临近空间平台作战效能影响研究

安合志，李 萍，王蕾蕾，张文辉

(1.武警工程大学研究生大队，陕西西安 710086;2.武警工程大学通信工程系，陕西西安 710086)

所谓临近空间是指距地面20～100 km的空域［1］，处于现有飞机的最高飞行高度和卫星的最低轨道高度之间，是从航空空域向航天空域过渡的区域。，它大致包括:大部分大气平流层、全部中间层和部分热层区域。在这个层次上部署的军事装备，上可威胁卫星等天基平台，下可攻击航空器等空基平台甚至地面目标，并可完成通信、遥测、情报、侦察和监视等各种军事任务［2］。因此临近空间以其自身的显著特点，可以作为卫星和飞机的有效补充。其巨大的军事应用价值受到了军事强国的高度重视。因此，开展临近空间平台的作战应用效能指标的研究具有重要意义。

1 临近空间平台作战效能指标分析

作战应用效能的评价，主要是基于在覆盖范围、传输时延、分辨率和电波传输损耗等方面的效能来确定。覆盖范围是关于飞行器对作战区域通信覆盖能力的基本描述，是作战应用效能评价的首要指标;传输时延，是指两个通信节点之间通信的传输时延;分辨率是关于飞行器对目标分辨能力的描述;电波传输损耗主要考虑无线电波在自由空间传播的衰耗［3］。

1.1 覆盖范围

临近空间平台能实现较大区域的通信覆盖，单个平台对地球表面的覆盖示意图，如图1所示。图中P1为临近空间平台，P2为平台在地面的投影，O为地心，平台离地的高度P1P2为h，通信距离P1P3为d，地面电台的天线仰角为α，平台覆盖范围的地心角为β，地球半径OP3为R，高度角为θ。在三角形P1OP3中应用正弦定理可得，平台的高度角为

通过高度角θ，可以推导出平台对地面的覆盖中心角为

再根据余弦定理和弧长计算公式，可得出空中平台至地面站的通信距离d和覆盖半径r分别为

实际应用中，地面电台的天线仰角必须要考虑。因为如果地面天线的通信仰角太低，则易受地面噪声、地面散射和大气折射等的影响，会导致无法正常通信。所以，空间通信平台到地面通信台站的直线，与地面台站所处的地平线之间的夹角必须大于天线的仰角α，才能保证通信畅通。在覆盖区域内，天线仰角越高，通信效果越佳。由于要考虑天线的仰角，使得覆盖区域的半径发生变化，仰角越大，实际可用区域半径越小，一般地面天线在覆盖区内的仰角不少于5°～10°时，才能确保边缘处的通信质量［4］。

图1 临近空间平台对地的覆盖示意图

如图2所示，在不同的天线仰角下，临近空间平台的覆盖半径与平台高度之间呈现逐步上升趋势;但在相同的平台高度下，覆盖半径与天线仰角之间呈减少趋势。当临近空间平台高度为20 km时，覆盖半径与地面天线仰角的关系如图3所示，仰角在0°～10°的范围内，覆盖半径下降得很快，从504.11 km递减到108 km，之后随天线仰角的变化，覆盖半径变化趋于平缓。

1.2 传输时延

传输时延主要取决于两个通信节点之间通信链路的长度。当主要考虑地面站利用单个飞行器进行信号中继和转发的单跳时延时，传输时延Δτ可表示为

如图4所示，不同的天线仰角下，临近空间平台的传输时延与平台高度之间呈现逐步上升的趋势;但在相同的平台高度下，传输时延与天线仰角之间呈减少的趋势。当临近空间平台高度为20 km时，传输时延与地面天线的仰角的关系如图5所示，仰角在0°～10°的范围内，传输时延下降得很快，从3.368 ms递减到0.7327 ms，之后随着天线仰角的变化，传输时延变化趋于平缓。

1.3 分辨率

在各飞行器上到底能“看到”什么，能分辨什么，主要取决于分辨率，该分辨率与飞行器所处高度和相机焦距以及照相系统的分辨力有关。设飞行器照片的地面分辨率为S，飞行器轨道高度为H，相机焦距为F，相机系统分辨力为r，则

将轨道卫星与80 km高空的临近空间探测器进行比较，如表1所示［5］，可以看到临近空间平台分辨率要高得多，容易实现对目标的高分辨率观测。

表1 GEO，HEO，LEO预警卫星及临近空间探测器的(星下点)分辨率对比

1.4 传输损耗

临近空间平台的通信链路经过对流层和平流层。其中，平流层对电磁波的影响甚小，可以近似认作自由空间的电波传输。而对流层中，由于含有水分子、云、雾、雨和雪等颗粒，会对电磁波产生吸收和散射作用，从而形成了电波传播的大气损耗。这种损耗与电波的频率有密切的关系，在300 MHz～10 GHz的频段内，大气损耗很小。尤其是地面电台的天线仰角＞5°时，大气损耗可以忽略不计。自由空间的传播路径损耗是由于电波在传播过程中，能量随着传输距离的增加而扩散造成的，可通过式(7)得出

其中，f为发射信号频率。

如图6所示，不同的天线仰角下，临近空间平台的传输时延与平台高度之间呈现逐步上升的趋势;但在相同的平台高度下，传输时延与天线仰角之间呈减少的趋势。当临近空间平台高度为20 km时，传输时延与地面天线的仰角的关系如图7所示，地面天线仰角越大，其通信路径越短，自由空间链路损耗越小，而且通信频率越高损耗越大。

图6 传输损耗与与平台高度、地面天线仰角的关系

图7 传输损耗与信号频率、地面天线仰角之间的关系

2 结束语

对临近空间平台的作战应用效能指标进行仿真分析，得出临近空间对空中信息的接收有更高的灵敏度、信噪比和更小的时延。临近空间侦察平台的引入有效弥补了航天器和航空器的不足，一方面可以建立新的通信中继节点和转信平台;另一方面空中传感器系统可以直接将侦察情报和信息传到临近空间通信平台，由临近空间平台对侦察信息进行比较、分析和融合，提取最有用的信息发送给空中使用平台;三是依托临近空间侦察系统平台距离空中平台更近，且电波传播为自由空间传播等特点，减弱信号在传播过程中面临的各种威胁，从而提升整个通信系统的效能。随着技术的不断突破，临近空间平台的侦察能力将会进一步提升，在未来战争中发挥重要作用，对现代战争态势发展将产生深刻影响。

［1］ 曹秀云.临近空间飞行器成为各国近期研究的热点［J］.中国航天，2006(6):32－36.

［2］ 何彦峰.浅析临近空间平台的军事应用［J］.国防科技，2007(6):32－35.

［3］ 王久辉，赵博，蔡青青.基于OPNET的临近空间通信网仿真研究［J］.通信对抗，2009(1):45－50.

［4］ 盛红岩.平流层通信技术在军事通信中的应用［J］.电脑知识与技术，2007(17):87－90.

［5］ 刘毅，阳曙光，李为民.临近空间及其在防空反导作战中的应用分析［J］.现代防御技术，2007(12):18－21.