李宇波，周 純，楊維維，朱利偉

(中國衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰214431)

1 引言

臨近空間通常是指地球表面以上20～100 km高度之間的空域，該空域高于普通航空飛行器的最大高度而又低于軌道飛行器的最低高度[1]，兼具航空航天的空間特點(diǎn)。臨近空間飛行器按飛行速度可分為低動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器和高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器兩大類，前者包括高空氣球、飛艇、高空/超高空長航時(shí)無人機(jī)等，主要用于對(duì)地觀測(cè)、通信中繼等;后者包括高超音速飛行器、亞軌道飛行器、火箭/組合巡航型飛行器等，主要用作遠(yuǎn)程快速機(jī)動(dòng)平臺(tái)。

為驗(yàn)證高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器性能，一般需進(jìn)行飛行驗(yàn)證試驗(yàn)，要求測(cè)控系統(tǒng)提供測(cè)控支持，獲取飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)飛行器進(jìn)行必要控制。與航天測(cè)控任務(wù)相比，高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器測(cè)控特點(diǎn)主要?dú)w納為四個(gè)方面，即全程測(cè)控、多目標(biāo)測(cè)控、高動(dòng)態(tài)測(cè)控和長時(shí)間“黑障區(qū)”測(cè)控。

高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器飛行試驗(yàn)一般可采用陸基多站接力測(cè)控、中繼衛(wèi)星天基測(cè)控、陸?？找惑w化測(cè)控等模式。陸基多站接力測(cè)控模式優(yōu)點(diǎn)是陸上站眾多，且可使用車載站沿航區(qū)靈活布置，較好滿足高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器測(cè)控需求;存在不足在于該模式僅適用于陸上飛行試驗(yàn)，不能滿足海上飛行試驗(yàn)尤其是遠(yuǎn)程飛行試驗(yàn)測(cè)控要求。天基測(cè)控模式具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速率高、調(diào)度靈活等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可以有效降低使用成本，但是，也存在測(cè)控手段單一、“黑障區(qū)”測(cè)控存在跟蹤丟失風(fēng)險(xiǎn)[2]、目標(biāo)機(jī)動(dòng)段存在跟蹤丟失風(fēng)險(xiǎn)[3]以及對(duì)終端設(shè)備要求高等不足。陸?？找惑w化測(cè)控模式可以滿足高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器海上飛行試驗(yàn)的需求，但是需要有海島站、遠(yuǎn)洋靶場(chǎng)、遠(yuǎn)程測(cè)量飛機(jī)等提供支持，目前這些條件受限。

我國高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器飛行試驗(yàn)主要采用陸基多站接力測(cè)控模式。隨著技術(shù)發(fā)展，后續(xù)將開展高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器海上飛行試驗(yàn)，現(xiàn)有測(cè)控模式將不能適應(yīng)，亟需開展新的測(cè)控模式研究。目前，國內(nèi)相關(guān)研究側(cè)重于測(cè)控需求與技術(shù)特征分析，對(duì)高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器海上測(cè)控系統(tǒng)建設(shè)尚無公開論述。本文綜合考慮測(cè)控需求及測(cè)量船、臨近空間飛艇各自優(yōu)勢(shì)，提出一種海上組網(wǎng)測(cè)控新模式，并進(jìn)行具體方案設(shè)計(jì)。

2 海上組網(wǎng)測(cè)控模式設(shè)想

由于高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器飛行高度低，當(dāng)進(jìn)入海上段飛行時(shí)，若僅依靠測(cè)量船進(jìn)行測(cè)控，則需要的測(cè)量船數(shù)量較多(例如參加遠(yuǎn)程飛行試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行全程測(cè)控約需要11艘測(cè)量船)，使用成本較高。為既實(shí)現(xiàn)全程測(cè)控，又減少測(cè)量船數(shù)量，可借鑒國外將臨近空間飛艇作為信息獲取與數(shù)據(jù)中繼平臺(tái)的思路，將測(cè)量船與臨近空間飛艇結(jié)合起來進(jìn)行高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器測(cè)控。

2.1 臨近空間飛艇在信息獲取與數(shù)據(jù)中繼方面應(yīng)用情況

臨近空間飛艇飛行高度一般在20～50 km，載荷能力可以達(dá)到2000 kg以上，適合于作為遠(yuǎn)距離信息獲取與數(shù)據(jù)中繼平臺(tái)。美國洛馬公司研發(fā)的高空長航時(shí)驗(yàn)證艇，長152 m，直徑48 m，有效載荷約2000 kg，可在20 km高空飛行一個(gè)月以上，對(duì)直徑1200 km圓形區(qū)域進(jìn)行監(jiān)視并實(shí)時(shí)將監(jiān)視數(shù)據(jù)傳至地面。

美國海軍也在開展高空機(jī)載中繼與路由器飛行器(High Altitude Airborne Relay and Router，HAARR)項(xiàng)目研究[4]，用于不同單元之間的通信。HAARR可以從艦船上出發(fā)，依靠電機(jī)和飛艇后部兩個(gè)螺旋槳進(jìn)行機(jī)動(dòng)，留空時(shí)間30天，留空高度21 km。HAARR從艦船上出發(fā)一個(gè)月后返回，由另外一艘HAARR替換。

2.2 海上組網(wǎng)測(cè)控模式

測(cè)量船具有作業(yè)范圍廣、綜合測(cè)控通信能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，臨近空間飛艇具有覆蓋范圍大、滯空時(shí)間長、配置靈活等特點(diǎn)，為解決高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器海上測(cè)控對(duì)測(cè)量船數(shù)量需求較多的難題，可考慮將測(cè)量船與臨近空間飛艇的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來進(jìn)行海上組網(wǎng)測(cè)控，組成如圖1所示，具體設(shè)想如下:

(1)相對(duì)跟蹤目標(biāo)飛行軌跡，臨近空間飛艇布于前方，測(cè)量船布于后方，兩者搭接對(duì)跟蹤目標(biāo)進(jìn)行測(cè)控，并在兩者對(duì)目標(biāo)同時(shí)可見的弧段內(nèi)形成備份。1艘測(cè)量船、1艘飛艇形成一個(gè)海上測(cè)控組合，根據(jù)跟蹤目標(biāo)飛行距離不同，可靈活配置相應(yīng)數(shù)量的測(cè)控組合;

(2)鑒于臨近空間飛艇尺寸不宜過大，載荷能力有限，可考慮先搭載遙測(cè)、光學(xué)測(cè)量設(shè)備，在有余量情況下再加裝遙控、外測(cè)設(shè)備;

(3)測(cè)量船與臨近空間飛艇可見，由測(cè)量船為飛艇提供下行通信路由支持[5]，與采用衛(wèi)星通信相比，可有效降低飛艇搭載通信設(shè)備的尺寸與重量;

(4)可采用測(cè)量船安裝相控陣天線、飛艇安裝小口徑拋物面天線(利于增大天線波束)的方式進(jìn)行多目標(biāo)測(cè)控，必要時(shí)還可以采取測(cè)量船、飛艇分別跟蹤不同目標(biāo)的方式進(jìn)行測(cè)控;

(5)當(dāng)目標(biāo)處于“黑障區(qū)”時(shí)，可采用測(cè)量船脈沖雷達(dá)(采用反射式跟蹤方式)、光學(xué)設(shè)備及飛艇光學(xué)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量;

(6)由測(cè)量船作為飛艇的釋放及回收平臺(tái)。任務(wù)前，測(cè)量船根據(jù)要求將飛艇在相應(yīng)海域釋放，并進(jìn)行測(cè)量船與飛艇間跟蹤與通信聯(lián)試;任務(wù)后，測(cè)量船再駛回飛艇所在海域，進(jìn)行飛艇回收。

圖1 海上組網(wǎng)測(cè)控模式示意圖Fig.1 Maritime networking TT＆C mode diagram

2.3 海上組網(wǎng)測(cè)控模式的優(yōu)勢(shì)

與陸基多站接力測(cè)控模式相比，海上組網(wǎng)測(cè)控模式可滿足海上飛行試驗(yàn)尤其是遠(yuǎn)程飛行試驗(yàn)的測(cè)控要求。與天基測(cè)控模式相比，海上組網(wǎng)測(cè)控模式的優(yōu)勢(shì)主要有:

(1)信號(hào)傳輸路徑損失小。中繼衛(wèi)星與跟蹤目標(biāo)間距離在36 000 km甚至以上，飛艇與跟蹤目標(biāo)間距離最大約2000 km，信號(hào)傳輸路徑損失減小25 dB以上，可大大提高接收信號(hào)質(zhì)量;

(2)對(duì)跟蹤目標(biāo)搭載終端設(shè)備要求低。飛艇對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)控時(shí)，由于信號(hào)強(qiáng)度大，可直接接收其對(duì)地測(cè)控信號(hào)，不需要在目標(biāo)上新安裝測(cè)控終端;

(3)測(cè)控手段多樣。可綜合利用脈沖雷達(dá)、統(tǒng)一測(cè)控設(shè)備、光學(xué)設(shè)備對(duì)跟蹤目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，且具備“黑障區(qū)”測(cè)量能力;

(4)目標(biāo)機(jī)動(dòng)段測(cè)量能力強(qiáng)。一般情況下，當(dāng)跟蹤目標(biāo)采用全向測(cè)控天線時(shí)，由于測(cè)量船、飛艇接收跟蹤目標(biāo)信號(hào)存在較大余量，可適應(yīng)目標(biāo)姿態(tài)變化時(shí)信號(hào)增益變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)連續(xù)跟蹤。

3 海上組網(wǎng)測(cè)控方案設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)量船對(duì)高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器跟蹤范圍計(jì)算分析

圖2中，θ1為自測(cè)量船至跟蹤目標(biāo)的地心角(可用于表示測(cè)量船對(duì)目標(biāo)的覆蓋范圍半徑)，E為最低跟蹤仰角，re為地球半徑，h為目標(biāo)飛行高度，則

圖2 測(cè)量船對(duì)跟蹤目標(biāo)覆蓋范圍示意圖Fig.2 Cover range of TT＆C ship to tracking target

目標(biāo)飛行高度與測(cè)量船覆蓋范圍半徑對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖3。據(jù)圖3分析，目標(biāo)飛行高度越高，測(cè)量船對(duì)目標(biāo)覆蓋范圍越大。另外，測(cè)量船最低跟蹤仰角選擇越小，其對(duì)目標(biāo)覆蓋范圍也越大，但為了確保對(duì)目標(biāo)進(jìn)行外彈道測(cè)量和遙控，一般選擇最低跟蹤仰角7°對(duì)應(yīng)的覆蓋范圍開展測(cè)控方案設(shè)計(jì)。

圖3 目標(biāo)飛行高度與測(cè)量船覆蓋范圍半徑對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Relationship between flight altitude of target and cover radius of TT＆C ship

3.2 飛艇對(duì)高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器跟蹤范圍計(jì)算分析

圖4 中，θ2為自飛艇至跟蹤目標(biāo)的最大地心角(可用于表示飛艇對(duì)目標(biāo)的覆蓋范圍半徑，取飛艇至跟蹤目標(biāo)的測(cè)量線與地表相切)，re為地球半徑，h1為飛艇飛行高度，h2為目標(biāo)飛行高度，則

圖4 飛艇對(duì)跟蹤目標(biāo)覆蓋范圍示意圖Fig.4 Cover range of airship to tracking target

當(dāng)飛艇、跟蹤目標(biāo)取不同飛行高度時(shí)，飛艇對(duì)跟蹤目標(biāo)覆蓋范圍半徑變化關(guān)系見圖5。

圖5 目標(biāo)飛行高度與飛艇覆蓋范圍半徑對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.5 Relationship between flight altitude of target and cover radius of airship

據(jù)圖5分析，目標(biāo)飛行高度越高，飛艇對(duì)目標(biāo)覆蓋范圍越大;提升飛艇飛行高度，也可以提高對(duì)目標(biāo)的覆蓋范圍。

3.3 海上組網(wǎng)測(cè)控方案設(shè)計(jì)

3.3.1 近中程高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器海上組網(wǎng)測(cè)控方案設(shè)計(jì)

對(duì)于飛行高度50 km以下的高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器，根據(jù)美國X－43、X－51技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)情況，其飛行距離一般選擇在1000～2000 km。對(duì)于此類任務(wù)，選擇飛艇高度20 km、跟蹤目標(biāo)飛行高度20 km、目標(biāo)飛行距離2000 km(對(duì)應(yīng)地心角約18.0°)時(shí)，飛艇對(duì)跟蹤目標(biāo)覆蓋范圍半徑約為地心角9.0°，測(cè)量船對(duì)跟蹤目標(biāo)、飛艇的仰角7°覆蓋范圍半徑均為地心角3.3°，計(jì)算分析需要1艘飛艇、2艘測(cè)量船進(jìn)行測(cè)控。具體部署時(shí)，可將飛艇布于飛行軌跡前段進(jìn)行長弧段測(cè)量，并為測(cè)量船1跟蹤提供引導(dǎo);測(cè)量船1與飛艇搭接測(cè)量，并為飛艇提供通信支持;測(cè)量船2布于目標(biāo)落區(qū)附近，與測(cè)量船1搭接進(jìn)行末段和落點(diǎn)測(cè)量，兩船之間通信采用衛(wèi)星通信，具體見圖6。

圖6 測(cè)量船與飛艇部署關(guān)系示意圖Fig.6 Disposition of TT＆C ship and airship

3.3.2 遠(yuǎn)程高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器海上組網(wǎng)測(cè)控方案設(shè)計(jì)

對(duì)于飛行高度約100 km的高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器，由于要執(zhí)行全球范圍內(nèi)遠(yuǎn)程快速打擊任務(wù)，其飛行距離要求能覆蓋半個(gè)地球，即地心角180°左右。對(duì)于此類任務(wù)，選擇飛艇高度為20 km時(shí)，飛艇對(duì)跟蹤目標(biāo)的覆蓋范圍半徑約為地心角14.6°，測(cè)量船對(duì)跟蹤目標(biāo)的仰角7°覆蓋范圍半徑約為地心角8.7°，測(cè)量船對(duì)飛艇的仰角7°俯瞰范圍約為地心角3.3°，計(jì)算分析共需要6艘飛艇、7艘測(cè)量船進(jìn)行全程測(cè)控，具體示意見圖7。其中，6艘飛艇與6艘測(cè)量船形成6個(gè)測(cè)控組合，搭接進(jìn)行航區(qū)測(cè)量;測(cè)量船7布于目標(biāo)落區(qū)附近，與測(cè)量船6搭接進(jìn)行末段和落點(diǎn)測(cè)量。這種部署方式可充分利用飛艇、測(cè)量船各自的測(cè)控優(yōu)勢(shì)，將飛艇、測(cè)量船組合成一個(gè)海空一體化的測(cè)控網(wǎng)，滿足此類型高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器全程飛行的測(cè)控要求。

圖7 多船、多飛艇組網(wǎng)測(cè)控示意圖Fig.7 Networking TT＆C using multiple TT＆C ships and airships

實(shí)際情況下，在部分弧段有陸上站(首區(qū)站、海外站)可用時(shí)，也可用陸上站代替部分測(cè)量船。

4 海上組網(wǎng)測(cè)控關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 動(dòng)平臺(tái)寬帶數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

為降低飛艇通信載荷重量，選擇將飛艇獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送至測(cè)量船由測(cè)量船代傳至任務(wù)中心。通常情況下，飛艇接收到的遙測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)傳數(shù)據(jù)、光學(xué)圖像數(shù)據(jù)量較大，需要進(jìn)行寬帶傳輸，而飛艇、測(cè)量船都屬于動(dòng)平臺(tái)，需開展海－空動(dòng)平臺(tái)之間的寬帶數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究。在現(xiàn)階段，可以考慮利用飛機(jī)、大型無人機(jī)搭載通信載荷開展相關(guān)試驗(yàn)，積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

4.2 高動(dòng)態(tài)目標(biāo)捕獲跟蹤技術(shù)

測(cè)量船、飛艇在對(duì)高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器測(cè)控時(shí)，目標(biāo)在天線波束內(nèi)駐留時(shí)間短，給角度捕獲和跟蹤帶來較大困難，后續(xù)需結(jié)合測(cè)控頻段選擇、引導(dǎo)捕獲策略設(shè)計(jì)等開展研究，并可通過跟蹤搭載測(cè)控信標(biāo)/應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)、無人機(jī)開展相關(guān)試驗(yàn)。

4.3 長時(shí)間“黑障區(qū)”跟蹤技術(shù)

對(duì)于在臨近空間長期飛行的高動(dòng)態(tài)飛行器，其“黑障區(qū)”測(cè)量手段主要包括光學(xué)測(cè)量和雷達(dá)測(cè)量。目前，對(duì)于目標(biāo)長時(shí)間處于“黑障區(qū)”時(shí)的目標(biāo)特性變化、穩(wěn)定跟蹤方法等尚缺乏研究。后續(xù)可結(jié)合參加航天器陸上、海上再入飛行任務(wù)時(shí)積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并開展相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證工作。

4.4 大型飛艇的釋放與回收技術(shù)

臨近空間飛艇體積較大，測(cè)量船尚缺乏飛艇海上釋放與回收經(jīng)驗(yàn)，需開展必要的技術(shù)研究。同時(shí)，也可以考慮探索利用無人島嶼釋放、回收大型飛艇的可行性。

5 結(jié)束語

利用測(cè)量船與臨近空間飛艇開展海上組網(wǎng)測(cè)控具有測(cè)控手段多樣、設(shè)備配置簡單、通信保障方便、部署靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，可以滿足高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器飛行試驗(yàn)全程測(cè)控、多目標(biāo)測(cè)控、高動(dòng)態(tài)測(cè)控、長時(shí)間“黑障”區(qū)測(cè)控的需求，對(duì)我國后續(xù)開展高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器海上測(cè)控系統(tǒng)建設(shè)是一種有益的探索。同時(shí)，這種測(cè)控模式在傳統(tǒng)的航天測(cè)控任務(wù)中也可應(yīng)用，有助于提高測(cè)控弧段覆蓋率，提升測(cè)控系統(tǒng)完成任務(wù)的可靠性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文主要從理論分析層面進(jìn)行了高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器海上組網(wǎng)測(cè)控的方案設(shè)計(jì)，動(dòng)平臺(tái)寬帶數(shù)據(jù)傳輸、高動(dòng)態(tài)目標(biāo)捕獲跟蹤、長時(shí)間“黑障區(qū)”跟蹤、大型飛艇的釋放與回收等一系列關(guān)鍵技術(shù)后續(xù)還有待進(jìn)一步開展研究。

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