全部中間層和部分熱層區域。在這個層次上部署的軍事裝備，上可威脅衛星等天基平臺，下可攻擊航空器等空基平臺甚至地面目標，并可完成通信、遙測、情報、偵察和監視等各種軍事任務［2］。因此臨近空間以其自身的顯著特點，可以作為衛星和飛機的有效補充。其巨大的軍事應用價值受到了軍事強國的高度重視。因此，開展臨近空間平臺的作戰應用效能指標的研究具有重要意義。

1 臨近空間平臺作戰效能指標分析

作戰應用效能的評價，主要是基于在覆蓋范圍、傳輸時延、分辨率和電波傳輸損耗等方面的效能來確定。覆蓋范圍是關于飛行器對作戰區域通信覆蓋能力的基本描述，是作戰應用效能評價的首要指標;傳輸時延，是指兩個通信節點之間通信的傳輸時延;分辨率是關于飛行器對目標分辨能力的描述;電波傳輸損耗主要考慮無線電波在自由空間傳播的衰耗［3］。

1.1 覆蓋范圍

臨近空間平臺能實現較大區域的通信覆蓋，單個平臺對地球表面的覆蓋示意圖，如圖1所示。圖中P1為臨近空間平臺，P2為平臺在地面的投影，O為地心，平臺離地的高度P1P2為h，通信距離P1P3為d，地面電臺的天線仰角為α，平臺覆蓋范圍的地心角為β，地球半徑OP3為R，高度角為θ。在三角形P1OP3中應用正弦定理可得，平臺的高度角為

通過高度角θ，可以推導出平臺對地面的覆蓋中心角為

再根據余弦定理和弧長計算公式，可得出空中平臺至地面站的通信距離d和覆蓋半徑r分別為

實際應用中，地面電臺的天線仰角必須要考慮。因為如果地面天線的通信仰角太低，則易受地面噪聲、地面散射和大氣折射等的影響，會導致無法正常通信。所以，空間通信平臺到地面通信臺站的直線，與地面臺站所處的地平線之間的夾角必須大于天線的仰角α，才能保證通信暢通。在覆蓋區域內，天線仰角越高，通信效果越佳。由于要考慮天線的仰角，使得覆蓋區域的半徑發生變化，仰角越大，實際可用區域半徑越小，一般地面天線在覆蓋區內的仰角不少于5°～10°時，才能確保邊緣處的通信質量［4］。

圖1 臨近空間平臺對地的覆蓋示意圖

如圖2所示，在不同的天線仰角下，臨近空間平臺的覆蓋半徑與平臺高度之間呈現逐步上升趨勢;但在相同的平臺高度下，覆蓋半徑與天線仰角之間呈減少趨勢。當臨近空間平臺高度為20 km時，覆蓋半徑與地面天線仰角的關系如圖3所示，仰角在0°～10°的范圍內，覆蓋半徑下降得很快，從504.11 km遞減到108 km，之后隨天線仰角的變化，覆蓋半徑變化趨于平緩。

1.2 傳輸時延

傳輸時延主要取決于兩個通信節點之間通信鏈路的長度。當主要考慮地面站利用單個飛行器進行信號中繼和轉發的單跳時延時，傳輸時延Δτ可表示為

如圖4所示，不同的天線仰角下，臨近空間平臺的傳輸時延與平臺高度之間呈現逐步上升的趨勢;但在相同的平臺高度下，傳輸時延與天線仰角之間呈減少的趨勢。當臨近空間平臺高度為20 km時，傳輸時延與地面天線的仰角的關系如圖5所示，仰角在0°～10°的范圍內，傳輸時延下降得很快，從3.368 ms遞減到0.7327 ms，之后隨著天線仰角的變化，傳輸時延變化趨于平緩。

1.3 分辨率

在各飛行器上到底能“看到”什么，能分辨什么，主要取決于分辨率，該分辨率與飛行器所處高度和相機焦距以及照相系統的分辨力有關。設飛行器照片的地面分辨率為S，飛行器軌道高度為H，相機焦距為F，相機系統分辨力為r，則

將軌道衛星與80 km高空的臨近空間探測器進行比較，如表1所示［5］，可以看到臨近空間平臺分辨率要高得多，容易實現對目標的高分辨率觀測。

表1 GEO，HEO，LEO預警衛星及臨近空間探測器的(星下點)分辨率對比

1.4 傳輸損耗

臨近空間平臺的通信鏈路經過對流層和平流層。其中，平流層對電磁波的影響甚小，可以近似認作自由空間的電波傳輸。而對流層中，由于含有水分子、云、霧、雨和雪等顆粒，會對電磁波產生吸收和散射作用，從而形成了電波傳播的大氣損耗。這種損耗與電波的頻率有密切的關系，在300 MHz～10 GHz的頻段內，大氣損耗很小。尤其是地面電臺的天線仰角＞5°時，大氣損耗可以忽略不計。自由空間的傳播路徑損耗是由于電波在傳播過程中，能量隨著傳輸距離的增加而擴散造成的，可通過式(7)得出

其中，f為發射信號頻率。

如圖6所示，不同的天線仰角下，臨近空間平臺的傳輸時延與平臺高度之間呈現逐步上升的趨勢;但在相同的平臺高度下，傳輸時延與天線仰角之間呈減少的趨勢。當臨近空間平臺高度為20 km時，傳輸時延與地面天線的仰角的關系如圖7所示，地面天線仰角越大，其通信路徑越短，自由空間鏈路損耗越小，而且通信頻率越高損耗越大。

圖6 傳輸損耗與與平臺高度、地面天線仰角的關系

圖7 傳輸損耗與信號頻率、地面天線仰角之間的關系

2 結束語

對臨近空間平臺的作戰應用效能指標進行仿真分析，得出臨近空間對空中信息的接收有更高的靈敏度、信噪比和更小的時延。臨近空間偵察平臺的引入有效彌補了航天器和航空器的不足，一方面可以建立新的通信中繼節點和轉信平臺;另一方面空中傳感器系統可以直接將偵察情報和信息傳到臨近空間通信平臺，由臨近空間平臺對偵察信息進行比較、分析和融合，提取最有用的信息發送給空中使用平臺;三是依托臨近空間偵察系統平臺距離空中平臺更近，且電波傳播為自由空間傳播等特點，減弱信號在傳播過程中面臨的各種威脅，從而提升整個通信系統的效能。隨著技術的不斷突破，臨近空間平臺的偵察能力將會進一步提升，在未來戰爭中發揮重要作用，對現代戰爭態勢發展將產生深刻影響。

［1］ 曹秀云.臨近空間飛行器成為各國近期研究的熱點［J］.中國航天，2006(6):32－36.

［2］ 何彥峰.淺析臨近空間平臺的軍事應用［J］.國防科技，2007(6):32－35.

［3］ 王久輝，趙博，蔡青青.基于OPNET的臨近空間通信網仿真研究［J］.通信對抗，2009(1):45－50.

［4］ 盛紅巖.平流層通信技術在軍事通信中的應用［J］.電腦知識與技術，2007(17):87－90.

［5］ 劉毅，陽曙光，李為民.臨近空間及其在防空反導作戰中的應用分析［J］.現代防御技術，2007(12):18－21.