飛艇應急通信系統在抗災救援中的重大應用*

顧文愷 王大華

(1.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)(2.海軍工程大學訓練部 武漢 430033)

飛艇應急通信系統在抗災救援中的重大應用*

顧文愷1王大華2

(1.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)(2.海軍工程大學訓練部 武漢 430033)

分析表明,我國現有的應急通信系統均不能良好地滿足抗災救援的需求。為了解決此問題,論文提出了一種利用飛艇搭載應急通信設備構成的飛艇應急通信系統,對系統的結構和功能進行了設計,對系統中飛艇的飛行高度、通信頻率的選擇、天線設計要求、通信覆蓋范圍等技術指標進行了分析和計算。該系統不僅在滿足抗災救援過程中應急通信需求上具有多方面的突出優勢,并且在信息化條件下的軍事應用方面也有著廣闊的前景。

飛艇; 應急通信; 抗災救援

Class Number TN925

1 引言

我國近年來自然災害頻發,多次重大的自然災害,造成了重大的人員傷亡和經濟損失,非戰爭軍事行動越來越頻繁。災害發生以后,地面固定網絡通信設施遭受嚴重破壞,由此引發災區與外界的通信中斷,阻礙救援工作的有效開展。因此,災后的通信應急快速恢復已經成為抗災救援任務順利完成的重要需求。加強應急通信系統[1]建設,確保災區的通信暢通對于確?？篂木仍ぷ鞯目焖儆行ч_展以及安定民心、穩定秩序具有極其重大的意義和作用。

目前我國常用的應急通信手段[2]有移動應急通信車、衛星電話以及空投衛星基站等,但均存在顯著的局限性。移動應急通信車的載荷量很小,搭載的硬件設備十分有限,因此通信覆蓋范圍較小;地震等自然災害發生后,隨之發生的山體滑坡、泥石流等次生災害將導致道路的坍塌或阻塞,此時移動應急通信車無法進入災區,根本無法發揮作用。衛星電話的數量有限,普及度很低,無法滿足大量用戶的通信需求。衛星基站則需要由專業技術人員進行調試后才可以使用,要求技術人員與基站設備一同抵達災區,所以也常常無法滿足應急通信的需要。

綜上所述,當發生重大自然災害時,現有的傳統應急通信手段根本不能滿足災區的通信需求。為此,本文設計了一種新型的飛艇應急通信系統,能夠在災害發生后的短時間內為受災地區提供全面、快速的通信保障。

2 飛艇應急通信系統設計

2.1 系統功能設計

1) 具備多種通信能力。系統具有衛星通信、微波通信、短波通信三種通信能力,能夠滿足多種通信需求。

2) 語音通信功能。能夠建立飛艇平臺與抗災救援指揮中心之間的專用語音通信信道;能夠恢復災區人民的手機通信;能夠建立應急電臺進行應急廣播。

3) 視頻監測功能。系統搭載高清視頻采集設備,能夠將災區的視頻情況及時傳送給抗災救援指揮中心。

4) 視頻會議功能。能夠在飛艇平臺和抗災救援指揮中心之間進行視頻會議,方便指揮中心布置抗災救援任務,指導抗災救援工作。

5) 導航定位功能。飛艇應急通信系統具有導航定位功能,能夠協助救援人員進行導航和定位。

2.2 系統結構設計

飛艇應急通信系統主要由通信子系統、視頻采集子系統、導航定位子系統三部分構成,其組織結構如圖1所示。

圖1 飛艇應急通信系統組織結構

飛艇[3]由專業飛艇駕駛員駕駛,并搭載技術人員操控通信設備,在恢復災區人民群眾通信服務的同時協助完成抗災救援的其他任務,如對災區進行實時視頻采集、救援指揮和對傷員進行緊急救援等。

通信子系統是飛艇應急通信系統最重要的部分,其中的衛星通信功能主要為救援人員與抗災救援指揮中心之間的專線通信提供保障,具有高質量的話音通信和高速數據傳輸功能。短波通信功能主要用于建立應急電臺,實現災區的應急廣播。微波通信功能主要幫助恢復災區人民的手機通信。飛艇的飛行高度很高,因此可以實現較大面積的通信覆蓋,通過在飛艇上搭載不同運營商的基站設備,使飛艇成為空中蜂窩移動通信基站[4],借助微波通信設備與地面移動交換機建立微波通信鏈路,進而接入移動通信網絡,恢復災區人民的手機通信服務。

視頻采集子系統主要進行現場情況的視頻采集以及幫助建立視頻會議。導航定位子系統對飛艇進行飛行導航和位置定位,幫助飛艇在最短的時間內飛抵任務區域。

圖2 飛艇應急通信系統微波通信鏈路圖

3 相關技術分析

3.1 飛行高度及頻段選擇

目前,國內外廣泛開展對平流層通信[5]的研究,文獻[6]提出了一種利用浮空平臺在平流層進行應急指揮通信的方法,但浮空器在平流層的滯空技術尚未有效解決,因此無法滿足實際的需要。而在對流層區域,載人飛艇可以較為平穩地懸停在空中,擔負應急通信系統的全部使命任務為災區提供穩定的通信覆蓋。因此,本系統中飛艇應急通信平臺的飛行高度應選在對流層(3000m～5000m)及以下空域。

對流層位于大氣的底層,與地面相接,集中了75%的大氣質量和90%以上的水汽。大氣中包含的氧、水汽(包括水汽凝結成的云霧以及降水)等物質會吸收電波能量,從而對電波的傳播產生影響。因此電波頻率的選擇應當考慮大氣對電波衰減的影響。

根據國際電聯無線電通信部門《ITU-R P.676-8建議書》中介紹的無線電波在大氣氣體中衰減的計算方法,對不同頻率的無線電波在干燥空氣和水汽中的衰減分別進行計算和仿真。其仿真結果如圖3所示。

從圖中的曲線可以看出,無論是在干燥空氣和水汽中,大氣對無線電波的吸收作用均隨著頻率的增加而增大。對于10GHz以下的頻率,干燥空氣對其吸收衰減較小,而50GHz以上的波在大氣中的衰減較為嚴重。

圖3 無線電波在大氣氣體中的衰減仿真圖

考慮到該系統中兩條中繼轉發鏈路的中繼距離都比較長,因此飛艇應急通信系統中的兩條中繼轉發鏈路的頻率應使用10GHz,該頻率的電波大氣衰減程度較小,傳播距離較遠,并且能夠獲得較寬的通信頻帶和較大的通信容量。對于災區的移動用戶,飛艇應急通信平臺為其提供語音和短信等業務,因此蜂窩網部分的通信頻段應與GSM移動通信的工作頻段相一致。

3.2 天線要求

由于對流層距離地面的高度較低,在蜂窩網組織通信的部分,要求飛艇搭載的天線必須具有較寬的波束張角才可以覆蓋較大的通信區域,但天線張角過大將導致波束增益的降低,因此,飛艇平臺應選用多波束天線[7],從而在受災區域形成若干高增益的窄波束,共同覆蓋較大的區域,并且每個波束覆蓋的區域之間應有少許的重疊,以保證對通信區域的無縫隙覆蓋。飛艇與通信衛星、地面固定基站之間則選用相應的微波天線。此外,由于該系統中存在多條信號傳播路徑,會造成接收信號的多徑衰落[8],而圓極化天線具有良好的抗多徑反射和雨霧干擾的能力,在幫助消除多徑衰落的同時還能減少由飛艇運動產生的對通信設備的影響,因此飛艇天線應采用圓極化設計,以提高通信的穩定性和可靠性。

3.3 通信覆蓋幾何范圍

考慮大氣的折射作用,對地球半徑作等效處理。

R=Kr

(1)

K為等效地球半徑因子。根據氣候條件的不同,K的取值也不同。

圖4 飛艇平臺通信覆蓋范圍示意圖

圖4為飛艇平臺通信覆蓋范圍示意圖,取地球半徑r=6370km,則在溫帶地區的地球等效半徑

根據圖中的三角關系進行計算。

(2)

(3)

因為R?h

因此,

(4)

由于β很小,此時

(5)

覆蓋半徑

(6)

飛艇飛行高度h=3km,則可以計算出幾何覆蓋半徑r≈226km

4 飛艇應急通信系統的巨大優勢

1) 機動性好。飛艇起降和飛行均不受地形限制,可在災害發生后的第一時間飛抵災區上空,立即構建災區與外界的通信聯絡。

2) 覆蓋面積廣。與傳統地面基站相比,飛艇的飛行高度較高,天線覆蓋面積增大,可為大范圍的受災地區提供通信服務。

3) 頻道寬、載荷量大。飛艇可搭載大尺寸載荷,相當于大型空中移動基站,與災區周邊未被損壞的固定站相配合,可以滿足大量用戶的通信需求。

4) 穩定性好。與利用飛機搭載通信設備構成的空中應急通信平臺相比,飛艇的飛行更為平穩,且具有長時間定點留空能力,其多普勒效應小,對通信設備的影響小。

5) 功能多,可擴展性好。集語音通話、視頻監測、實時定位、應急廣播、高速數據傳輸等功能于一體,為抗災救援指揮部開展抗災救援工作提供多種信息支持。

6) 綠色環保。飛艇飛行由于空氣浮力的作用,大大減小了發動機的消耗功率,節能環保,是極有發展前途的綠色飛行器。

5 結語

綜上所述,飛艇應急通信系統在抗災救援等非戰爭軍事行動中可以發揮重大作用。同時必須看到,飛艇應急通信系統在國防和軍隊現代化建設等領域也有著極其廣闊的發展空間,它的推廣應用具有非常重大的軍事效益,是貫徹落實黨中央關于提高應對多種安全威脅,完成多樣化任務能力指示的有效途徑,而構建的軍民融合的先進裝備技術平臺,更將大大提高軍隊在信息化戰爭[9～10]條件下實施軍事行動的能力。因此,飛艇應急通信系統是國防建設、國家防災減災和應急救援體系值得優先發展的重大項目。

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Significant Application of Airship Emergency Communication System in Disaster Relief

GU Wenkai1WANG Dahua2

(1. Electronic Engineering Department, Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (2. Training Division, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Analysis demonstrates that our existing emergency communication system can’t satisfactorily meet the needs of disaster relief. To solve this problem, the airship emergency communication system which consist of an airship equipped with emergency communications equipment is presented in this paper. The structure and function of the system is designed. The altitude of airship, communication frequency selection, antenna design requirements, communications coverage and other technical indicators are analyzed and calculated. This system not only has many outstanding advantages but also has broad prospects in the emergency communications needs, in military applications of information technology.

airship, emergency communication, disaster relief

2014年4月10日,

2014年5月29日

顧文愷,男,碩士研究生,研究方向:系統工程。王大華,男,教授,研究方向:系統工程。

TN925

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.016