楊峻巍

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

基于臨近空間飛行器的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析*

楊峻?。?/p>

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

在戰(zhàn)時環(huán)境下，GPS、“北斗”等全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)將受到敵方強力的電子干擾，從而導致其無法實現(xiàn)精確定位，為此提出了一種全新的無線電導航系統(tǒng)，即基于臨近空間飛行器的區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。首先簡要闡述了臨近空間飛行器的特點，在此基礎(chǔ)上建立了基于臨近空間飛行器的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的體系結(jié)構(gòu);其次從技術(shù)層面對其關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細分析，并提出了一些解決措施;最后對該區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)提出幾點展望，并指明了當前亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)，對我國未來建立基于臨近空間飛行器的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)具有一定的理論參考價值。

臨近空間飛行器;區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng);幾何精度因子;優(yōu)化重構(gòu)

1 引言

隨著航空、航天技術(shù)的快速發(fā)展，空天一體化作戰(zhàn)以其得天獨厚的信息優(yōu)勢、實時高效的指揮決策優(yōu)勢和精確打擊的火力優(yōu)勢受到了各軍事大國的高度重視。與此同時，臨近空間作為尚未被人類充分開發(fā)和利用的空、天過渡區(qū)也同樣成為了世界各國的研究熱點［1－2］。

由于臨近空間獨特的空間環(huán)境，使得臨近空間飛行器在情報、監(jiān)視、偵察、通信中繼、預警、導航以及電子戰(zhàn)等方面具有比航空平臺和空間平臺更大的優(yōu)勢［3－6］。臨近空間飛行器既可以高速飛行亦可以定點懸停，相比于航空平臺，其具有更長的滯空時間（數(shù)日、數(shù)月甚至數(shù)年）、更強的機動能力。相比于航天平臺，其具有較高的地面分辨率和成像靈敏度，同時具有安全性高、發(fā)射成本低、部署靈活以及生存能力強等優(yōu)點［7－8］。

在戰(zhàn)時環(huán)境下，由于敵方對GPS、“北斗”等全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)實施的強有力電子干擾，將可能使得己方陸、海、空等作戰(zhàn)平臺無法實現(xiàn)精確定位。針對上述問題，本文提出了基于臨近空間飛行器的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，并對臨近空間飛行器區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展前景進行了詳細論述。

2 臨近空間飛行器區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)體系構(gòu)想

2.1 臨近空間飛行器特點分析

所謂臨近空間是指距海平面20～100 km的空間區(qū)域，包括大氣平流層、中間層及部分電離層，由于其介于傳統(tǒng)的空天之間，因此也被稱為“空天過渡區(qū)”。臨近空間飛行器［2］，顧名思義是指飛行于臨近空間區(qū)域的飛行器，由于其所處空間范圍的特殊性，使其具有航空飛行器與航天飛行器無法比擬的諸多優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為如下幾點。

（1）生存能力強

目前世界上絕大多數(shù)防空導彈和作戰(zhàn)飛機都無法達到這一高度，而所謂的外太空武器尚處于試驗階段不具有實戰(zhàn)能力，因此臨近空間便成為了相對安全的“真空”環(huán)境。此外，大多數(shù)臨近空間飛行器外形比較光滑，雷達和紅外特征很不明顯，而可見光特征在天空的背景中基本被淹沒，因此傳統(tǒng)的跟蹤和瞄準方法對其無能為力。

（2）滯空時間長

相比于傳統(tǒng)的飛機，臨近空間飛行器具有較長的滯空時間。傳統(tǒng)飛機的滯空時間以小時為單位，而臨近空間飛行器的滯空時間則以天為單位，甚至以月為單位。大多數(shù)臨近空間飛行器可以長時間漂浮在空中，且所需能耗較低，其典型代表為平流層飛艇及高空氣球等［9］。

（3）響應速度快

與航天飛行器相比，臨近空間飛行器對發(fā)射環(huán)境的要求較低，且發(fā)射設(shè)備及發(fā)射程序較為簡單，可隨時應急升空，快速部署，非常適合于戰(zhàn)時環(huán)境下的作戰(zhàn)需要。

（4）覆蓋范圍廣

相比于傳統(tǒng)飛機，其飛行高度較高，因此其覆蓋范圍也相應地增大。

（5）效費比高

相對于航天器，其研發(fā)周期短，成本低廉。

基于臨近空間飛行器的上述優(yōu)點，臨近空間飛行器在軍事作戰(zhàn)應用中得到了快速發(fā)展，如基于臨近空間飛行器的偵察監(jiān)視平臺、通信中繼平臺、電子對抗平臺、運輸補給平臺、演示驗證平臺以及空間武器平臺等。

2.2 臨近空間飛行器區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

鑒于臨近空間飛行器所具有的得天獨厚的優(yōu)勢，為了滿足戰(zhàn)時應急導航定位需求，本文提出了基于臨近空間飛行器的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，其體系構(gòu)架如圖1所示。

圖1 基于臨近空間飛行器的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)結(jié)構(gòu)體系Fig.1 The architecture of regional navigation system based on near space vehicle

基于臨近空間飛行器的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)由地面監(jiān)控部分、臨近空間飛行器導航平臺、用戶接收機三部分組成，其工作原理可簡單描述如下:首先，臨近空間飛行器向地面發(fā)射信號;其次，地面監(jiān)控部分通過接收、測量各臨近空間飛行器發(fā)射的信號，進而確定臨近空間飛行器空間精確位置，并將其位置信息發(fā)送到各臨近空間飛行器，臨近空間飛行器在其發(fā)射的導航信號上轉(zhuǎn)播其位置信息;最后，用戶接收機通過接收、測量各臨近空間飛行器的導航信號，并從中獲取臨近空間飛行器的位置信息，進而確定用戶接收機自身的空間位置。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

盡管基于臨近空間飛行器的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)在未來作戰(zhàn)中具有重要的軍事意義，但是仍有許多關(guān)鍵技術(shù)亟待解決，其中包括臨近空間飛行器的幾何布局、臨近空間飛行器自身定位技術(shù)、臨近空間飛行器“導航星座”優(yōu)化重構(gòu)技術(shù)等［10－16］。

3.1 幾何布局

3.1.1 覆蓋范圍

單個臨近空間飛行器對地球表面的覆蓋范圍如圖2所示，其中P點代表臨近空間飛行器的空間位置，h表示臨近空間飛行器相對于地面的高度，α表示臨近空間飛行器對地球的最大覆蓋范圍，R為地球半徑。

圖2 臨近空間飛行器對地球表面的覆蓋圖Fig.2 The coverage area of earth surface by near space vehicle

由圖2的幾何關(guān)系可得

相關(guān)文獻表明［2］，在臨近空間環(huán)境中，20～30 km的空間范圍內(nèi)，其氣象條件較為穩(wěn)定，風切變較小，因此這一區(qū)域常常被作為臨近空間飛行器的“黃金區(qū)域”。當然對于要求動態(tài)變化較小的臨近空間飛行器導航平臺更是如此，因此這里重點針對這一區(qū)域展開分析。根據(jù)式（1）和式（2）可得，在不同高度情況下臨近空間飛行器的覆蓋半徑如圖3及表1所示。圖3表明，隨著飛行器的高度不斷增大，覆蓋范圍也在不斷擴大。表1進一步表明，在“黃金區(qū)域”，臨近空間飛行器的可覆蓋的最大半徑約為500～600 km，該覆蓋半徑已可以很好地滿足局部戰(zhàn)場所需要的覆蓋半徑。

圖3 不同高度情況下臨近空間飛行器的覆蓋半徑Fig.5 The coverage radius of near space vehicle under different altitudes

表1 不同高度情況下的覆蓋半徑Table 1 The coverage radiusunder different altitudes

在區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)中，為了獲得較好的觀測量及幾何精度因子，往往要設(shè)定一門限值即最小仰角β來從“可視衛(wèi)星”中選擇“可用衛(wèi)星”，則由圖2及余弦定理可得

進一步可得，在仰角為β時，臨近空間飛行器所能覆蓋的最大半徑為

當h=20 km時，不同仰角下飛行器的覆蓋半徑如圖4所示。

圖4 當h=20 km時不同仰角情況下飛行器的覆蓋半徑Fig.5 The coverage radius of thenear space vehicle under different elevation when h=20 km

根據(jù)全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)選星準則及工程經(jīng)驗［17－19］，這里選擇最小仰角 β=15°來進行覆蓋范圍分析。表2給出了不同高度情況下飛行器的覆蓋半徑。

表2 當仰角β=15°時不同高度情況下飛行器的覆蓋半徑Table 2 The coverage radius under different altitudes when the elevation β=15°

3.1.2 GDOP 值

與GPS導航系統(tǒng)類似，基于臨近空間飛行器的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的定位精度主要取決于以下兩個方面:測量誤差和“衛(wèi)星”的幾何分布［5］，即

其中，G通常稱為幾何矩陣，僅與各顆“衛(wèi)星”相對于用戶的幾何位置有關(guān)。

由式（5）可以看出，在相同的測量誤差條件下，GDOP值越小，則測量誤差被放大成定位誤差的程度就越低。

設(shè)接收機到各“衛(wèi)星”的單位矢量分別為OA、OB、OC及OD，如圖5所示，其中點A、B、C及D都在以用戶O點為中心的單位球面上。

圖5 接收機與各臨近空間飛行器的幾何構(gòu)型Fig.5 The geometry structure between the receiver and near space vehicle

設(shè)由點A、B、C及 D組成的四面體ABCD的體積為V，則由式（7）及圖5可得GDOP值與V的關(guān)系如下所示:

由式（8）可得，GDOP值與四面體的體積V成反比，即四面體體積越大，則GDOP值越小。因此，我們可以通過求取任意4顆衛(wèi)星所組成的上述四面體的體積作為選星標準，選擇四面體體積最小的4顆衛(wèi)星作為導航定位的最佳“星座”。

3.2 臨近空間飛行器的自身定位技術(shù)

與GPS、“北斗”等衛(wèi)星導航系統(tǒng)一樣，基于臨近空間飛行器的區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)要實現(xiàn)精確定位，必須要滿足兩個必備條件:一是要知道各臨近空間飛行器在空間的準確位置，二是要測量目標與這些臨近空間飛行器精確距離。為了實現(xiàn)區(qū)域?qū)Ш?，往往采用相對固定的臨近空間飛行器作為“導航星座”平臺［6］，如平流層飛艇等。針對其“相對靜止”的特點，可以采用以下幾種方法實現(xiàn)。

（1）導航衛(wèi)星定位法

導航衛(wèi)星定位法，即利用全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)實現(xiàn)精確定位，盡管該方法可以取得較高的“定軌”精度，但是目前最為成熟的全球定位系統(tǒng)GPS受控于美國，在戰(zhàn)時可能無法使用，因此需配備其他備用定位方法作為有效補充。其定位原理如圖6所示。

圖6 利用衛(wèi)星導航系統(tǒng)對臨近空間飛行器進行精密定軌Fig.6 The orbit determination of the near space vehicle by GNSS

（2）基于地基偽衛(wèi)星的“倒定位”法

在此所謂“倒定位”法［20］，指的是利用多個地基偽衛(wèi)星通過精確測量各偽衛(wèi)星到臨近空間飛行器的精確距離來實現(xiàn)對臨近空間飛行器的精確定位與定軌，其基本原理如圖7所示。

圖7 利用地基偽衛(wèi)星對臨近空間飛行器定位（即“倒定位”法）Fig.7 The near space vehicle is located by the ground－based pseudolites（namely，“inverse location”）

根據(jù)有源和無源，“倒定位”法可分為主動定軌模式和被動定軌模式，其中主動模式又可分為雙程測距和單程測距兩種工作模式。

所謂被動定軌模式，指的是地基偽衛(wèi)星發(fā)射帶有自身精確位置導航信號，臨近空間飛行器被動接收各偽衛(wèi)星發(fā)射的導航信號，并通過一定的算法實現(xiàn)自主定位，如圖8（a）所示。

所謂雙程測距定軌模式，指的是臨近空間飛行器向地面發(fā)射測距信號，地基偽衛(wèi)星接收并轉(zhuǎn)發(fā)該測距信號及偽衛(wèi)星的精確位置，然后在臨近空間飛行器上完成自身的高精度定位，如圖8（b）所示。

所謂單程測距定軌模式，指的是臨近空間飛行器向地基衛(wèi)星發(fā)射導航信號，地基偽衛(wèi)星接收導航信號并測量出各自與臨近空間飛行器的偽距，然后將其自身精確位置及偽距發(fā)送到主站，主站精確解算出臨近空間飛行器的位置，并通過發(fā)射站將其返回臨近空間飛行器上，如圖8（c）所示。

圖8 3種常用的“倒定位”方法Fig.8 Three“reverse location”methods in common use

由于被動定軌模式只接收信號，并不需要發(fā)射信號，因此其隱蔽性好，特別適用于戰(zhàn)時應用，但是該模式要實現(xiàn)精密定軌需各地基偽衛(wèi)星保持高精度的時間同步，為此可通過雙向時間比對技術(shù)來實現(xiàn);雙程測距定軌模式不需要各地基偽衛(wèi)星嚴格的時間同步，但是由于其定軌解算是在臨近空間飛行器平臺上進行，因此勢必會增加臨近空間飛行器導航平臺的有效載荷;單程測距定軌模式與被動式定軌模式相同，需要各地基偽衛(wèi)星之間保持高精度的時間同步，同時由于定軌解算是在地面站完成，因此需要一額外的發(fā)射站將其定軌結(jié)果回傳到臨近空間飛行器上。盡管該模式增加了地面設(shè)備的復雜性，但是同時也節(jié)省了臨近空間飛行器的寶貴的有效載荷。

由以上分析可知，導航衛(wèi)星定位法盡管結(jié)構(gòu)簡單且易于實現(xiàn)，但是在戰(zhàn)時會受制于人，而基于地基偽衛(wèi)星的“倒定位”法盡管需要前期的一些投入，但是其定位精度較高，且不易受制于人，因此作為戰(zhàn)時應用的臨近空間飛行器區(qū)域?qū)Ш礁m合采用“倒定位”法來實現(xiàn)精密“定軌”。

3.3 “星座”的優(yōu)化重構(gòu)技術(shù)

在基于臨近空間飛行器的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)中，盡管由4顆偽衛(wèi)星合理布局即可實現(xiàn)精確的導航定位，但是在戰(zhàn)時環(huán)境下，往往會發(fā)射更多的臨近空間飛行器導航平臺，這樣不僅可以提高區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的覆蓋范圍，而且可以提高導航系統(tǒng)的魯棒性和定位精度。

在構(gòu)建臨近空間飛行器區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)時，從費用的角度，我們往往首先部署少量的臨近空間飛行器（最少4艘）作為一簡單的“導航星座”來滿足最基本的導航定位。為了進一步改善系統(tǒng)的定位精度或工作區(qū)域，則需發(fā)射更多的臨近空間飛行器，當新的臨近空間飛行器被加入已有的“導航星座”時，則需對星座進行重新構(gòu)造，從而才能達到系統(tǒng)的最優(yōu)化。

此外，當某一臨近空間飛行器被敵方毀傷或失效時，則原有的“導航星座”也需要對星座內(nèi)的其余臨近空間飛行器進行優(yōu)化重構(gòu)，進而實現(xiàn)新系統(tǒng)的最優(yōu)化。

4 展望

基于臨近空間飛行器的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的定位精度受諸多因素的影響，本文從以下幾個方面對其提出幾點展望。

（1）本文僅從單個臨近空間飛行器的覆蓋范圍進行分析，而區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)實現(xiàn)定位時，需要對整個“星座”的覆蓋范圍進行討論，即區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)有效定位的覆蓋范圍。

（2）本文雖然介紹了幾種臨近空間飛行器“定軌”方法，但是這些方法需通過“導航星座”與地面或?qū)Ш叫l(wèi)星進行信息交換進而實現(xiàn)精密“定軌”，當鏈路出現(xiàn)故障或無法工作時，整個區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)將很快出現(xiàn)癱瘓。為了滿足應急情況下，臨近空間飛行器的精密“定軌”，可以從以下兩個方面進行研究:一是通過建立臨近空間飛行器間的通信鏈路實現(xiàn)“導航星座”的自主定軌;二是采用其他自主定位方法來實現(xiàn)“定軌”，如在臨近空間飛行器上配備高精度的慣性導航系統(tǒng)等。

（3）幾何布局的好壞對臨近空間區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的定位效果具有較大的影響，當有新的“導航衛(wèi)星”加入或原有的某一“導航衛(wèi)星”出現(xiàn)故障時，其幾何布局將發(fā)生變化。如何對“導航星座”進行優(yōu)化重構(gòu)是一非常重要的課題，如能否通過一些優(yōu)化算法實現(xiàn)幾何布局的自適應調(diào)節(jié)等。

5 結(jié)束語

本文首先分析了臨近空間飛行器相對于航天飛行器及航空飛行器在建立區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的諸多優(yōu)勢，并在此基礎(chǔ)上建立了基于臨近空間飛行器的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)體系結(jié)構(gòu);然后對其關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細分析，提出了一些相應的解決措施，并對其今后的發(fā)展提出幾點展望。希望上述研究能為未來戰(zhàn)爭中的區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ惶峁┬碌陌l(fā)展思路。

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Analysis of Key Techniques of Regional Navigation System Based on Near Space Vehicle

YANG Jun－wei
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

In complex battlefield environment，the global satellite navigation system（GNSS），such as GPS and BD，will be jammed by electronic equipment so that it can not position accurately.Aiming at the problem，this paper proposes a novel radio navigation system，namely regional navigation system based on near space vehicle.First，the characteristic of near space vehicle is introduced，and the architecture of regional navigation system based on near space vehicle is established.Then，from the technical level，the key techniques are analyzed in detail，and some solutions are proposed.Finally，some prospects are presented，and the key techniques to be solved are discussed.The analysis above has an important reference value for establishing China＇s regional navigation system based on near space vehicle in the future.

near space vehicle;regional navigation system;geometric dilution of precision;optimum reconfiguration

TN96

A

1001－893X（2014）04－0385－07

10.3969/j.issn.1001－893x.2014.04.002

楊峻巍.基于臨近空間飛行器的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.電訊技術(shù)，2014，54（4）:385－391.［YANG Jun－wei.Analysis of Key Techniques of Regional Navigation System Based on Near Space Vehicle［J］.Telecommunication Engineering，2014，54（4）:385－391.］

2013－12－09;

2014－03－03

date:2013－12－09;Revised date:2014－03－03

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yangjunwei2899@163.com Corresponding author:yangjunwei2899@163.com

楊峻?。?984—），男，山西繁峙人，2012年于哈爾濱工程大學獲博士學位，現(xiàn)為工程師，主要從事衛(wèi)星導航技術(shù)研究。

YANG Jun－wei was born in Fanshi，Shanxi Province，in 1984.He received the Ph.D.degree from Harbin Engineering University in2012.He is now an engineer.His research concerns satellite navigation technology.

Emai:yangjunwei2899@163.com