費東年 趙攀峰

中國電子科技集團(tuán)第38研究所，合肥 230088

基于浮空器的新型應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng)

費東年 趙攀峰

中國電子科技集團(tuán)第38研究所，合肥 230088

介紹了一種新型的機(jī)動式空中應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以機(jī)動式系留氣球和小型遙控飛艇為空中平臺，搭載各種通信、偵察、監(jiān)測等電子設(shè)備，具有快速靈活、機(jī)動性強(qiáng)、費用低廉等特點，能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，面對突發(fā)事件時可以快速布置到任何需要的地方。

機(jī)動式;系留氣球;飛艇;應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計

近年來，在我國境內(nèi)頻繁發(fā)生特大地質(zhì)、氣象和海洋災(zāi)害。災(zāi)害造成的破壞通常是毀滅性的，使電力系統(tǒng)、交通系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等陷入癱瘓(如圖1所示)。其中交通系統(tǒng)和通信系統(tǒng)無法在短時間內(nèi)恢復(fù)，給應(yīng)急救災(zāi)、公眾通信帶來極大不便，使人民生命財產(chǎn)損失進(jìn)一步加大。

圖1 自然災(zāi)害造成的破壞

為最大可能地挽救人民生命財產(chǎn)，全面部署救災(zāi)行動，恢復(fù)受災(zāi)區(qū)域無線通信及提供最前沿的災(zāi)情報告成為所有工作開展的前提和重中之重。但是在交通系統(tǒng)和通信系統(tǒng)癱瘓后，現(xiàn)有的應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng)由于種種原因無法滿足需求:1)現(xiàn)有的衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于受到終端不普及、帶寬不足等因素的限制，無法滿足部署救災(zāi)行動對災(zāi)區(qū)通信監(jiān)測的需求;2)地面應(yīng)急通信車等系統(tǒng)因為復(fù)雜地理、氣象環(huán)境所限，難以實施大規(guī)模的應(yīng)急通信監(jiān)測保障;3)現(xiàn)有的直升機(jī)、無人駕駛飛機(jī)匱乏以及不能長時間的升空工作，嚴(yán)重影響災(zāi)情上空的通信監(jiān)測能力。

通過以上分析可知，在交通系統(tǒng)和通信系統(tǒng)無法工作，而現(xiàn)有的各種應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng)又受到種種限制的情況下，有必要建立一種適用于突發(fā)事件、便于快速部署、支持調(diào)度指揮的新型應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)要求機(jī)動靈活，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，在突發(fā)事件發(fā)生后，于受災(zāi)區(qū)域上空提供及時、有效的通信監(jiān)測手段［1］。

1 系統(tǒng)分析

新型應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng)的2個主要功能是無線通信和光學(xué)監(jiān)測。

無線通信距離受無線電視距和鏈路電路的限制。在鏈路電路通暢的情況下，無線電視距成為通信作用距離的關(guān)鍵因素。

光學(xué)監(jiān)測距離也受視距和光學(xué)儀器性能的限制。在光學(xué)儀器性能一定的情況下，視距成為光學(xué)監(jiān)測作用距離的關(guān)鍵因素。

通過分析可知無論是無線通信還是光學(xué)監(jiān)測的作用距離都與視距密切相關(guān)，是能夠?qū)崿F(xiàn)受災(zāi)區(qū)域無線通信正?；疤峁┳钋把貫?zāi)情報告的關(guān)鍵因素。

無線電視距是指在2個物體之間保持無障礙通信監(jiān)測的最大距離，它與地球曲率、大氣反射、氣候和地形等諸多因素有關(guān)。無線電視距傳播如圖2所示。

圖2 無線電視距傳播示意圖

圖2中，LOB為地球半徑R，LAD和LCE分別為物體1和物體2的高度。由于LAD和LCE都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地球半徑R，無線電視距近似值LAC為

地球半徑R為6370km，代入公式得

式中，LAD和LCE的單位為m，LAC單位為km;

從圖2可以看出，在受災(zāi)區(qū)域區(qū)通信中繼的端站天線遭到破壞以后，要實現(xiàn)受災(zāi)區(qū)域內(nèi)與區(qū)域外的通信監(jiān)測正?；仨氃诙虝r間內(nèi)有一種空中平臺能夠攜帶光學(xué)系統(tǒng)和無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)長期滯空，從而降低地球曲率的影響，使通信監(jiān)測的距離得到大大提高［2］。

這里介紹一種新型的空中平臺—浮空器。浮空器是一種把充入氣囊中的輕于空氣的氣體產(chǎn)生的浮力作為主要升力的飛行器［3］。浮空器可以廣泛用于:偵察、電子干擾、預(yù)警探測、通信中繼等領(lǐng)域［4］。

浮空器按有無動力推進(jìn)可分為飛艇、系留氣球和自由氣球。其具體分類如圖3所示。

圖3 浮空器具體分類示意圖

相對于眾多的飛行器(譬如衛(wèi)星、直升機(jī)和無人機(jī)等)，浮空器作為應(yīng)急通信監(jiān)測的載體具有許多獨特的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面［5］:

1)研制周期短，成本低;

2)有效載重量大;

3)可在空中長期定點駐留，留空時間長;

4)空中姿態(tài)穩(wěn)定，有利于任務(wù)設(shè)備的正常工作;

5)安全性好，生存能力強(qiáng);

6)部署方便靈活，無需專用機(jī)場和發(fā)射工具;

7)操作維護(hù)簡單，使用成本低。

下面設(shè)計一套新型的應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)的空中搭載平臺為新型的空中平臺—浮空器。

2 系統(tǒng)設(shè)計

新型應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng)由空中搭載平臺和搭載的任務(wù)系統(tǒng)組成。平臺系統(tǒng)由一套系留氣球系統(tǒng)和一套飛艇系統(tǒng)共同組成，空中平臺搭載的任務(wù)系統(tǒng)由光學(xué)設(shè)備(譬如攝像裝置)和無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。

對于光學(xué)設(shè)備及無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來說，現(xiàn)有的技術(shù)已相當(dāng)成熟，在此不再詳細(xì)論述。

雖然浮空器的發(fā)展歷史已經(jīng)很長，可是對國內(nèi)來說，它還是個新興的產(chǎn)業(yè)，本文將對這個新興的空中平臺重點論述，對整套系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合工作完成預(yù)期的效果進(jìn)行可行性闡述。

2.1 系留氣球系統(tǒng)

系留氣球按照使用要求和體積大小分為車載機(jī)動式，艦載機(jī)動式和陣地式3種［6］。

陣地式系留氣球具有固定的基礎(chǔ)，體積較大，無法實現(xiàn)快速機(jī)動的要求，不適合作為應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng)的空中平臺。

艦載機(jī)動式系留氣球一般安裝在大型的艦船上，能夠?qū)崿F(xiàn)艦船之間的高速機(jī)動，也不適合作為應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng)的空中平臺。

車載機(jī)動式系留氣球的體積一般在(1～6)×103m3之間，升空高度在兩、三千米以內(nèi)。其載體為可移動的大型車輛，可以根據(jù)需要快速布置到任何地方，具有高機(jī)動、靈活等特點。它適合搭載通信、偵察、干擾等電子設(shè)備。因此，這里選擇車載機(jī)動式系留氣球作為應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng)的空中搭載平臺之一。

車載機(jī)動式系留氣球系統(tǒng)包括氣球、系留纜繩、錨泊設(shè)施和任務(wù)系統(tǒng)4個部分，如圖4所示。

圖4 車載機(jī)動式系留氣球系統(tǒng)組成示意圖

2.1.1 氣球

氣球是一種依靠充入氣囊內(nèi)部輕于空氣的氣體(通常為氦氣)產(chǎn)生浮力，克服其自身重量和任務(wù)載荷重量而實現(xiàn)空中浮升的球體，它依靠系留纜繩實現(xiàn)在空中長時間定點滯留。

氣球是任務(wù)設(shè)備的承載平臺。它的任務(wù)是攜帶任務(wù)設(shè)備升空。當(dāng)氣球內(nèi)充入適量的氦氣時，氣球升至任務(wù)設(shè)備所需的工作高度，為任務(wù)設(shè)備持續(xù)工作提供穩(wěn)定的平臺［7］。

2.1.2 系留纜繩

系留纜繩主要用于氣球的系泊和牽引，給球上的設(shè)備供電及通信。通過系留纜繩組件，實現(xiàn)氣球與地面錨泊設(shè)施的物理連接、光信號和電力傳輸。

2.1.3 錨泊設(shè)施

錨泊設(shè)施用于氣球的地面停泊，對滯空后的氣球進(jìn)行操控。錨泊設(shè)施在運輸狀態(tài)下，采用由牽引車加半掛拖車的運輸形式，能夠方便地轉(zhuǎn)移，擁有快速布置能力，快速轉(zhuǎn)移能力。

2.1.4 任務(wù)系統(tǒng)

任務(wù)系統(tǒng)為空中無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有超遠(yuǎn)視距的通信和圖像傳輸功能以及“通信中繼”功能。

2.1.5 工作模式

在災(zāi)害發(fā)生后，根據(jù)受災(zāi)區(qū)域大小，在任務(wù)系統(tǒng)相對固定的情況下，選用功能滿足要求的車載機(jī)動式系留氣球系統(tǒng)。

根據(jù)受災(zāi)區(qū)域的特點和救災(zāi)的需要，將車載機(jī)動式系留氣球系統(tǒng)布置到受災(zāi)區(qū)域外圍的合適位置，利用系留氣球?qū)⑷蝿?wù)系統(tǒng)攜帶至工作高度，系留氣球上的任務(wù)設(shè)備將接收到的圖像數(shù)據(jù)和通信數(shù)據(jù)通過微波鏈路或光纖傳輸?shù)降孛娼邮赵O(shè)備，進(jìn)而接入地面移動通信網(wǎng)，在最短的時間內(nèi)實現(xiàn)受災(zāi)區(qū)域無線通信正?；⒖梢詫?zāi)區(qū)最前沿的第一手災(zāi)情信息傳遞出來，從而得以全面部署救災(zāi)行動，以挽救更多的生命和國家財產(chǎn)。車載機(jī)動式系留氣球在應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖5所示。

圖5 車載式系留氣球系統(tǒng)工作示意圖

2.2 飛艇系統(tǒng)

飛艇是一種靠輕于空氣的氣體取代空氣而產(chǎn)生升力的可推進(jìn)和可操縱的航空器。它與系留氣球最大的區(qū)別在于:氣球沒有動力裝置實現(xiàn)飛行，也沒有操縱舵面實現(xiàn)有控飛行;飛艇雖然也是靠空氣浮力升空，但它配置有發(fā)動機(jī)、空氣螺旋槳(或其他類推進(jìn)器)、操縱面，能實現(xiàn)有動力推進(jìn)和可操縱、控制的飛行［8］。

飛艇按照升空高度和體積大小分為平流層飛艇和對流層飛艇。平流層飛艇由于技術(shù)難度大，國內(nèi)尚處于研發(fā)階段。對流層飛艇按照駕駛方式可分為載人飛艇和遙控飛艇。載人飛艇指由專業(yè)飛艇駕駛員全程操縱、駕駛的飛艇。遙控飛艇是一種能實現(xiàn)超視距動態(tài)實時監(jiān)測遙控和程序控制的無人飛行器系統(tǒng)。它具有有遙控飛行和自主控制飛行2種控制模式，遙控飛行主要用于起飛和降落，自主控制飛行主要用于巡航或任務(wù)飛行。它具有有效載重大、留空時間長、可在空中定點和懸停、使用成本低、無需專用機(jī)場和跑道、安全性高等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對飛艇的目測遙控飛行、超視距實時監(jiān)控以及自主控制飛行并完成特定的任務(wù)。在空中預(yù)警、電子對抗、通信指揮、城市交通監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測和地質(zhì)勘探等領(lǐng)域遙控飛艇都能發(fā)揮出重要的作用。因此，無人遙控飛艇是應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng)空中平臺的最佳選擇。

遙控飛艇系統(tǒng)主要包括空中部分和地面部分。空中部分主要由囊體、尾翼、吊艙、頭錐和任務(wù)系統(tǒng)等部件及必要的功能分系統(tǒng)組成，具體如圖6所示［2］。地面部分為測控指揮車。

圖6 遙控飛艇系統(tǒng)組成示意圖

2.2.1 囊體

飛艇的囊體內(nèi)部分隔為1個主氣囊和2個副氣囊，主氣囊用于存儲氦氣，副氣囊存儲空氣，用于維持飛艇內(nèi)部的差壓和重心調(diào)節(jié)。

2.2.2 尾翼

尾翼安裝于囊體尾部，一般為X型布局，尾翼上設(shè)有舵面，用于維持飛艇的穩(wěn)定性和操縱。

2.2.3 吊艙

吊艙一般設(shè)在囊體的下部，主要用于裝載發(fā)動機(jī)、油箱、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電池、控制系統(tǒng)以及鎮(zhèn)重等設(shè)備。

2.2.4 頭錐

頭錐位于囊體前端，其主要作用是為滿足地面牽引和地面系留的需要，將牽引和系留的集中載荷分散均勻地傳遞給囊體，避免囊體受損。

2.2.5 任務(wù)系統(tǒng)

任務(wù)系統(tǒng)主要由航拍系統(tǒng)和空中無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。航拍系統(tǒng)可以實時航拍突發(fā)事件地區(qū)的圖像，并對重點區(qū)域進(jìn)行長時間的立體監(jiān)控。空中無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以使受災(zāi)地區(qū)和外面能夠正常通信，準(zhǔn)確地把最前沿的災(zāi)情報告?zhèn)鬟f出來。

2.2.6 測控指揮車

測控指揮車為飛艇的地面移動測控指揮平臺，集飛艇監(jiān)測、飛艇遙控指揮、地面指揮調(diào)度、信息轉(zhuǎn)換、匯報演示、商務(wù)辦公及生活保障等多種功能為一體，強(qiáng)化了飛艇系統(tǒng)的實用功能，提高了整個系統(tǒng)的品質(zhì)。

2.2.7 工作模式

在災(zāi)害發(fā)生后，根據(jù)受災(zāi)區(qū)域大小，在任務(wù)系統(tǒng)相對固定的情況下，選用功能滿足要求的飛艇系統(tǒng)。

根據(jù)受災(zāi)區(qū)域的特點和救災(zāi)的需要，將飛艇系統(tǒng)布置到受災(zāi)區(qū)域外圍的合適位置。飛艇在測控指揮車的遙控指揮下，從受災(zāi)區(qū)域外圍的臨時放飛場起飛，通過巡航機(jī)動和上下機(jī)動直接奔赴受災(zāi)區(qū)域內(nèi)部，對重點區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，飛艇上的任務(wù)設(shè)備將接收到的圖像數(shù)據(jù)和通信數(shù)據(jù)通過微波鏈路傳輸?shù)降孛娼邮赵O(shè)備，進(jìn)而接入地面移動通信網(wǎng)，將災(zāi)區(qū)最前沿的第一手災(zāi)情信息傳遞出來。飛艇完成任務(wù)以后原路返回，并在原放飛場降落。具體工作流程如圖7所示。

圖7 遙控飛艇系統(tǒng)工作示意圖

2.3 新型應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng)

通過前兩節(jié)的論述可知采用遙控飛艇或者車載式系留氣球來做應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng)的空中搭載平臺分別有各自的優(yōu)點和缺點，具體見表1所示。

表1 遙控飛艇和車載式系留氣球空中搭載平臺優(yōu)缺點

從表1可以看出，如果單獨采用飛艇作為空中搭載平臺，飛艇可以通過無線遙控進(jìn)入受災(zāi)區(qū)域內(nèi)部進(jìn)行實地航拍，從而拍攝出高質(zhì)量的災(zāi)情畫面，準(zhǔn)確地把最前沿的災(zāi)情報告?zhèn)鬟f出來。但是由于受飛艇升空高度的限制，通信監(jiān)測的距離將大大的受到限制。同時遙控飛艇不能長時間升空，無法保證受災(zāi)區(qū)域長時間的通信正?；?。

同樣如果單獨采用系留氣球作為空中搭載平臺，系留氣球由于載重量大、升空高度高和安全穩(wěn)定性好等優(yōu)點完全能夠滿足通信監(jiān)測系統(tǒng)的要求，但是由于系留氣球升空后不能自主飛行，無法深入災(zāi)區(qū)腹地進(jìn)行實地拍攝，無法得到高質(zhì)量的災(zāi)情報告。

通過分析可知，無論單獨采用遙控飛艇還是車載式系留氣球都無法很好地滿足應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng)空中搭載平臺的需求。因此新型應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng)是將一套系留氣球系統(tǒng)和一套飛艇系統(tǒng)有機(jī)地聯(lián)合起來，共同完成救災(zāi)對通信監(jiān)測的需求。

根據(jù)受災(zāi)區(qū)域大小，在任務(wù)系統(tǒng)相對固定的情況下，選用合適的遙控飛艇和車載式系留氣球。

首先，在受災(zāi)區(qū)域外圍的一定區(qū)域內(nèi)選擇合適的地點，將遙控飛艇和車載式系留氣球、部分保障裝備運輸?shù)筋A(yù)設(shè)放飛地點。在氣象條件允許的前提下，將浮空平臺充氣、系留、設(shè)備加載、升空，展開空中轉(zhuǎn)發(fā)通信。然后，在需要時將遙控飛艇在地面測控指揮車的指揮下從放飛場起飛，通過巡航機(jī)動和上下機(jī)動到達(dá)臨時放飛場上空。當(dāng)飛艇升空以后，將移動測控車與系留氣球的錨泊車相連，通過系留氣球上搭載的微波鏈路轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備對飛艇進(jìn)行遙控指揮。在遙控下飛艇直接奔赴災(zāi)區(qū)空域，對重點監(jiān)測對象進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測到的圖像數(shù)據(jù)連同接收到通信數(shù)據(jù)通過微波鏈路傳輸給一定距離處的系留氣球上無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，由系留氣球上無線傳輸設(shè)備將圖像數(shù)據(jù)和通信數(shù)據(jù)通過微波鏈路或光纖傳輸?shù)降孛娼邮赵O(shè)備，進(jìn)而接入地面移動通信網(wǎng)。

飛艇完成任務(wù)以后原路返回，并在原放飛場降落。具體工作流程如圖8所示。

圖8 新型應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng)工作示意圖

從上面的論述可知新型應(yīng)急通信監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足受災(zāi)區(qū)域通信正?；皩χ攸c區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控觀察的需求，具有一定的可行性。

3 結(jié)論

介紹了利用浮空器作為空中平臺進(jìn)行應(yīng)急通信監(jiān)測的系統(tǒng)方案。重點對系統(tǒng)的組成、各部分的功能及系統(tǒng)之間組網(wǎng)工作進(jìn)行了詳細(xì)的論述，對該系統(tǒng)的工作可行性進(jìn)行了研究。

該系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計能夠帶動我國應(yīng)急通信監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，切實解決我國在面臨特大自然災(zāi)害時應(yīng)急救災(zāi)通信監(jiān)測手段缺乏的問題，社會效益顯著。

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A Novel Communication and Monitoring System for Emergency Based on Aerostat

FEI Dongnian ZHAO Panfeng
(No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230031，China)

A novel airborne communication and observation system for emergency is introduced．In the system，the tethered balloon and small airship act as the platform for the carrier of electrical devices for communication，reconnaissance and detection．The system takes the advantage of strong flexibility and low cost，which is able to adapt complex environment and can be placed everywhere rapidly in emergency regarding the requirements．

Mobile;Tethered balloon;Airship;Communication and monitoring system for emergency;System design

V19

A

1006-3242(2012)01-0023-06

2011-07-04

費東年(1980-)，男，合肥人，碩士，工程師，主要研究領(lǐng)域為浮空器設(shè)計;趙攀峰(1977-)，男，湖南常德人，高級工程師，主要從事浮空器總體設(shè)計。