临近空间通信

2024-06-18

临近空间通信（共10篇）

临近空间通信篇1

一、临近空间的概念与特点

临近空间(near space),是指海拔20km到100 km的区域,如图1所示。临近空间区域有如下特点:在平流层层内水汽、杂质很少;非常干燥,湿度接近于零;温度变化小,近似恒温。适合浮空器和采用吸气式动力的飞行器平稳飞行,这极有利于临近空间通信平台的放置和“生存”[1]。

二、临近空间通信的概念与特点

利用临近空间平台搭载高空通信中继设备,为平台覆盖区域内的用户提供无缝接入式网络服务,包括信息传输与交换、态势信息分发、时空基准等多媒体通信业务能力,该通信方式称为临近空间通信。和卫星通信系统相比,临近空间通信具有高容量、高频谱利用率、时延小、路径损耗小、等优点;和地面通信系统相比,临近空间通信具有超大覆盖、抗干扰、低功率等优点;另外它还具有稳定性好,传输速率快,节约频率资源、易维护、易升级、成本低、可迅速建设、在发生地震等灾难时所受影响小等优点[2]。

三、临近空间通信系统的构成

临近空间通信系统基本组成如图2所示。它将一个载有大量通信设备的飞行器长时间稳定地保留在平留层的某一固定位置,作为通信的中继站或交换中心,并与地面控制设备、入口设备以及多种无线用户终端构成可提供各种固定、移动、宽带、窄带通信业务的移动通信系统[3]。

临近空间通信系统由地面应用、运控和空间三部分组成。地面部分由地面站和众多的各种通信终端组成,直接和用户连接;运控部分包括基站、交换中心、控制中心站等;用户终端之间的通信利用平台进行也可通过基站转接。基站与操作中心和公共电交换电话网连接;空间部分有单个平台或多个平台组成,起中继或交换作用。多平台的空间部分通过平台间链路或地面链路构成空间网络。搭载通信设备的飞艇平台是保持稳定的,利用飞机作为空间通信平台时则按一定规律巡航。总之平台始终定位于覆盖区域上空[4]。

临近空间平台通信系统利用Ka频段(20/30 GHz)或毫米波频段进行通信,频谱资源丰富,能实现大容量或宽带多媒体通信,该频段也便于和3G、4 G移动通信兼容,构成和地面蜂窝相互配合的通信网。

四、临近空间平台通信系统的关键技术

临近空间平台通信系统在地球表面形成蜂窝状服务小区,服务区内用户可以随时接入系统,它的最终目标是支持任何人,任何时间、任何地点以任何方式进行信息交流。其绝不仅仅是作为地面通信网的补充,而且还要在人们的日常生活中发挥前所未有的影响。特别在救灾、战争等突发应急通信中将起着不可替代的作用。当然,这些目标的实现必定需要一些关键的技术来支撑,包括SOA、异构网络技术、软件无线电技术、切换技术等。以下针对这些关键技术进行研究说明。

(1)SOA技术,云平台SOA(service-oriente darchitecture)是一个面向服务的体系结构组件模型,它将应用程序的不同功能单元(称为服务)通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。接口独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言,采用中立的方式进行定义。这使得各种服务可以以一种统一和通用的方式进行交互。按照服务类型大致可以分为三类:将软件作为服务的Saa S、将平台作为服务的Paa S和将基础设施作为服务的Iaa S。它的两个重要特性是分布式和虚拟化并为云平台注入了巨大的活力。SOA是云计算的关键支撑技术、云计算是SOA的重要应用场景。目前SOA已经进入了稳步发展时期,SOA技术应用必将对临近空间通信注入新的活力[5]。

(2)异构网络技术,临近空间通信系统中引入的异构节点类型包括,无线射频拉远(RRH),有X2接口和网络规划的微蜂窝基站(pico),无X2接口和无网络规划的家庭基站(He NB),以及带有回传链路的无线中继(relay)。异构网络的场景,优先级排序是宏蜂窝+室内He NB,宏蜂窝+室外pico,宏蜂窝+室内pico,以及其他的场景。

异构网络技术可以解决异构网络中存在的干扰问题,将成员载波分成两组,一组用作数据和控制发送,另外一组主要用作数据发送,数据部分可以采用下行干扰消除技术。非载波聚合技术的增强小区间干扰消除,主要的方案包括功率设置方法,时域干扰消除和频域干扰消除方法。临近空间通信系统引入了时间域以及功率控制的方法,大大提高了抗干扰性能。

(3)软件无线电技术,对于空间通信而言,软件无线电技术使通信系统摆脱了硬件结构的束缚,不用再担心平台上硬件结构的功能的局限性,因为硬件整体功能可由软件控制以适应不同情况,在系统结构相对通用和稳定的情况下,用一个具有可扩展性的平台,可以满足多模式、多标准的切换要求;另一方面,从本质上讲,软件无线电技术是实现除天馈线和A/D、D/A以外的所有收发单元的数字化处理,包括数字调制、解调、变频、滤波器设计以及带通采样,尽可能减少模拟环节。通过软件编程实现不同的保密结构、网络协议和控制终端功能等。

由于空间通信系统中毕竟平台不是可实时受人近距操控的,并且在空间通信系统中,系统功能主要是组网协议、网络结构、多址方式和通信业务等,而且设备功能主要是信道编码方式、调制解调方式、信息速率、复用方式、信源编码方式和接口标准等,便于用软件来定义,从而可采用软件无线电技术。首先,将A/D/A与RF/天线端(即空间通信的各种地面站)的距离尽量缩短;并且在A/D/A前后,通过DUC(Digital Up Converter)过程即把“复”基带(Baseband)信号转换为“实”带通(Passband)信号,并调制到中频载波,便于在信道中传输以及与其相反的DDC(Digital Down Converter)过程来保持信号原状;然后用高速的DSP/CPU(可编程能力强的器件)代替传统的专用数字电路与低速DSP/CPU做之后的一系列处理;于是就可以在远离基站的地方为整个通信系统的功能用程序定义,并通过友好的人机界面,在不改变硬件设备的情况下实时地改变通信系统的功能,从而使该系统能适应各种应用环境,因而具有很强的适用性和灵活性[7]。软件无线电技术的处理结构可用图3表示[6]。

4.4切换技术

临近空间通信系统是由通信链路将空间平面上的通信设施在地面形成蜂窝状服务小区,用户可随时接入系统。它能大幅度减少传输时延和路径损耗,因而特别适合提供话音、图像等实时交互业务,可用手持机等便携式移动用户终端。在临近空间通信系统中,作为中继结点的通信平台处于高空中,所有处于该覆盖区的地面站都可以通过通信设施与其他站(一个或多个)进行通信。虽然处于覆盖区内的所有地面站都能访问空间站,但由于空间通信的频率和功率资源比较宝贵,这些资源通常由系统中的所有用户共享,为了支持尽量多的用户而又能保证多种业务运用的服务质量等问题,切换技术是其中的关键技术之一[7]。

由于空间站相对地面高速运转,对于一个已经建立起来的通信链路,也很有可能发生链路中断。因此,需要进行切换来保障呼叫的继续进行。在一个呼叫持续时间内,临近空间通信系统要求地面终端与空间间频繁地进行切换。因此,切换技术的好坏将直接影响到切换频率、频率利用率、切换延时、最大瞬时仰角、呼叫阻塞率、Qo S保证等,这也是切换时要研究的重点[8]。

五、结束语

随着科学技术的进步和人类信息社会飞速发展的需要,要想实现全球通信,确保无缝链接,发展临近空间通信是重要举措之一,它具有高速率、大容量、高保密、抗干扰的性能,而且通信链路比光纤及光缆成本低得多,并且在应对突发灾害、反恐等应急通信保障方面有着较大的优势,商业前景也十分广阔。总的来看,临近空间通信技术已经取得了较大的成果,其系统性能正逐渐向高可靠性、高数据率和小型化方面发展。相信在不久的将来,随着国家和社会的逐渐重视和投资力度的加大,我国的临近空间通信技术很快将有跨越式的发展。临近空间通信作为现代通信的一项新技术,必将为人类生活做出重大贡献。

摘要：为了满足现有的通信设备跨越复杂地形进行大范围和远距离通信的需求,提出了临近空间通信系统。该系统具有多频段,多制式、多信道、超视距、覆盖范围大和管理使用方便等优点,是解决复杂条件下通信瓶颈问题的一种有效手段,在未来的通信中将发挥重要作用。本文对临近空间通信的关键技术进行了总结概括。

关键词：临近空间,通信,关键技术

参考文献

[1]孙振强,高空平台通信系统的最新进展[J].专家视角.2011,12:7-9

[2]欧阳向京,陈树新.临近空间通信平台及其军事应用[J].火力与指挥控制,2012,37(2):163-166

[3]童志鹏,曹黄强,王晓钧.以科学发展观统领平流层平台信息系统的发展[J].装备指挥技术学院学报,2007,18(1):1-5

[4]李俊,郝成民,贾仁耀,刘湘伟.对临近空间平台的信息对抗问题研究[J].导弹与航天运载技术.2011,6:23-26

[5]薛一波等.云内容的安全框架及其关键技术[J].中兴通信技术,2012,18(4):18-22

[6]吴伟陵.移动通信中的关键技术.北京:北京邮电大学出版社,2012

[7]刘立强,韩斐.一种基于空中平台中继的通信系统的设计[J].计算机与网络,2008,16:37-38

[8]黎建波.下一代无线通信关键技术研究[J].长沙通信职业技术学院学报2012,11(1):1-6

临近空间通信篇2

临近空间飞行器发展与应用分析

临近空间是航空航天领域新的研究热点.凭借其突出的特点,临近空间飞行器具有广阔的`应用前景和巨大的军事价值.介绍了临近空间及临近空间飞行器的概念与特性,论述了临近空间飞行器的发展现状和趋势,分析了临近空间飞行器的应用前景,对临近空间飞行器与空天一体化的关系进行了探讨.

作者：李怡勇李智沈怀荣 LI Yiyong LI Zhi SHEN Huairong 作者单位：装备指挥技术学院,航天装备系,北京,101416刊名：装备指挥技术学院学报 ISTIC英文刊名：JOURNAL OF THE ACADEMY OF EQUIPMENT COMMAND & TECHNOLOGY年，卷(期)：200819(2)分类号：V11关键词：临近空间临近空间飞行器空天一体化

临近空间成战场侦攻防新阵地篇3

目前，各国装备和在研的形形色色的临近空间飞行器，主要用于完成侦察监视、远程打击、反导预警等作战任务，此外还用于完成通信中继、力量投送等保障任务。

在侦察监视方面，临近空间侦察平台最突出的优势就是留空时间长，非常适合用于对固定目标或特定区域进行长时间连续监视。同时，由于临近空间侦察平台运行于航空空间和航天空间之间，因此可以执行对地对天双重监视任务，既可以用于对地面目标进行侦察监视，也可以承担对航天器的持久观测。如美军的“集成传感器结构”飞艇计划利用搭载的有源相控阵雷达可以远距离跟踪敌方地面部队和低空飞行的巡航导弹，雷达探测范围达到600千米。

在远程打击方面，临近空间超高声速打击兵器可在极短时间内向全球任何目标发起攻击。美军的临近空间超高声速打击兵器是美国常规快速全球打击计划的重要部分，既包括临近空间巡航打击兵器，也包括临近空间助推-滑翔式打击兵器。尤其是其在研的X-51A超高声速飞行器的试验成功，意味着美军正在实现1小时打遍全球，这类武器不但能够打击固定目标，还能够打击临时出现的时间敏感目标，以达到全球瞬时打击的效果。

在反导预警方面，临近空间预警平台具有视野广阔、反隐身和探测超低空目标等方面的优势，可以有效克服预警机续航时间有限、预警卫星机动性不足，以及地面预警雷达作用距离短的缺陷。美国展开的高空飞艇项目就是专门服务于导弹防御系统中的预警功能。按照构想，美国将至少在其太平洋和大西洋沿岸部署10艘此类飞艇，每艘飞艇上都装备有可覆盖直径1200千米圆形区域的监视雷达和其他传感器，以监视任何飞向北美大陆的弹道导弹和巡航导弹目标。

在通信中继方面，临近空间通信平台作为战场高空通信中继平台，可以比卫星接收到更强的通信信号，且不受电离层反射的影响接收更宽频段的通信信号。因此，能够不受地形的限制实现大容量、大范围的超视距通信，从而成为天基、空基和陆基通信手段的有效补充。特别是以浮空器为代表的临近空间飞行器具有留空时间超长的优势，很适于担负战区级广域通信中继任务。如美国海军在研的“高空中继路由器”就是用于战场通信中继的临近空间气球平台，在两万米的高空可以实现322千米的通信距离。

在力量投送方面，以飞艇为代表的临近空间飞行器可以用于重型装备和物资，甚至作战部队的大范围、高机动投送。美国众议院拨款委员会曾于2014年8月要求国防部重启一项重型混合飞艇的演示验证项目，其最终目标是研发可到达全球的货运飞艇。这种货运飞艇是目前世界上最大的大型运输飞艇之一，总体积约为1.7万立方米。而今年6月16日，美国的洛克希德·马丁公司在巴黎航展上公布了新型混合式重型运输飞艇计划，载重量达到20吨，可以满足军民两用的运输需求。

未来，随着临近空间相关技术的进一步发展，临近空间飞行器可能会担负更多的战场重任，在战略上发挥更大作用，甚至催生出新型作战和军事理论。各国对这一新军事高地的战略经营也将愈加重视。

被遗漏的战场——临近空间篇4

所谓临近空间, 是指距地面20～100千米的空域。其下面的空域是传统航空器的主要活动空间, 我们通常称之为“天空”;其上面的空域是卫星等航天器的运行空间, 就是我们平常说的“太空”。迄今为止, 临近空间还只是个学术概念, 一直没有公认的“官方定义”, 过去有人称其为“亚太空”“超高空”“高高空”等。

临近空间的自然环境十分严酷, 它空气稀薄、气温极低, 还有严重的臭氧腐蚀和强烈的紫外线破坏, 但气象状况远不如航空空间那样复杂, 雷暴闪电较少, 也没有云、雨和大气湍流现象。由于它比太空低很多, 到达那里的难度、费用和风险自然也小得多;而它比天空又高很多, 对于情报搜集、侦察监视、通信保障以及对空对地作战等, 都有很好的前景和潜力。近年来, 临近空间的军事战略价值已逐渐引起各国军方的关注和重视, 各种临近空间飞行器也因其潜在的军用价值而成为研究发展的热点。

临近空间飞行器是指主要在临近空间区域内飞行并完成特定任务的飞行器, 而在临近空间所跨越的三类大气层 (平流层、中间层、热层) 中, 目前已有许多国家提出了多种临近空间飞行器的发展方案, 具体主要有平流层飞艇、浮空气球、高空长航时无人机、高超声速巡航飞行器以及亚轨道飞行器, 等等。

临近空间飞行器具有许多特点和优势。首先是效费比高。气球、飞艇等临近空间平台以氦气作为上升动力, 不需要复杂昂贵的地面发射设备, 其研制成本、发射成本和使用成本均比卫星低得多。廉价的浮空器每个耗资仅1000美元, 带上过载战术或战役高端临近空间平台, 耗资也不过数百万美元, 而“廉价”的卫星却要耗资上亿美元。其次是机动性能好。临近空间飞行器既可以简单地随风漂浮, 也可以机动或悬停, 具有良好的可控性。而高超声速巡航飞行器以及亚轨道飞行器, 在未来战争中可达到先发制人和远程快速全球打击的目的。三是灵敏度和分辨率高, 技术难度较低, 易于更新和维护。由于可接收到卫星接收不到的低功率传输信号, 所以对地观测的分辨率通常比卫星高。其缺点是视野小, 难以实现全球覆盖。四是留空时间长。临近空间飞行器可延长几十倍甚至几百倍 (一般可达到1年) , 同时可对紧急事件迅速作出反应, 而且人员保障少、后勤负担轻。五是生存能力强, 隐身性能好。目前世界上绝大多数的作战飞机和地空导弹都无法达到临近空间的高度, 因而无法对其构成威胁。由于气球或软式飞艇的囊体采用非金属材料, 雷达散射截面小, 且外形光滑, 几乎没有雷达回波和红外特征信号, 其可见光特征在天空的背景中基本被淹没, 所以很难被探测到。

临近空间飞行器在区域情报搜集、监视、侦察、通信中继、导航和电子战等方面均显出独特的优势, 甚至可作为电子干扰和对抗平台, 对来袭飞机和导弹等目标实施攻防对抗。

有军事专家预测, 临近空间飞行器加入陆、海、空、天信息网络系统后, 必将进一步加速新军事变革多元化、一体化进程, 从而对国家安全体系提出新的挑战;世界军事强国一旦介入临近空间, 新一轮军事斗争将随之激烈展开。

(摘自《百科知识》2009年3月上半月)

【阅读训练】

1.什么叫临近空间?

2.用简洁的语言概括第 (3) 节的内容。

3.第 (4) 节主要采用了哪些说明方法?

4.临近空间飞行器有哪些特点和优势?

5.纵观全文, 说说作者为何称“临近空间”为“被遗漏的战场”。

《被遗漏的战场——临近空间》参考答案:

岁末临近　降价临近篇5

年轻人之选

戴尔Vostro A840(R521093CN)采用了14.1英寸宽屏设计，晶钻烤漆工艺的外壳不仅拥有炫丽外观，还能有效防止笔记本被划伤。功能上，它采用的英特尔奔腾双核T2390处理器(主频1.86GHz)、1GByte内存及120GByte硬盘堪称主流配置，遗憾的是它并没有搭载独立显卡，而是采用了GMA X3100集成显卡。目前此款产品报价4300元左右。

海尔T621-T3200G20250BgH采用14.1英寸宽屏设计，外观较之海尔的前代产品更加时尚，在机身顶盖利用漾印技术设计的抽象风格图案，更迎合时尚年轻人的审美标准。功能上，它采用英特尔奔腾双核T3200处理器(主频2.0GHz)、9300M GS独立显卡、2GByte内存及250GByte硬盘，整体配置均衡，是一款不折不扣的优质产品。目前此款产品的报价5600元左右。

清华同方锋锐X410A-03火影笔记本采用14.1英寸宽屏设计，红与黑的颜色搭配以及顶盖上神秘古老的火影图腾标志，可以充分彰显使用者热情、狂放的独特气质。配置方面，其采用英特尔奔腾双核T2370处理器(主频1.73GHz)，搭载的ATI Mobility Radeon HD2400独立显卡足够满足用户处理图形图像和玩主流游戏的需求。而5600元上下的报价也比较实惠。

临近空间电子设备热设计篇6

随着科学技术的迅猛发展和未来信息化作战概念的不断演化, “临近空间” (20~100km高度的空间) 这一人类过去较少涉足的空域, 其战略价值逐渐受到关注。与卫星相比, 临近空间飞行器的优点是效费比高、机动性好、有效载荷技术难度小、易于更新和维护。与传统飞机相比, 临近空间飞行器的优点是持续工作时间长。传统飞机的留空时间以小时为单位, 临近空间飞行器的留空时间则以天为单位, 目前正在研制的临近空间平台预定留空时间长达6个月。由于临近空间环境独特 (空气稀薄, 气温极低、气压低、臭氧和太阳辐射强, 平均风速低) , 使得在临近空间工作的电子设备的热设计具有其独有的特性。本文针对临近空间大功率电子设备的热环境特性和工作要求, 分析了常用散热方案的特点, 提出了合理的冷却方案, 对热控系统进行设计, 并通过计算和试验验证, 满足了设备的散热要求。

1问题分析

某功放设备热负荷为300 W, 尺寸为150mm×300mm× 30mm, 工作高度为海拔20km, 安装在飞行器内部平台上, 航行速度为40节。工作时热功率密度为18 W/cm2, 局部热流密度过大, 如果不能及时把设备产生的热量带走, 会造成芯片短时间快速升温, 从而超出设备允许的工作温度, 无法工作。因此必须采用有效的热控措施, 保证功放正常工作。

1.1热环境特性分析

在海拔20km高空处, 气温-56.5℃, 大气压力约5 500Pa, 密度为0.088kg/m3, 大气很稀薄, 密度约为地面的7%, 气流以水平运动为主, 垂直对流运动很弱, 大气风速随纬度、季节和时间变化, 评价约10m/s;此外, 空间大功率电子设备还要承受来自太阳短波辐射及地球—大气系统长波热辐射的外热流, 其中太阳辐射强度约为1 300 W/m2, 地球表面平均长波热辐射强度约为220 W/m2[1]。

一些学者经过大量试验证明[2]:在高空20km高度时, 在3m/s的来流风速下, 一块0.01m高的翅片表面结构的肋片式散热器, 翅片的对流散热量明显大于底板的对流散热量, 而翅片和底板对深空的辐射散热量最低, 如图1所示。因此, 最终热沉为高空大气, 主要换热方式为对流换热。

1.2散热方案

以对流换热为主的常用冷却方案有自然冷却、强迫风冷散热、液冷散热等。

1.2.1自然冷却

自然冷却适用于发热量不大、风路顺畅、热流密度较低的情况, 一般不需要外动力, 仅利用散热器、通风孔、百叶窗及发热设备的合理布局, 通过传导、辐射、自然对流将热量散发到大气热沉, 是最简单和最经济的方法, 适用于发热量不大或体积要求不高的电子设备[3]。

1.2.2强迫风冷散热

强迫风冷散热主要是借助于风扇强迫器件周边空气流动, 从而将器件散发出的热量带走的一种方法, 该散热方法操作简便、收效明显。风冷散热主要通过提高风速、改善气流紊流程度来增大对流换热系数, 此种散热方案的优点为重量轻、体积小、结构简单、可靠性较高。

1.2.3液冷散热

液冷散热是对电子元器件采用液体冷却的方法进行散热。液体冷却包括直接冷却和间接冷却。间接液体冷却法就是液体冷却剂不与电子元件直接接触, 而热量经中间媒介 (如冷板等) 从发热元件传递给液体, 液体经过散热器降温后通过水泵的抽吸运送到冷板, 往复循环使用 (图2) 。液冷散热以其高效、紧凑、噪声小等特点而得到了广泛的应用, 是高效冷却技术的研究热点。

1.3散热方案选择分析

高空20km空气密度仅为地面的7%, 要达到与地面同等的散热效果, 需要将风量或散热面积增大到地面的14倍。低气压条件下风扇容易损坏, 为了提高风量必然要加大风扇的体积和功耗。综合考虑后决定利用飞行器飞行时引入的冲压空气作为最终冷源。功放设备热流密度达到18 W/cm2, 功放散热量为300 W, 考虑空间热辐射, 取热负荷Q=400 W, 需要不间断连续工作, 超出了自然冷却能力的极限。由于舱内设备排布紧密, 无法将冲压空气引入有功放设备的有效散热位置, 因此采用液冷散热方案。微型液冷系统由泵、换热器、储液器和冷板组成。工作原理如图2所示:功放模块把热量传递给冷板, 冷板里冷却介质吸收热量升温后, 流经换热器进行换热, 通过冲压空气和换热器把热量散到外部空间, 冷却后的介质经泵回到冷板, 进行下一个循环。该系统的优点是液冷导热速度快, 换热效率高, 可以实现多个电子元件的同时冷却;另外, 散热器与功放设备可以分离, 布置比较灵活。

2液冷散热系统的设计

2.1冷却介质选择

产品运行环境为20km高空, 环境温度为-56.5 ℃, 为保证低温环境下冷却系统的正常运行, 同时满足介质热容量大的要求, 冷却介质选用65号冷却液。

2.2循环泵选型

根据液冷散热设计原则, 热负荷为400 W, 设计冷板进出口冷却介质温差3 ℃, 计算得到所需流量为2.7L/min。水系统阻力损失应为冷板阻力损失、管路阻力损失、换热器阻力损失之和, 考虑到低温状态下65号冷却液黏性较大, 水泵的扬程应选择0.3 MPa。

2.3冷板表面最高温度计算与仿真

在液冷系统中, 冷板与功放模块的散热表面紧贴, 主要作用是完成电子元件产生热量与冷却介质的热交换。冷板采用板翅式结构, 材料为铝合金LF21, 由上下盖板、封条及内部翅片组成。以三角肋翅片 (图3) 和锯齿翅片 (图4) 作为导流翅片, 起到导流、加强支撑、匹配流量的作用, 以错峰锯齿翅片 (图5) 作为换热翅片, 增强紊流程度, 加强局部换热, 冷板使用夹具整体钎焊而成。

根据钎焊内翅片冷板计算公式, 可得冷板基于一次表面的传热系数K为:

式中 , δ /λ 为导热热阻 ; R为污垢热阻 , 由于运行时间较短 , 可以不考虑为对流换热热阻。

根据设计要求, 冷板表面最高温度不允许超过70 ℃, 冷却液最高温度不超过47 ℃。将计算所得的冷板一次表面传热系数代入仿真软件ANSYS Icepak中, 得到冷板表面最高温度为65.3 ℃, 如图6所示, 满足温度要求。

2.4散热器设计

冲压空气的等效进气量约为0.004 5kg/s。根据公式S= 0.86/ (ΔT×a) , 求得散热面积需要0.8m3。散热器采用铜管铝翅片, 最大外形尺寸为50mm×50mm×300mm, 等效散热面积为1.15m2。

在低气压温箱内进行了相应模拟试验, 采用拓普TP9000温度测试仪测量表面温度。试验结果证明, 冷板表面最高温度为69.2 ℃, 实测数据与计算数据接近, 满足模块技术指标要求, 满足临近空间环境特性需要。

3结语

针对临近空间的环境特点和功放设备的实际散热要求, 对不同散热方式进行了分析, 选择了合理的散热方案;对微型液冷散热进行了相关设计计算, 利用冲压空气作为最终冷源, 使用不同种类翅片搭配, 设计制作了满足换热要求的冷板。相关计算和试验表明, 该系统满足功放散热要求, 可为同类产品的热设计提供一定的指导。

参考文献

[1]马伟, 宣益民, 韩玉阁.临近空间飞行器热管理及热设计方法[J].宇航学报, 2009 (5)

[2]马伟, 宣益民, 韩玉阁.临近空间热环境分析及低速飞行器的热设计方法[J].宇航学报, 2010 (5)

临近空间通信篇7

临近空间通常是指距地面20 km~100 km的空域, 其下面的空域通常称之为“天空”, 是传统航空器的主要运行空间;其上面的空域通常称之为“太空”, 是宇宙航天器的运行空间。临近空间自然环境独具特点, 空气稀薄、气温低、具有臭氧腐蚀和强的紫外线, 万有引力定律和开普勒定律都不能发挥作用, 但气象状况远远好于航空空间, 并且它距地面与外太空相比又近很多[1]。因此, 此空间对于情报收集、军事侦察、通信以及对地对空作战都有很好的开发利用前景, 是将来具有重要军事战略价值的空域。

1 临近空间通信系统特点

临近空间通信系统主要是指利用临近空间的通信平台作为微波中继站, 与卫星、地面网络以及多种无线用户构成的通信系统。临近空间通信依托临近空间的巨大优势, 可为未来信息战争提供大容量、远距离、高质量和高机动性的通信保障服务。临近空间通信系统与其它通信系统相比, 有其独特的优势。

1.1 临近空间的通信平台特点

(1) 生存能力强, 成本低

临近空间平台距离地面20 km以上, 绝大多数的作战飞机和地空导弹都无法达到这一高度[2]。另外, 临近空间通信平台的外蒙皮材料一般为高强度织物, 内部的支撑采用碳纤维材料, 平台上使用太阳能电池提供能源, 有极其微弱的红外特征, 雷达和热反射截面积很小。所以, 生存能力很强。另外, 临近空间通信平台构造简单、可回收、不需要昂贵的火箭发射, 运行过程中也不需消耗大量燃料, 造价和维护费用相对较低, 其运行成本较低。

(2) 具有长期驻空能力

临近空间通信平台工作环境相对稳定, 利于平台可进行长期稳定的通信工作。临近空间通信平台在空气浮力和自身重力相等的条件下即可实现悬停, 再加上太阳能供电, 具备长期悬停的条件, 可在指定区域连续工作数天、数月或数年以上, 具有全天候工作能力, 并具有一定的机动能力, 可根据任务要求, 按需重新部署组网。

(3) 可实现快速部署

临近空间通信平台架设大多不需动力发射架, 可携带有效载荷随时应急升空, 实现快速机动部署。同时可按需移动位置, 完成任务后可安全回收。与卫星和传统飞机相比, 临近空间飞行器具有其自身的显著特点, 可以作为卫星和飞机的有效补充。

1.2 临近空间的通信系统特点

临近空间通信系统的出现被认为是通信领域的一种革命性变革, 虽然目前在国际电信联盟的划分中还属于地面通信范畴, 但今后它有可能成为地面通信和卫星通信之外的第三种通信系统。临近空间通信系统的主要特点如下:

(1) 路径损耗和信号延迟小

当临近空间平台高度处于30 km左右时, 处于电离层下, 避免了电离层的反射和折射衰减, 自由空间传播损耗和信号延迟小。根据通信链路计算方法可得知其路径损耗比低轨卫星少30 d B, 比静止卫星少60 d B, 传播延时仅为低轨卫星 (距地面800 km) 的二十分之一。因此, 它可以为低功耗的通信终端提供大容量、高速率的通信。

(2) 先进通信技术的应用

临近空间通信系统可以采用比卫星平台更先进的通信技术, 承载更复杂的有效载荷 (如交换机、路由器) 。因为没有云、雨、雾等对流层气象现象的影响, 在临近空间通信平台间除了建立微波中继链路, 还可以方便地构建激光通信链路, 构成大容量、高速率的通信网络。

(3) 通信覆盖范围广

临近空间通信平台与地面通信系统相比, 覆盖范围大, 其单个平台覆盖面积可达数百平方公里。为了增大通信覆盖可用多个平台进行组网, 实现覆盖更大的区域。处于20 km以上的临近空间通信载荷, 可使通信的覆盖半径达到500 km以上, 可以快速、可靠、经济地实现实时大容量宽带通信, 将有效弥补卫星通信和机载通信的不足, 增强战场无线通信整体效能。

2 临近空间军事通信系统需求分析

2.1 信息化条件下的军事通信要求和特点

信息化条件下的军事通信, 要求通信网系能够覆盖较大的作战区域, 适应战区指挥员全盘掌握作战态势。同时具有多种传输方式与冗余手段, 以提高系统的抗毁抗扰能力, 另外还要具有保密性、安全性和实时性等。

2.2 现有军事通信手段存在的不足

在信息化条件下的现代战争中, 现有的地面通信网系和卫星通信系统已经很难胜任复杂的战场环境。现有的微波通信传输距离十分有限, 通信距离只有几十公里;短波电台可以实现较大距离的传输, 但信道质量差, 传输的稳定性、抗干扰、抗截获性较差, 难以胜任传输高可靠性、大容量的数据。其它的通信方式, 如卫星通信, 通信时延长, 实时性不好, 且抗毁抗扰能力有限。因此, 现有的各种通信手段都存在着这样或那样的不足, 这些不足正好可由临近空间通信进行补充或增强。

2.3 临近空间军事通信的应用

临近空间通信将地面超视距通信转化为视距通信, 可以克服微波、短波受地形环境影响的缺点, 实现远距离、大范围、高质量、超宽带的通信, 提高通信系统的稳定性和可靠性。其短延时、低损耗、高机动、低成本等优势是现有通信系统无法取得的, 也可以克服卫星通信不适宜区域通信的缺点。因此, 开发临近空间军事通信系统, 对提高战场通信能力、解决现有通信难题、增强通信系统整体效能都具有十分重大的意义;临近空间通信也为更经济、有效地建设战场无线通信系统提供新的解决途径。

3 临近空间军事通信的应用前景分析

长期以来由于认识和技术上的局限, 致使临近空间在军事通信应用上存在着空白。因此, 从军事应用上看, 在战时情况下通过使用近空间平台作为通信中继, 使指挥系统可与地面机动作战部队保持持续的通信联系, 特别是当作战部队活动在通信不便的地区时, 各平台间还能通过激光数据链或卫星链路组成高速互联网络。

3.1 在通信中继中的应用

临近空间通信不受地形限制, 可实现超视距通信, 对稀路由、大容量、大范围的军事通信有着特别的意义。临近空间通信平台在距地面20 km以上, 其通信的视距覆盖直径为1 000 km, 比常规的散射通信、移动通信和微波接力通信等地面无线电系统传播范围大一个或数个量级, 可有效地完成战区指挥、协同与机动通信。与卫星通信相比, 其传输距离近, 传输损耗比卫星低60 d B, 可以实现小天线、低功率传输, 为区域作战提供指挥、通信中继服务。

多个临近空间平台可组成临近空间通信网络, 构成一个可覆盖较大区域的通信网络体系, 为更大区域的作战提供通信保障或用作卫星通信系统的备份, 增加整个战场通信系统的冗余度, 提高战场通信的抗毁能力。利用临近空间平台作为中继站和交换站, 在较大的作战范围内实现快速、高效的信息交换与控制, 形成临近空间的信息通道, 真正实现战场各作战单元的无缝连接, 提高战场态势感知能力, 增强作战打击效率。

3.2 在情报侦察中的应用

临近空间平台具备全天候、全天时工作能力, 能方便快速地在特定时间、特定空间部署小型低轨侦察监视有效载荷, 扩大覆盖范围, 并提高对特定作战区域的侦察监视能力。临近空间平台装上各种侦察传感器、全波段监听器可对战场情况及时监测、侦听, 也能够与预警飞机和侦察卫星构成全维一体的侦察体系, 有效弥补预警机飞行高度低、探测范围小、存在移动探测的技术误差, 以及侦察卫星系统综合费用高等不足, 发挥情报搜集的整体优势, 实现对目标区域的完全覆盖和全维监测[3]。

3.3 在电子对抗中的应用

临近空间在电子对抗中优势有许多, 电子战装备升空后有很大的升空增益。与传统地面电子战相比, 临近空间在电子对抗中的优势:一是临近空间平台的工作高度要比传统的空中电子战平台高3~10倍, 作用距离能达到600~1 000 km, 作用范围要大得多;二是临近空间平台的持续工作时间更长, 因此能保持长期持久侦察监视和干扰;三是近空间平台的高度与卫星相比, 要低很多, 如果用同样的发射功率进行干扰, 干扰的效果要比卫星高很多;四是工作高度高于绝大多数现役武器的攻击高度, 完成任务的成功率较高。

3.4 在导航定位中的应用

临近空间在导航定位方面也具有很高的开发利用价值, 在战时, 临近空间平台独立组网, 可独立构建区域导航定位系统, 也可作为卫星导航定位系统的增强和补充。

4 结束语

临近空间作为科技与军事应用的新领域, 一些关键技术已经获得突破, 以临近空间平台为基础的临近空间军事力量正在成为世界新军事变革的一个热点[4]。军事通信经过多年来的发展, 已在地面通信、卫星通信以及深空通信等方面取得了长足的进步, 理论和技术已渐成熟, 研究表明利用临近空间通信可有效解决现有军事通信手段的缺陷。随着新技术的不断突破, 开发和利用临近空间资源必将成为今后信息作战能力新的增长点。可以预见, 在不久的将来, 以临近空间平台为基础的各种军事应用将成为参与未来空间信息对抗及服务国家安全的重要领域。

摘要：从临近空间平台通信的概念和特点出发, 分析了临近空间平台通信在军事通信中的优势, 针对临近空间平台通信的特点, 提出了临近空间军事通信系统在军事通信中的需求, 并对如何发挥临近空间平台通信的优势, 增强战场总体通信效能作了分析。最后, 对临近空间通信在军事通信中的应用前景进行了分析。

关键词：临近空间,通信,平台

参考文献

[1]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.

[2]吴德伟, 景井, 李海林.临近空间环境对高超声速飞行器导航系统的影响分析[J].飞航导弹, 2012 (12) :73-80.

[3]陈大庆, 刘丹, 张哲, 等.临近空间飞行器地面雷达组网优化仿真分析[J].飞行器测控学报, 2012 (06) :27-31.

临近空间通信篇8

所谓临近空间, 是指距离地面20～100千米的空域[1]。其下面的空域是传统航空器的主要活动空间, 通常称之为“天空”;其上面的空域是卫星等航天器的运行空间, 就是平常说的“太空”。由于它比“太空”低很多, 到达那里的难度、费用和风险自然也就小得多;而它比“天空”又高很多, 对于情报收集、侦察监视、通信保障以及对空对地作战等, 都有很好的前景和潜力。

利用临近空间平台为作战机群提供通信中继服务, 通过一跳, 可实现多个作战机群之间以及作战机群与后方指控中心之间的超视距通信;同时在各个作战机群内部通信出现故障或受到干扰时, 也可作为机群内部各作战飞机之间通信的备份, 使机群之间能够及时共享战场信息, 合理分配火力资源。论文建立的这个体系结构对于在现代空战条件下提高战场指控中心对作战机群以及作战机群之间协同作战效能的分析与评估具有重要意义。

1 临近空间通信网的网络结构

基于作战机群的临近空间通信网主要由临近空间平台、作战飞机、指挥控制中心三部分组成, 通常采用星形网络结构, 其示意图如图1所示。

1.1 临近空间平台

临近空间平台主要用于搭载通信载荷。其上的通信载荷主要是转发器。转发器分为透明转发器和处理转发器两大类。透明转发器接收地面发来的信号后, 不作任何加工处理, 只是单纯地完成转发的任务, 它对工作频段内的任何信号都是“透明”的通路。处理转发器除进行转发信号外, 还具有信号处理功能, 包括从上行频率到下行频率的频率变换, 对数字信号解调再生, 使噪声不会积累, 进行ATM交换等。

1.2 作战飞机

作战飞机作为临近空间通信网的终端用户, 其上搭载有移动通信终端设备和小口径天线。移动通信终端设备通过小口径天线接入临近空间通信网, 实现作战飞机之间的通信。其体积、重量、功耗均较小, 天线的尺寸外形要求也较严格, 天线波束应能随用户的移动保持对临近空间平台的指向, 或是全方向性天线波束。

1.3 指挥控制中心

指挥控制中心是临近空间通信网的主站, 一般设在战场后方, 并通过地面网络与战场信息中心连接。指控中心使用大型天线, 主要由天线馈线设备、发射设备、接收设备、信道终端设备等组成, 配有高功率放大器、低噪声放大器、上/下变频器、调制解调器及数据接口设备等。其实现的主要功能有:接收作战飞机提供的侦察和战场态势, 并及时上报到战场信息中心;将战场信息中心的情报和指控命令及时下达到作战飞机;监测网络链路质量、调整发射功率;管理作战飞机的事件处理和告警;实施作战飞机的状态监控和故障诊断等。

2 临近空间通信网的协议结构

从该通信网的网络结构可以看出, 它既可以看成是指挥控制中心对作战机群的命令下达的星状网结构, 又可以看成是作战机群之间进行战场态势共享通信的网状网结构。参考开放系统互连体系 (OSI) 协议栈模型和数据链的通信协议模型[2], 结合作战机群战场通信的实际情况, 提出该通信网的协议结构如图2所示。

2.1 作战飞机通信终端协议结构

作战飞机通信终端参考OSI标准七层协议栈模型, 设计为四层, 即物理层、链路层、处理层和应用层。各层实现的具体功能如下:

①物理层

物理层主要完成数字信号传输功能, 为上一层提供一个物理连接, 以便透明地传输数据流。它将链路层送来的数字信号, 经过变频放大后, 向其他网内单元发送;同时接收其他网内单元传来的信号, 还原成数字信号, 送到链路层作进一步的处理。本层由无线收/发信机、调制/解调器及天线等设备组成。

②链路层

链路层将处理层送来的格式化消息经过成帧处理后, 送到物理层;同时接收物理层上传的数字流, 经过分帧后, 恢复成为格式化消息送到处理层进行处理。它由逻辑链路控制子层 (Logical Link Control, 简称LLC层) 和媒体接入控制子层 (Medium Access Control, 简称MAC层) 组成。LLC层主要用来组帧、进行差错控制;MAC层主要用来实现网络同步、多个终端对临近空间信道的接入以及用户协议与临近空间通信网多址协议的转换。本层主要由数字处理模块、组网协议处理器、通信控制器等设备组成。

③处理层

处理层把本机上的传感器、导航设备和指挥控制系统等产生的战术信息格式化为标准的消息, 通过由链路层和物理层组成的终端设备经临近空间平台转发给其他相关的入网单元;恢复和处理接收到的格式化消息, 转换为战术信息送到本平台武器系统的控制器或自动控制装置、指控系统的显示装置或人机接口。本层的主要功能包括数据过滤、综合、加/解密、航迹信息管理、时间/空间信息基准统一、报告职责分配、显示控制、消息格式形成等。

④应用层

应用层主要完成战术信息收集和作战指令落实的功能, 主要由传感器、武器控制系统、导航设备、自动驾驶仪、电子战系统、综合显示设备等组成。这些设备是产生信息的源头, 或是使用信息的终点。

2.2 临近空间平台协议结构

临近空间平台搭载有处理转发器等有效载荷, 不仅提供透明转发, 还具有处理功能, 因此它主要由物理层和链路层组成。

①物理层

临近空间平台处理系统的优势在于可以对上行链路和下行链路单独设计, 这样上行链路噪声就不会累积到下行链路传输, 在给定发射功率的条件下, 减少了传输差错的产生。该层主要由不同频率的收/发信机、调制/解调器及天线等设备组成。

②链路层

链路层实现对临近空间信道资源的分配, 与作战飞机通信终端类似, 主要由LLC层和MAC层组成。它可以根据作战用户终端消息的传输情况 (是否发生碰撞) 或作战用户终端业务量的大小, 完成对信道资源的合理调度。

3 临近空间通信网的作战性能指标

临近空间通信网的作战性能评价指标, 主要是基于覆盖范围、工作频段、传播时延、系统定时、多普勒频移、自由空间传输损耗等方面的效能来确定的。

3.1 覆盖范围

不考虑大气折射等非线性因素, 视距通信的覆盖范围R可以表示为

undefined

式中, RE表示地球的半径6378 (千米) , h为临近空间平台高度 (千米) , α为地面与临近空间平台之间的仰角 (弧度) 。

若计算临近空间平台在作战飞机作战飞行高度 (H千米) 的覆盖范围, 则式 (1) 可再修正为

undefined

假设作战飞机的飞行高度为H=10千米, 则通过式 (2) 可得不同的临近空间平台在10千米高度球面的覆盖范围表, 如表1所示。

从表中可以看出, 临近空间平台在作战飞机飞行高度球面内的覆盖区域随着平台高度的增加而增大。

3.2 工作频段

无线通信系统工作频段的选择是个十分重要的问题, 它将影响到系统的传输容量、端站及转发器的发射功率、天线尺寸及设备的复杂程度等。综合各方面考虑, 目前大多数卫星通信系统的工作频段选择在UHF, L, C, X, Ku和Ka频段。临近空间通信网工作频段的选择可以参考卫星通信系统。

国际电联ITU曾以平流层高空飞艇为代表, 对临近空间平台通信业务的频段做出了明确划分[3]。从ITU的规定出发, 临近空间平台的通信频段应选择27.5～28.35GHz (下行) /31.0～31.3GHz (上行) 的Ka频段。从实际应用角度考虑, 中国未必拘泥于ITU的划分, 但是结合其他因素综合考虑, Ku、Ka频段应该是最好的选择, 主要有以下几点原因[4]。

①高频段有助于减少数传误码率

由于载频f0的提高, 使得相对带宽B/f0减小, 从而在相同的传输带宽B内, 使高频段射频前端的相频特性线性度和幅频特性均匀性提高, 有利于减小数传的误码率。因此, 工作频段不宜采用UHF, L, C, X等低频段, 应重点发展Ku, Ka这样的高频段。

②接收信噪比较高

从理论上讲, 当天/地系统的天线口径、系统噪声温度和发射功率都不变, 频率提高N倍, 则地面接收电平将提高20 lgN。可见, 高频段接收信噪比高的优势还是很显著的。

③有利于设备小型化

高频段的设备更易小型化、轻量化, 特别是天线可以减小, 设备耗电也将减小, 从而更加有利于飞机搭载。

④抗干扰能力强

像Ku, Ka这样的高频段, 相对于L, S, C等低频段, 针对它研制“干扰机”的难度较大。因此, 从抗干扰的角度考虑, Ku, Ka频段优于UHF, L, C, X等低频段。

综合以上因素考虑, Ka, Ku频段都是较好的选择。但相对于Ku频段, Ka频段电磁兼容性更好一些。因为Ka是一个较新的频段, 这个频段的电子设备相对较少, 故受其他设备干扰的可能性较小, 对其他设备干扰的可能性也较小。而Ku频段通信卫星资源比较丰富, 可能会受到卫星通信的干扰。因此, Ka频段是临近空间通信网的首选工作频段, Ku频段可作为备用/应急频段。

3.3 信息传播时延

信息传播时延主要取决于两个通信节点之间通信链路的长度。当主要考虑作战飞机利用单个临近空间平台进行转发的单跳时延时, 信息传播时延Δt可以简单的表示为

undefined

其中, RE表示地球的半径6378 (千米) , h为临近空间平台高度 (千米) , H为作战飞机的飞行高度 (千米) , c为信息传播的速度约为3×105 (千米/秒) 。

若以高度为100千米的临近空间平台为例, 当飞机飞行高度为10千米时, 信息传输时延约为7.2毫秒, 已经达到毫秒级。单个平台转发、单跳的时延尚且如此, 若再考虑转接多个平台或是经过地面指控中心转发的多跳, 时延会更大。在瞬息万变的信息化战场上, 时间对战争的胜负起着至关重要的作用。因此, 信息传播时延作为临近空间通信网的重要指标, 在系统设计时要重点考虑。

3.4 系统定时

系统定时或者说网同步问题是现代通信系统体制的一个关键问题。这涉及到通信终端开始发射突发时, 怎样保证该突发正确地进入指定的时隙, 而不会误入其它时隙造成干扰, 也就是所谓的初始捕获问题;当正常工作时, 又要保证各时帧之间维持精确的时间关系, 也就是所谓的时帧同步问题。

对于基于作战机群的临近空间通信网, 可以有两种解决方案:

①指定基准站

采用类似于卫星通信网的同步方案, 在每一时帧的初期, 指定一架作战飞机或是地面指控中心作为基准站发送基准突发, 通过临近空间平台转发作为系统定时。

②利用导航设备的授时系统

目前可用的较成熟的就是GPS导航系统, 但战时高精度的GPS的授时系统很大可能不能使用。为了不依赖于GPS的授时同步, 可以考虑采用北斗导航定位系统进行授时。随着我国卫星导航系统的发展以及在电力系统的成功应用, 北斗导航定位系统可以保证各无线网络节点的时间同步维持在几十纳秒的级别。

3.5 传输损耗

临近空间通信链路的传输损耗包括自由空间传播损耗、大气吸收损耗、天线指向误差损耗、极化损耗和降雨损耗等。其中主要是自由空间传播损耗。

①自由空间的传播损耗

若用d表示临近空间平台与作战飞机的之间距离, 则工作频率为f的电磁波在自由空间的传播损耗为

Lf=92.44+20 lg d+20 lg f (4)

其中, Lf的单位为dB, d的单位为km, f的单位为GHz。

若作战飞机的飞行高度H=10km, 临近空间平台的高度h=100km, 工作频率f=30GHz, d可近似为H和h之差即90km, 因此, 传播损耗Lf=171.52dB。

②其他损耗

大气损耗包括对流层中氧和水分子对电磁波的吸收衰减以及电离层引起的衰减, 随着电磁波频率的变化而变化, 一般为几个dB;天线指向误差产生的损耗一般为0.5dB;极化损耗一般为0.25dB。相比于自由空间传输损耗, 这些损耗较小, 可以考虑在自由空间传输损耗的基础上加以修正。

3.6 多径衰落

电磁波在移动环境中传播时, 会遇到各种物体, 经反射、散射、绕射, 到达接收天线时, 已成为通过各个路径到达的合成波, 即多径传播模式。各传播路径分量的幅度和相位各不相同, 因此合成信号起伏很大, 成为多径衰落。在基于作战机群的临近空间通信网中, 由于飞机的速度和高度比地面移动站大得多, 除直射波外, 还有来自地面或海面较广范围的非正常反射波 (杂散波) , 相对于直射波有较大的传播延迟。因此, 在系统设计和分析时也要加以考虑。

3.7 多普勒频移

由于作战飞机处于高速移动中, 势必与临近空间平台之间存在相对运动, 由于多普勒效应, 接收端收到的发射载频就会发生附加频移, 称为多普勒频移。其理论表达式如下:

undefined

其中, fd为多普勒频移量, f0为发射信号频率, v为作战飞机的飞行速率, c为光速。

因此, 接收端收到的发射载频为附加多普勒频移量后的信号频率, 即

undefined

多普勒频移对采用相关解调的数字通信危害很大, 因此在系统设计中要充分考虑, 进行相应的补偿。主要处理方法有:①终端——临近空间平台闭环频率控制;②临近空间平台多普勒频移校正;③链路接收端的预校正;④链路发送端的预校正。

3.8 多址接入协议

在临近空间通信网络中, 为保证每个作战飞机都能顺利的入网/出网, 且能够共享带宽有限的无线信道, 需要设计一种竞争型的多址接入协议, 以便适应动态组网的需要。传统的多址接入协议主要分为固定分配多址接入协议 (如TDMA, FDMA, CDMA等) 、按需分配多址接入协议 (如PRMA, DAMA等) 和随机分配多址接入协议 (如ALOHA, CSMA等) 。固定分配协议中, 每个终端固定分配一定数量的带宽, 适用于终端数量有限和业务负载稳定的网络, 难以适应突发业务;按需分配协议中, 根据需求为每个终端分配系统资源, 适用于相对稳定的数据传输如语音和视频业务, 但是并不太适用于宽带低时延业务;而随机接入协议能支持突发业务和未定比特率业务, 比较适用于动态的网络拓扑结构, 但其在高信道负载下由于碰撞概率的增加性能显著下降。因此, 没有单纯的一种协议可以满足临近空间通信网对移动终端接入性能的需求, 因此需要结合多种协议来设计。譬如将随机分配与按需分配结合起来的随机预约/按需分配多址接入协议 (RA/DAMA) 等。

4 结束语

本文根据临近空间通信网的特点, 设计了基于作战机群的临近空间通信网网络结构和协议结构, 并对影响网络作战性能的指标进行了分析与讨论, 从而完成了基于作战机群的临近空间通信网的体系结构设计, 为下一步的建模仿真提供了完整的参数配置和重要的理论依据。

摘要：在未来空战中, 为实现作战机群之间的超视距通信, 提出将临近空间通信平台引入战场。首先结合作战机群战场通信的实际情况, 设计了临近空间通信网的网络结构;在此基础上, 参考开放系统互连体系 (OSI) 协议模型和数据链的通信协议模型, 设计了临近空间通信网的协议结构;最后对影响临近空间通信网络作战性能的指标进行了评估, 结果表明临近空间通信网体系结构的设计具有工程上的可行性。

关键词：作战机群,临近空间通信网,体系结构,性能评估

参考文献

[1]何彦峰.浅析临近空间平台的军事应用[J].国防科技, 2007 (6) :34-37.

[2]骆光明, 杨斌, 邱致和, 等.数据链——信息系统连接武器系统的捷径[M].北京:国防工业出版社, 2008.

[3]吴佑寿.新一代无线通信体系 (上) [J].中国无线电管理, 2003 (6) :3-8.

[4]柴霖.临近空间飞行器测控与信息传输系统频段选择[J].航空学报, 2008, 29 (4) :1007-1012.

[5]王久辉, 赵博, 蔡青青.基于OPNET的临近空间通信网仿真研究[J].通信对抗, 2009 (1) :45-50.

[6]王秉钧, 王少勇.卫星通信系统[M].北京:机械工业出版社, 2004.

[7]朱子行.临近空间通信网多址接入协议研究[D].西安:空军工程大学, 2010.

[8]朱子行, 梁俊, 赵辉.基于TDMA的临近空间通信网MAC层协议仿真[J].电讯技术, 2009, 49 (6) :19-22.

[9]钱雁斌, 陈性元, 杜学绘.临近空间网络安全切换机制研究[J].计算机工程与应用, 2008, 44 (15) :18-21.

临近空间伪卫星定位精度仿真分析篇9

临近空间是指距地面20～100 km高度之间的空域。临近空间平台在耗资、滞留时间、覆盖区域、响应性、灵活性、分辨率和生存性等方面都具有非常显著的优势。利用临近空间飞艇构建伪卫星星座, 战时可以快速发射、快速部署。提高卫星导航系统的可用性、连续性、精度和可靠性, 满足战时应急导航定位需求。

美国国防预研计划局提出GPX (The Global Positioning Experiments) 伪卫星计划[1], 该计划采用战场上空7 km处的4驾无人机来构建伪卫星星座, 试验后取得了较好的效果。而临近空间飞艇可在20～30 km高空布设 (有关资料显示, 20～30 km是飞艇作为伪卫星布设的“黄金空段”) , 比无人机有更大的覆盖区域、更长的滞留时间, 且不容易被攻击。因此研究基于临近空间的伪卫星具有更好的军事意义。

1基于临近空间的伪卫星部署

当导航卫星全部不可用时, 由多艘 (4艘以上) 临近空间飞艇在战场上空独立组成伪卫星星座, 配合地面的控制设备, 可确保向区域用户提供正常的导航定位服务。基于临近空间飞艇的伪卫星可显著提高卫星导航系统各种条件下的可用性和可靠性指标。

根据文献[2], 假设由用户与4颗观测卫星所构成的六面体的体积为V, 则几何精度因子 (GDOP) 与该六面体体积的倒数成正比, 即GDOP∝ (1/V) 。经仿真计算表明, 在由用户至4颗卫星的观测方向中, 当任意两方向之间的夹角接近109.5°时, 其六面体的体积为最大。但是在实际观测中, 为了减弱大气折射的影响, 所观测卫星的高度角不能过低, 所以必须在这一条件下, 尽可能使所测卫星与用户所构成的六面体的体积接近最大。通常认为, 在高度角满足上述要求的条件下, 当1颗卫星处于天顶、而其余有3颗卫星相距约120°时, 所构成的图形结构较佳, 对应的GDOP较小。

以上分析可作为基于临近空间飞艇的伪卫星布局的依据。伪卫星最佳布局方案为:一艘飞艇位于基准站或定位中心位置的正上方 (高度角90°) , 高度为30 km;另外3艘飞艇均匀的分布于服务区的周边上空, 高度角取10～15°, 彼此间的方位角之差取120°, 高度为20 km, 根据覆盖区域和最小高度角的要求, 3艘飞艇间距约为86 km。由飞艇组成的伪卫星星座最佳布局如图1所示。

2伪卫星定位精度仿真分析

2.1伪卫星精度因子的计算

在伪卫星定位中, 定位精度是人们最为关心的问题之一。GPS定位精度受诸多因素的影响, 其中, 较为关键的因素之一是伪卫星的几何分布。伪卫星几何分布好, 定位精度相应地就高;反之, 定位精度就低。几何精度因子是反映定位精度与卫星几何分布关系的关键指标。

设通过4颗伪卫星定位得到的用户位置和时钟偏差的误差矢量dX=[dx, dy, dz, dl]T, 伪距误差矢量dρ=[dρ1, dρ2, dρ3, dρ4]T, 它们的关系可线性化成如下简单式子:

dX=G-1Udρ。

式中, GU是由用户到卫星视线方向余弦矢量Ei= (li, mi, ni) T, i=1, 2, 3, 4构成的矩阵, GU= (E1, E2, E3, E4) T, 只要4颗星不在同一平面内, GU必可逆。分析定位误差的方差E{dXTdX}可知:当4个伪距误差统计独立, 并有同样的方差σ2时,

$\begin{array}{l} [G D Ο Ρ_{C}]^{2} = t r a c e [(G_{U}^{- 1})^{Τ} G_{U}^{- 1}] = \sum_{i = 1}^{4} d_{i i}, \\ \sqrt{\sum_{i = 4}^{4} d_{i i}} = \frac{\sqrt{\sum_{i = 4}^{4} d_{i i} \sum_{i = 4}^{4} d_{i i} L_{k i}^{2}}}{d e t L} 。 \end{array}$

式中, dii (i=1, 2, 3, 4) 为协方差矩阵GU的主对角线元素;Lki为L对应行列式的代数余子式。

L矩阵的表达式为:

式中, E1, E2, E3, E4分别为在当地水平坐标系下4颗伪卫星的高度角;A1, A2, A3, A4分别为在当地水平坐标系下4颗伪卫星的方位角。

以顶座星的星下点为坐标中心, X轴为在东西方向到中心点的距离, Y轴为在南北方向到中心点的距离。用户的活动范围设定在X、Y轴-50～50 km之内。经过仿真计算, 图2 (a) 给出了伪卫星星座覆盖区内用户在不同位置时GDOP的取值情况。可以看出:用户在中心位置时, GDOP最小, 随着用户远离中心位置, GDOP逐渐变大。用户活动半径与GDOP的关系如图2 (b) 所示, 从图2 (b) 可以看出, 用户在以26 km为半径的活动区域内, GDOP均小于5。

2.2伪卫星的定位误差源分析

伪卫星系统定位误差源可以分为3类:与伪卫星有关的误差;与观测有关的误差;与接收机有关的误差。与伪卫星有关的误差包括自身定位误差和星历外推误差;与观测有关的误差包括伪卫星钟差、对流层延迟误差和多路径延迟误差;与接收机有关的误差主要包括接收机钟差、天线相位中心误差和接收设备噪声等因素带来的误差。基于临近空间的伪卫星误差源与GPS误差源的不同之处是没有电离层的误差, 因为伪卫星 (飞艇) 的飞行高度在电离层以下。

2.2.1 星历误差

伪卫星自身定位精度直接影响其星历的精度, 由于飞艇在临近空间中受到各种扰动的影响 (主要是风的影响) , 其位置并非静止不变。随着飞艇控制技术的改进, 目前, 飞艇的位置可被控制在5 m范围之内。通过导航卫星的定位, 其自身的定位精度可达到1 m, 星历外推误差小于0.5 m。

在伪卫星定位中, 飞艇的位置偏差直接传给用户, 引起用户的定位误差。当伪卫星位置 (xj, yj, zj) 有 (δxj, δyj, δzj) 的误差时, 将引起用户的定位误差为δρ $_{i}^{j}$ =l $_{i}^{j}$ δxj+mjiδyj+njiδzj。

现设伪卫星坐标的均方差为σxj, σyj, σzj, 则引起用户距离的方差为:

$σ ρ_{i}^{j} = \sqrt{(l_{i}^{j} σ x_{j})^{2} + (m_{i}^{j} σ y_{j})^{2} + (n_{i}^{j} σ z_{j})^{2}}$ 。

近似认为:

σxj≈σyj≈σzj≈σj, ,

则因

(l $_{i}^{j}$ ) 2+ (m $_{i}^{j}$ ) 2+ (n $_{i}^{j}$ ) 2=1,

得

σρ $_{i}^{j}$ =σj。

由此可知, 伪卫星坐标误差引起的距离误差约等于卫星各坐标误差的平均值, 飞艇位置坐标均方差为1.5 m, 那么引起用户定位误差为1.5 m。

2.2.2 星钟误差

在利用伪卫星进行导航定位时, 需要实现伪卫星间的时间同步。伪卫星上有一台原子钟维持稳定的时间基准, 通过GPS卫星授时来实现与GPS的时间同步, 进而实现伪卫星间的时间同步。原子钟的准确度和稳定度在近年得到了极大发展, 几乎是每5年就提高一个数量级[3]。因此, 用高精度原子钟来计时是相当准确的。表1列出了常用原子频率标准的准确度。

考虑到飞艇经济的可承受性, 选用价格较低的铷原子钟。在时间同步中, 经过钟差改正之后, 定时精度可保持在20 ns (1σ) 之内, 引起用户定位误差不超过6 m (1σ) 。

2.2.3 对流层延迟误差

电磁波受对流层折射的影响与电磁波途径上的大气温度、湿度和气压有关[4]。大部分的水蒸气都集中在高度不超过40 km的高空, 当电磁波穿过对流层时, 传播速度将产生变化, 从而引起传播延迟。在天顶方向的传输路径中可以产生2 m的误差, 在低于10°仰角的传输路径中可以产生20 m的传输误差。因此来自于低仰角的伪卫星信号, 在以较长的路径穿过对流层时要受到更为严重的影响。

目前采用的对流层延迟改正模型较多, 主要有Saastamoinen模型、Hopfield模型、WAAS模型和EGNOS模型。其中应用最为广泛的是Hopfield模型[4]。其计算公式为:

$δ ρ = \frac{Κ_{d}}{\sqrt{\sin (E^{2} + 6.25)}} + \frac{Κ_{w}}{\sqrt{\sin (E^{2} + 2.25)}}$ 。

式中,

$Κ_{d} = 155.2 \times 10^{- 7} \frac{Ρ_{s}}{Τ_{s}} (h_{d} - h_{s});$

$Κ_{w} = 155.2 \times 10^{- 7} \frac{4810}{Τ_{s}^{2}} e_{s} (h_{w} - h_{s})$ 。

其中, hd=40136+148.72 (Ts-273.16) (m) ;hw=11000 (m) ;Ts, Ps, es分别为观测站上测量的气温、气压和水汽压。气温Ts采用热力学温度, 以开尔文为单位;气压Ps和水汽压es以100 Pa为单位。而δρ, hd, hw均以m为单位;仰角E以度为单位, hs为观测站的高程。采用Hopfield模型进行改正后误差可控制在1 m (1σ) 之内。

2.2.4 其他误差

在采用伪卫星定位时, 用户接收机除接收直接来自伪卫星方向的信号外, 还接收到其他物体反射回来的信号, 由于它们的传播路径不同, 从而使信号延迟, 产生多路径误差[7]。多路径影响主要与接收机附近反射物的几何形状有关, 与伪卫星的高低角有关。因此, 应该尽量把接收机放在远离反射物的位置, 保证伪卫星仰角在10°以上。目前, 加拿大NovAtel公司改进接收机的软件和硬件, 研制出了多路径消除技术MET (Multipath Elimination Technique) , 可以减少多路径误差60%。不久, 紧接着开发出了多路径延迟锁相环路MEDLL (Multipath Eliminaing Delay Lock Loop) 技术, 进一步减少多路径误差90%[5]。伪卫星采取抗多径技术, 用户可以将多路径误差控制在1.5 m (1σ) 左右。

现在的用户接收机的相位中心偏差一般在2 mm左右, 可忽略不计。接收机的内部噪声主要是由于接收机硬件不完善引起的[6], 接收机噪声和分辨率误差可控制在1.0 m (1σ) 之内。

由于各种误差源产生的误差具有复杂的频谱特征, 部分误差源之间还存在相关性, 为了使问题简单化, 通常认为它们是非相关的, 用户最终的定位误差用各误差的方差计算得出。用户等效测距误差 (UERE) 如表2所示。

2.3伪卫星定位精度分析

根据以上得到的GDOP和测距误差, 便可计算用户的位置误差为:

用户位置误差 (1σ) =GDOP×测距误差 (1σ) 。

通过计算得到用户在活动半径内的定位误差如图3所示。可以看出, 用户在以18 km为半径的活动区域内, 位置误差均小于20 m。

3结束语

临近空间伪卫星在战时可以快速发射、快速部署, 满足战时应急导航定位需求。通过仿真计算可知, 伪卫星星座的GDOP随着用户活动半径的增大而增大, 在星座最佳布局的情况下, 当用户的活动半径不超过26 km时, 可以获得较小的GDOP (GDOP<5) ;用户定位误差是由多种误差源引起的, 其中星钟误差所占比例最大, 可通过配备精度更高的原子钟降低伪卫星的星钟误差;用户位置误差与星座的GDOP以及测距误差有直接关系, 用户在半径为18 km的活动区域内, 位置误差小于20 m, 可通过建立基准站进一步减小定位误差, 满足更高的定位精度要求。

参考文献

[1]徐芸.军用伪卫星飞行试验结果[J].导航与雷达动态, 2003 (4) :21-28.

[2]杨光, 何秀凤, 华锡生.采用GPS伪卫星技术提高定位精度的研究[J].河海大学学报 (自然科学版) , 2004, 32 (3) :276-278.

[3]张靖.GPS导航卫星星地时间同步技术的仿真研究[D].西安:西安电子科技大学, 2007:21-30.

[4]袁建平, 罗建军, 岳晓奎, 等.卫星导航原理与应用[M].北京:中国宇航出版社, 2003.

[5]郭杭, 余敏, 薛光辉.GPS多路径效应实例计算与分析[J].测绘科学, 2006, 31 (5) :95-98.

临近空间通信篇10

临近空间飞行器具有飞行时间长、机动性好,但内部空间狭小、总体重量控制严格、舵的转动惯量大等特点。这些特点对其姿控系统的执行机构——伺服系统,提出了新的要求。伺服系统一方面要具备瞬时大力矩、高速度的输出能力,另一方面要求组成简单、安装方便、维护性好,同时具备高比功率的特点,以满足安装空间狭小、重量轻的要求。机电伺服系统以其组成简洁、操作简单、生产周期短、维护方便,较为符合上述要求。

作为机电伺服系统的重要组成部分——伺服电源,能否实现高比功率和高比容量的设计要求,即在较小的体积和重量条件下,为伺服系统提供长时间、瞬间大功率电能,是机电伺服系统实现上述功能要求的前提条件。

本文首先分析了机电伺服系统的工作原理,在此基础上分析了机电伺服系统的用电要求,最后结合实验研究的结果,提出了实现伺服电源轻小型设计的主要技术途径。

1 机电伺服系统工作原理及用电要求

机电伺服系统是一种按照上级系统指令要求,在规定约束条件下(幅值、相位),将负载(舵/喷管)摆到规定位置的随动控制执行系统。图1为其组成原理框图,伺服控制驱动器根据输入的位置指令信号和当前的位置反馈信号,按照自身的控制算法,通过内部变换,控制电源的输出,从而控制伺服电机的运转,通过机械传动机构,最终对负载的位置控制。

从图中可以看出,伺服电源是在伺服控制驱动器的控制下向伺服电机输出电能,电机将接受的电能转化为机械能对负载做功。因此伺服系统的负载特性及控制驱动器的特性与电源呈紧密的耦合关系,其用电要求具有典型的如下特征:

(1)要求电源具备较高的放电倍率

机电伺服系统负载波动较大,最大负载和平均负载相差很大,要求伺服电源具有输出瞬间峰值电流的能力强,即具备高倍率放电能力。

(2)电源输出电压的稳定性要求较高

与其它用电设备相比,临近空间伺服系统在某些时刻既要求电源输出较大的电流以产生较大的输出力矩,又要保持较高的电压,以保证伺服系统的动态响应,因此电源电压的稳定要求较高。

(3)工况变化范围大

作为临近空间飞行器较长时间飞行过程中,姿态变化较大,导致伺服系统输出功率变化范围大,相应要求电源输出电流的变化范围大。

(4)抗反灌冲击能力强

机电伺服系统在工作过程中会频繁出现换向、频繁加减速的现象,导致电机频繁处于发电和用电两种状态,因而电源频繁承受高电压的反灌电流的冲击。

2 机电伺服系统电源轻小型化的技术途径

通过以上分析可知,影响临近空间飞行器机电伺服系统电源轻小型设计的主要因素是:要求电源的放电倍率高;负载工况变化范围大;电源电压精度要求高。同时满足这些特殊要求给化学电源轻小型设计带来了较大难度。

本文首先将伺服控制驱动器的特点融入到伺服电源设计和伺服电源管理的研究中,改进控制驱动器的控制策略,降低了对电源峰值电流的需求;其次采取再生制动的方式,对再生电能进行有效吸收,并合理利用,一方面降低了电池的容量需求,另一方面,进一步降低了对电池峰值放电能力的需求;最后采用组合电源的形式,放宽了对电池输出电压波动范围的要求,通过采取以上技术措施,有效降低了机电伺服电源的体积和重量。

2.1 改变控制策略降低电源峰值电流的要求

降低电源的峰值电流可有效降低电源的放电倍率,是降低电源体积和重量的重要途径之一。峰值电流一般发生在机电伺服系统在暂态特性和高频运动以及大负载的情况下。通过改变控制策略,对机电伺服系统的最大加速度和最大速度以及系统位移进行有效控制及优化匹配,有效降低了机电伺服系统对电源输出峰值电流的需求。

以暂态特性测试为例,要求机电伺服系统从零位以最短时间摆到最大位置,这说明机电伺服系统的最大角速度ωmax、最大加速度εmax和最大负载Tmax均会在该时间段出现,若这三个变量同一时刻出现,则电源需要输出的峰值电流较大,若通过控制算法,在满足系统指标要求的前提下,合理分配三个变量出现的时刻,可有效降低峰值电流。以某机电伺服系统为例,通过改变控制策略和控制算法,对最大角速度和最大加速度及最大负载进行优化匹配,在满足伺服系统性能指标的前提下,电源峰值电流由项目研制初期的一百安培以上,目前降低至原来的三分之二左右,较大程度地降低了电源的设计难度。

2.2 再生电能的吸收和有效利用

机电伺服系统在高频换向和快速制动状态时,伺服电机会将部分动能转换成再生电能,在大负载惯量的条件下,这一情况更加明显。若不采取措施,这部分电能会以高压、大电流的形式反灌给电源,或者加在驱动器功率管两端,对电源或功率管造成损害。

一般电动汽车的再生能量占总能耗的30%左右[1],从图2母线电流的变化可以看出,再生能量占总能耗的比重将远高于电动汽车的30%。一般采用制动电阻将这部分再生能量消耗掉,但这种方法增加了机电伺服系统的能耗。

另一种方法是采用电容吸收的方式,将这部分再生电能存储起来,当电源需要大电流放电时,将这部分能量释放出来。这种方法具有如下优点:(1)提高了电能的利用率,有利于减小电源的体积和重量;(2)降低了电源的放电电流,减小了电源的放电倍率,减轻了电源的设计难度;(3)有利于抑制由于功率开关管的频繁开/断引起的电压高次谐波,提高了机电伺服系统和电源的可靠性。缺点是需要对电容的充放电进行控制,增加了电源管理的难度。

2.3 采用组合电源提高电源的综合性能

由于热电池和锌/氧化银等贮备电池具有使用简单方便,便于长期存储等优点[2],被广泛用作各种导弹伺服电源。但这些化学电源不能同时具备要求高比功率和高比容量的特点。将具有高比功率特点的电容器和高比容量的电池进行有机组合[3,4],是有效降低电池放电电流,实现伺服电源高比功率和高比容量的有效途径,在国内外该技术途径已经通过原理试验和工程实验得到验证[5,6]。

本文用高性能钽电容分别与锌氧化银电池及热电池进行匹配组合,均取得了较好的效果,既有效地降低了电池的峰值放电电流,也有效地吸收了再生电能,图2为采用钽电容和热电池进行组合,作为某伺服电源,在进行暂态实验时,监测到的电容器和热电池的电流变化曲线,粉色曲线(上部曲线)为热电池输出电流曲线,蓝色曲线(下部曲线)为钽电容器输出电流曲线。

可以看出,钽电容的使用,很大程度地降低了热电池的输出电流,热电池的输出电流(图中A点)不足伺服系统所需要的峰值电流(图中B点)的1/3,伺服系统所需的峰值电流主要由钽电容器提供。另外热电池电流曲线均为正值,说明反灌电流(蓝色曲线小于0的部分)全部由钽电容吸收。以上结果证明了将钽电容器与电池组合,对降低电池的设计指标具有明显的改善效果。

3 结束语

通过对机电伺服系统的工作原理的简要分析,结合临近空间飞行器总体对机电伺服系统的性能要求,分析了机电伺服系统的用电特性要求,结合实验研究结果提出了临近空间飞行器机电伺服系统电源轻小型设计的有效途径,为实现临近空间飞行器机电伺服系统电源轻小型化提供了技术参考。

摘要：根据临近空间飞行器的任务特点,分析了临近空间飞行器对机电伺服系统输出特性的要求,并对机电伺服系统工作原理进行了概括介绍,由此得到了临近空间机电伺服系统的用电特点,最后从机电伺服系统用电指标的匹配方法和电源设计的角度,提出了提高机电伺服系统用电效率、电源轻小型化设计的技术途径。

关键词：临近空间飞行器,机电伺服,再生电能,组合电源

参考文献

[1]张好明.PHEV复合电源及Halbach永磁同步电机驱动技术的研究[D].徐州:江苏大学,2009.

[2]DavidLinden,ThomasB.Reddy.Handbook of Batteries[M].北京:化学工业出版社,2007.

[3]陈全世.先进电动汽车技术[M].北京:化学工业出版社,2007.

[4]关晓慧.间歇性可再生能源发电中的储能技术研究[J].能源与节能,2011(6).

[5]Stephen A.Merryman,Characterization of CDL_capaci-tor power sources for electrical actuation applications,http://scitech.calt.casc/qw.html,1998.

【临近空间通信】推荐阅读：

临近隧道07-25