平流层飞艇无线通信系统

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1、平流层飞艇无线通信系统【摘要】：飞81通信是近几年来出现的一种通信方式，它利用一个漂浮于地球上 空20 50公里的飞艇装教的通信平台，实现信息的传输或转发。由于该通信系统 具有适中的覆盖面枳、低廉的戒本、安全可靠等一系列独特的优点，巳经引起了许 多国家的注克和重视，应用前景十分诱人。本文简单MiiT飞81的工作坏境和应用 前景，较岸细地描述了该系筑的各组成册分、性能特性及要解决的关键问题。【关 览词】：飞81通信系貌关罐技术1、引言平流层是大气层中最平静的一段，不受天气影晌，也几平从不潮湿由干平流层 有着隐定的气象条件和良好的电腕特性，数十年来人们一直在尝试利用平流层平 台长期驻空进行观测和通

2、信。进入21世纪，嫁着相关技术的飞速发展，在世界上 掀起了研究和开发平流层平台热潮。平流层平台的定点位置一般设定在距地面20km附近的平流层JKSL因为那里的全年平均风速较弱。根幽所携带的不同有效 载荷，平流层平台可以作为通信平台或观测基地从通信领域的角度来看，平流层 平台具有传输距离短、传输时延小、发射功率小以及能量损耗少的优点，因而平 台和信号传输系统部可以设廿得更加简单。并目一个平渣层平台在20km定自高 时它的地面有效覆盖面枳达到19000km2,完全可以实现小型通信终常为广大区域 提供高速通信服务的目标。而在地球观测领域，平流层平台由于距离地面较近，能够提侯比卫星观测更高的分辨率和不

3、仅能进行地球坏境变化观测和气象数据探测，还可以通il对指定地区的连续ifflaii交通、灾害及坏境破坏监视，在洪水、火灾或地震等灾害来临时，构成广大区域的监视系统。回着科学枝术的不彦斤发展，在全球的宽带连接、地球遥感成像、空间观测、大气测量、全球资源监腔以员军事侦察等方面的需求将会数不脏数。平流层平台广阔的应用前景越来 引起世界的关注，美、日、员西欧各国巳经投人了大量的人力物力对其进行可行性研究论51以及试验。36000km10000km1000km可步卫星IIIIII1中低轨卫星700km100km23km19 8 km13. 7 km7 6km .4. 6km10km1km,100m臭氧层

4、平流层 民航离度.平台日S00cce系研气球I泌面系统2、系貌组成2.1气球气球是系筑中的工作主体。外形一般为球形、水滴形和飞艇形。气球壁用多层薄除 和织物粘合而成，包牯一 JgTedlarSi、两层聚脂薄般和一层涤纶，系留气球系躲可以 在恒风50-70节（相当干10-12级风）、阵风70-90节的悄况下堪定悬停在高空。气 球的前端有鼻维和鼻系索，中间是球II。后端有中空而充人空气的垂直号水平息定尾 翼。尾翼有“十”字形和“人”字形两种。从气球两侧和底部引出多股披系索和聚合 线，聚合线汇集在气球下方的聚汇贞上，与系统缆索相连接。大 型系冒气球的甜结构 如下图所示。2.2有效我荷有效我荷根据用迩

5、的不同而各有所异。一般来讲,典塑的有效我荷色括通信、广 播、电子侦察、雷达等电子设备，相应的动力设备、控制机构、定向装置及信息转 发设备等。有效裁荷都集中悬挂在气球下方的肪风罩。有效裁商的选择受气球载荷 重量、航风罩几何尺寸夫小及裁荷所需功率等因素限制。为了械小尺寸和重量，保 址系统稳定工作，通常把各种电子器件和天线装置紧凑地组装成个单元，通ilJJ向 关节倒挂在球体下面的Hi架结构上，以减轻载荷受到气球摇瞿和晃动的影宜几 2.3系统缆索系留缆索上常与气球聚合线相接，下端与地面系留设施连接，用来把气球悬浮在 -定高度。早期的系留缆索为iH丝绳，由干拉力强度、重量及功能方面的原因，现巳呆用新塑系

6、留缆累。新塑缆索的中心部分有3根带绝缘的传输电线，能传输 400HZ.3000V三相电力，供设备用电，传翰电线外册有屏箴层、介质、光纤传输线 和多层凯夫也林料制成的加强保护层，外层是避窗电的堀制网套，最外层是一种由 嵌人涤纶丝加弓鱼的金扬编级网套。缆索中的光导纤缄作为遥测与遥腔系貌中的通信线路,传送监测与遥控指令，其数据率fiil100Mb/s，凯夫拉加泪保护层材料与美军航 弹衣和陆军言内盔所用林料相同。用逆种林料斟作的缆索具有应力强度高、重量轻等 优点。2.4地面系留设施该设施Q称停泊系统，是系留气球系统的操纵、控制和维护中心主要有地面国定式、机动式和觇81装我式3种。固定武地面系留设施适用

7、于大塑系留气球，通常 由机械转台、系留塔、废转基座、水平怖架、绞盘、操作控制室、工作平台和贸形 单根导珈等组成。机动式地面系冒设随适用干小塑系留气球，主要由系冒塔、悬臂 式Ifi架、液压绞盘、操作控翎台和平极拖车等组成。隈裁系留设随由500吨级的小 型供应船改装而成，在其后甲极两IM各有一条导轧两珈间隔为6m,导珈上架有可前工字M犀根导做后杨动的滑架，可360fiH专，滑架上固定有系留系貌。固定式:鼻系直撼作控制台n液压主收盘机动耳心2.5地面控制站地面腔制站有遥测和荷挥系貌，用以监测和控制气球上的所有通信设施，并连续 监测升空气球的各顶工作数据和坏境高度.风速、温度、球体、仰仰度、横潦U和

8、方向等)它也作为中心站完ffiffiit图像信息的贮存或转发。大型气球系统的地面控制 站为固定建筑场，设置在阵地外面。小型气球系貌的地面控制站犯为安装在支援拖 车上的一个控制室。3、特点3.1覆盖围平流层通信平台为三种不同的覆盖区域提供服务而设it,即城市股盖区(UAC)、市郊麒盖区(SAC)和远郊覆盖E(RAC),总的覆盖区域fiil10km2,其最小仰角分别是30,10o,0o在远茹骰盖区提K400MW的助率，而在城市和市郊贸盖区域 中都只提BI10MW的功率，前者是为了对折更大的大气衰溅和更远更离的传输损tto在47GHZ 段上更大的大气衰减(由蒸汽加上气休造成)稠会带来2%的中彦斤。根

9、据用户所处的覆盖区不同，平潦层通信平台业务可以用手持PDA类装置(UAC)、小型笔记本式装置（SAC域小的碟形天线（RAC）来接人。在城市、市郊及远郊贸盖 区 中的最低天线增益分别为3dBi,23dBifH36dBi。平流层通信平台的地面覆盖悄况平流层平台既适用于城市，也可用干海洋、山区，还可以迅速转矜，用干发生自燃史害（如洪水、山火、地震等）的通信。3.3经济性造价和通信资费低，平流层的故飞及、回收及日常监测和一般的民航系筑相做，不需要庞大复杂的发射基地,ffiitS 一平台造价为通信卫星的1/10；而且每个平台部 可以独立运行，不像低轨通信卫星那样需发射几十卫星组成星座之后才能工作， 建设

10、周期姬，投资少，一般用户端机价招也低，通信资费也不高干巳有的公众。3.4环保性坏境问题是当前国际上高度关注的问题之一。和卫星通信相比，系留气球通信系貌 在坏保方面具有突出的优点:它不需要火箭发射，没有发射火箭时所产生的有害气体; 它主要使用太HI能发电，子推进器则利用同ifi层的等离子体，不会对臭 氧层起破坏 作用；系留气球通信系统失效时还可回收修复，不会成为空间垃圾。3.5生存力气球的使用寿金，一般可）47-10年。在空中悬停时同相对较长，大型气球的悬停时 同为20-30天，小型气球也这2周，而其它飞行器的续航时间仅为424小时，瓦不 如系留气球。此外，气球的杭风能力较强，能在弓鱼风下（大雷

11、暴甬除外）工作。在岸对 海或视对海监视时，浓雾可能会阳止飞机飞行，而系冒气球可在能见度几 平为零的 悄况下升空和回收。3.6安全性气球无需载人操纵，在实际使用中不会出现人员ffito4、关建技术4.1压力控制在平流层飞皿的设廿巾，把整个血分成数f囊室，每个曩休有一套压力控制装置, 分别控制曩体的筋压力。其优点有：增加可靠性，某破损仅仅影响飞行高度，不会对 飞肯且产生致命后果；可分别对各个爨体的浮力大小进行控制，U而调整飞艇的俯仰姿 态fto 2些裂体分为氮气裂和空气裂，一般通il对空气囊进 行充气或故气来实现压力 控制。压力控制系铳的主要作用有：外形保持平舄层飞肯且是充气的柔性体，必须通过压力

12、控制，建立飞肯且外差压103% （400800 Pa ），并在整个飞行过程中SW2-压差，从而保持整个飞艇的外部形状。在飞88 上升期间，外部压力降低。相应地，通11差压wnift气保持外压差一致。在飞0下 降过程中，18飞18高度降低,外部压力增加，飞艇部趋向负压,需打开 黄风机充 气，绒持压差。在定点期同，壬要由于S158差的变化，使飞粗部压力 改变，从而 影咀飞艇的外形。可以通11两种方法保持飞ffii形状，一是进行充气放 气;二是调 整驻空高度。(2)升力浮力控制平流层飞血的主要开力源是它所受的浮力，外形压力保持系貌使飞81外形始终不 变，飞肯且所受浮力就主要取决于此高U的空气密1。由

13、于大气密度回着高度的不同 而有很大变化，因此在上升和下降过程中，升力在垂直方向是不稳定的，需 要对飞 81部空气与氮气比例加以腔制。一般呆用的方法是在飞81前后各有一副气 囊，通 过对副气囊充放气，植得升力控制和纵向配平控制。4.2能源电池研制平流层飞!通信系统长时间在没有本雨等气象条件的高空运行，果用太91能电池 +惆能电池的能源系统方案最为有利：白天由太91能电池把光能转化为电能，在为 各工作设备提俱连续电能的同时，对储能电池充电，夜晚由晞能电池为设备哄电。由 于在冬季和高第度地区，太阳能电池吸收到的太阳能十分有限，因此提 高电池的效率 和比功率、降低电池重量是太III能电池技术研究的重点

14、与关建。另外卜，考虑到飞I 的形表面和柔性结构,太阳能电池的薄膜化、柔性化也是一种吩然言宜矜。对干B!能 电池，无论是常规蓄电池、理离子电池还是可再生悠料电池，除对其效率(色祐充电 和枚电)、重量的要求与限制外，还必须考虑到电池在大规模使用和长期使用时的坏 境适应性、安全11与可靠性。而对干还处干试验阶段的微波能量传输技术，要应用 于平流层飞fl!主要需解决传输距离员其与通信信号的干扰问题。4.3动力控制平流层飞81要实观长期定点，需要太81能、燃料电池等装置存备令和提俱能量， 并利用无刷直流电机替代航空发动机作为动力源带动螺旋桨，以对折风的扰动。由 于风速大小是18机变化的，所以飞艇的动力控

15、制系必须不彦斤调节电机的转速， 来改变推力大小，以抵折风速变化的影响，保持定点。送样，就必须解决高空环境 下的无剧宜流电机转速及转矩控制问题，还要设it电机的控制器及控制算 法4.4林料研制平流层通信平台的主体是庞大的充氮飞血，其表面枳约为几片平方米。为了降IK 飞81自身重量，并延长其寿金，用于沟成飞血黛体的林料吩须重量轻、弓鱼度高、 折老化性能好，同时II应有较强的抗高能福射和臭氧腐也的能力。弼初步估算，飞 料的主要性能应这到下列要求：单位面枳重量小于1809/时,拉伸彦斤裂 强H大于 400N/cm，氮漏率小T0.5L/mDAo当前巳有的各种单一林料都 难以满足这些要 求，通常都采用以高

16、分子林料为主的多层复合布吉构。这种名层结沟一般分为承力 层、址气层、热封层、肪老化层，以及用于粘合功能林料的中间层等。制备这种复 合林料的加工工艺也是重要的研究课题。4.5坏境控制平流层空间的低密度、高辐射ffllKifl特点给飞ffl!通信系统的坏境控斟、特别是 热腔制带来不利影响。白天和夜晚飞血所受热辐射差别巨夫，即使是白天同一时 刻，飞血向光面和背光面的温度差异也很夫。飞血平台坏境控制枝术的关建一方面 是在有限的重量能量条件下，为旧上设备提哄合适的工作温度、发挥设备性能；另 一个方面是针对坏境变化调节飞81自身的状态，特别是气囊气体的状态。作为一 种主要依靠浮力来克服自身重力升空的航空器

17、，平流层飞81通信系貌飞皿平台的 性能与坏境条件密切相关：温度上升引起气体膈胀，最终会导致飞8!上升；滔度降 低引起气体收缩，最终会导致飞艇下降。由于飞肯且体枳尺寸巨夫，自身的调节响应 时间较慢，因此有必要研究一套坏境控制、特别是热控技术，改善飞1性能。4.6升空回收平流层飞181通信系貌的休枳和重量巨大，使其顺利升人平流层空间并安全返回 地面的升空回收技术与常规飞81和其他航空、航天器均有所不同。作为低速浮空器， 平渣层飞肯且的升降过程受风速影哨很大，通常的设廿规划中，飞81升空时需要利用 空气浮力和风速将其送人到预定的空M, ifiBI地面时，需要利用重力和风速实现回收。 因此，掌握从地面

18、到平流层高度的大气坏境，特别是大气风场就显 得格外重要。同 时，飞血的上升卞降还要经历空气密度、压力和温度的巨大变化，只有压力调节、动 力推进、飞行控JM等多方功能系统协调配合，才能使飞81始终 处于设廿状态之。 从目前国外的相关进展来看，对平流层飞皿的升空回收技术、特别是有效的回收着 陆技术的研究还比较欠缺，亟侍加以解决以实现飞！的名次 重夏使用要求。5、结培平流层飞81通信平台的研制是一顶崭新的课题，由干受到平流层气象员物理条件 的限制，对林料、能源、动力等诸多方面的要求都非常苛刻，迄今为止，能实观长期 驻空的实用平流层飞81通信平台还没有研制成功。但回着科学技术的迅速发展，特 别是电晕离

19、子推进器技术的发展，多波束天线技术的日醴成熟，攒电子 产晶对轻小 型我休的支持和遥腔和遥测技术的进步等等，平流层飞血通信系貌正成为一种板有 发展潜力和竞争力的通信系貌，日益受到人们的重视，迪种通信系 貌将会适时切人 21世纪初无线通信产业的许多变革，我们期侍着平流层飞81通信 的早日实现。参考文献: 1胡红芬，雒小红.平潼层气球羲通信系境.现代雷达，2000 ( 4 )2谭百商匕平流层飞艇通信系统关建技术探讨.中国新通信，2010(11)3 RUH晋，屈卫东，席裕庚平流层平台的发展及其自壬控制关建技术工业仪表与自动化装置,2004 ( 01 )4霁.平浦层通信系红现代电信科枝，1998 ( 09 )