安合志，李 萍，王蕾蕾，張文輝

(1.武警工程大學(xué)研究生大隊，陜西西安 710086;2.武警工程大學(xué)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(xiàn)有飛機的最高飛行高度和衛(wèi)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(qū)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(qū)域。在這個層次上部署的軍事裝備，上可威脅衛(wèi)星等天基平臺，下可攻擊航空器等空基平臺甚至地面目標(biāo)，并可完成通信、遙測、情報、偵察和監(jiān)視等各種軍事任務(wù)［2］。因此臨近空間以其自身的顯著特點，可以作為衛(wèi)星和飛機的有效補充。其巨大的軍事應(yīng)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(zhàn)應(yīng)用效能指標(biāo)的研究具有重要意義。

1 臨近空間平臺作戰(zhàn)效能指標(biāo)分析

作戰(zhàn)應(yīng)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(guān)于飛行器對作戰(zhàn)區(qū)域通信覆蓋能力的基本描述，是作戰(zhàn)應(yīng)用效能評價的首要指標(biāo);傳輸時延，是指兩個通信節(jié)點之間通信的傳輸時延;分辨率是關(guān)于飛行器對目標(biāo)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(xiàn)較大區(qū)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(yīng)用正弦定理可得，平臺的高度角為

通過高度角θ，可以推導(dǎo)出平臺對地面的覆蓋中心角為

再根據(jù)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(yīng)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(dǎo)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(qū)域內(nèi)，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(qū)域的半徑發(fā)生變化，仰角越大，實際可用區(qū)域半徑越小，一般地面天線在覆蓋區(qū)內(nèi)的仰角不少于5°～10°時，才能確保邊緣處的通信質(zhì)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(xiàn)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(dāng)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(guān)系如圖3所示，仰角在0°～10°的范圍內(nèi)，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(jié)點之間通信鏈路的長度。當(dāng)主要考慮地面站利用單個飛行器進(jìn)行信號中繼和轉(zhuǎn)發(fā)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(xiàn)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(dāng)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(guān)系如圖5所示，仰角在0°～10°的范圍內(nèi)，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(tǒng)的分辨力有關(guān)。設(shè)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(tǒng)分辨力為r，則

將軌道衛(wèi)星與80 km高空的臨近空間探測器進(jìn)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(xiàn)對目標(biāo)的高分辨率觀測。

表1 GEO，HEO，LEO預(yù)警衛(wèi)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(jīng)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(rèn)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(chǎn)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(guān)系，在300 MHz～10 GHz的頻段內(nèi)，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(fā)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(xiàn)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(dāng)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(guān)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(guān)系

圖7 傳輸損耗與信號頻率、地面天線仰角之間的關(guān)系

2 結(jié)束語

對臨近空間平臺的作戰(zhàn)應(yīng)用效能指標(biāo)進(jìn)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(jié)點和轉(zhuǎn)信平臺;另一方面空中傳感器系統(tǒng)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(jìn)行比較、分析和融合，提取最有用的信息發(fā)送給空中使用平臺;三是依托臨近空間偵察系統(tǒng)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(tǒng)的效能。隨著技術(shù)的不斷突破，臨近空間平臺的偵察能力將會進(jìn)一步提升，在未來戰(zhàn)爭中發(fā)揮重要作用，對現(xiàn)代戰(zhàn)爭態(tài)勢發(fā)展將產(chǎn)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(yīng)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(wǎng)仿真研究［J］.通信對抗，2009(1):45－50.

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

［5］ 劉毅，陽曙光，李為民.臨近空間及其在防空反導(dǎo)作戰(zhàn)中的應(yīng)用分析［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2007(12):18－21.