基于浮空器的新型应急通信监测系统

费东年 赵攀峰

中国电子科技集团第38研究所，合肥 230088

基于浮空器的新型应急通信监测系统

费东年 赵攀峰

中国电子科技集团第38研究所，合肥 230088

介绍了一种新型的机动式空中应急通信监测系统，该系统以机动式系留气球和小型遥控飞艇为空中平台，搭载各种通信、侦察、监测等电子设备，具有快速灵活、机动性强、费用低廉等特点，能够适应复杂环境，面对突发事件时可以快速布置到任何需要的地方。

机动式;系留气球;飞艇;应急通信监测系统;系统设计

近年来，在我国境内频繁发生特大地质、气象和海洋灾害。灾害造成的破坏通常是毁灭性的，使电力系统、交通系统和通信系统等陷入瘫痪(如图1所示)。其中交通系统和通信系统无法在短时间内恢复，给应急救灾、公众通信带来极大不便，使人民生命财产损失进一步加大。

图1 自然灾害造成的破坏

为最大可能地挽救人民生命财产，全面部署救灾行动，恢复受灾区域无线通信及提供最前沿的灾情报告成为所有工作开展的前提和重中之重。但是在交通系统和通信系统瘫痪后，现有的应急通信监测系统由于种种原因无法满足需求:1)现有的卫星通信系统由于受到终端不普及、带宽不足等因素的限制，无法满足部署救灾行动对灾区通信监测的需求;2)地面应急通信车等系统因为复杂地理、气象环境所限，难以实施大规模的应急通信监测保障;3)现有的直升机、无人驾驶飞机匮乏以及不能长时间的升空工作，严重影响灾情上空的通信监测能力。

通过以上分析可知，在交通系统和通信系统无法工作，而现有的各种应急通信监测系统又受到种种限制的情况下，有必要建立一种适用于突发事件、便于快速部署、支持调度指挥的新型应急通信监测系统。该系统要求机动灵活，能够适应各种复杂环境，在突发事件发生后，于受灾区域上空提供及时、有效的通信监测手段［1］。

1 系统分析

新型应急通信监测系统的2个主要功能是无线通信和光学监测。

无线通信距离受无线电视距和链路电路的限制。在链路电路通畅的情况下，无线电视距成为通信作用距离的关键因素。

光学监测距离也受视距和光学仪器性能的限制。在光学仪器性能一定的情况下，视距成为光学监测作用距离的关键因素。

通过分析可知无论是无线通信还是光学监测的作用距离都与视距密切相关，是能够实现受灾区域无线通信正常化及提供最前沿灾情报告的关键因素。

无线电视距是指在2个物体之间保持无障碍通信监测的最大距离，它与地球曲率、大气反射、气候和地形等诸多因素有关。无线电视距传播如图2所示。

图2 无线电视距传播示意图

图2中，LOB为地球半径R，LAD和LCE分别为物体1和物体2的高度。由于LAD和LCE都远远小于地球半径R，无线电视距近似值LAC为

地球半径R为6370km，代入公式得

式中，LAD和LCE的单位为m，LAC单位为km;

从图2可以看出，在受灾区域区通信中继的端站天线遭到破坏以后，要实现受灾区域内与区域外的通信监测正常化必须在短时间内有一种空中平台能够携带光学系统和无线通信网络系统长期滞空，从而降低地球曲率的影响，使通信监测的距离得到大大提高［2］。

这里介绍一种新型的空中平台—浮空器。浮空器是一种把充入气囊中的轻于空气的气体产生的浮力作为主要升力的飞行器［3］。浮空器可以广泛用于:侦察、电子干扰、预警探测、通信中继等领域［4］。

浮空器按有无动力推进可分为飞艇、系留气球和自由气球。其具体分类如图3所示。

图3 浮空器具体分类示意图

相对于众多的飞行器(譬如卫星、直升机和无人机等)，浮空器作为应急通信监测的载体具有许多独特的优势，主要体现在以下几个方面［5］:

1)研制周期短，成本低;

2)有效载重量大;

3)可在空中长期定点驻留，留空时间长;

4)空中姿态稳定，有利于任务设备的正常工作;

5)安全性好，生存能力强;

6)部署方便灵活，无需专用机场和发射工具;

7)操作维护简单，使用成本低。

下面设计一套新型的应急通信监测系统，该监测系统的空中搭载平台为新型的空中平台—浮空器。

2 系统设计

新型应急通信监测系统由空中搭载平台和搭载的任务系统组成。平台系统由一套系留气球系统和一套飞艇系统共同组成，空中平台搭载的任务系统由光学设备(譬如摄像装置)和无线通信网络系统组成。

对于光学设备及无线通信网络系统来说，现有的技术已相当成熟，在此不再详细论述。

虽然浮空器的发展历史已经很长，可是对国内来说，它还是个新兴的产业，本文将对这个新兴的空中平台重点论述，对整套系统协调配合工作完成预期的效果进行可行性阐述。

2.1 系留气球系统

系留气球按照使用要求和体积大小分为车载机动式，舰载机动式和阵地式3种［6］。

阵地式系留气球具有固定的基础，体积较大，无法实现快速机动的要求，不适合作为应急通信监测系统的空中平台。

舰载机动式系留气球一般安装在大型的舰船上，能够实现舰船之间的高速机动，也不适合作为应急通信监测系统的空中平台。

车载机动式系留气球的体积一般在(1～6)×103m3之间，升空高度在两、三千米以内。其载体为可移动的大型车辆，可以根据需要快速布置到任何地方，具有高机动、灵活等特点。它适合搭载通信、侦察、干扰等电子设备。因此，这里选择车载机动式系留气球作为应急通信监测系统的空中搭载平台之一。

车载机动式系留气球系统包括气球、系留缆绳、锚泊设施和任务系统4个部分，如图4所示。

图4 车载机动式系留气球系统组成示意图

2.1.1 气球

气球是一种依靠充入气囊内部轻于空气的气体(通常为氦气)产生浮力，克服其自身重量和任务载荷重量而实现空中浮升的球体，它依靠系留缆绳实现在空中长时间定点滞留。

气球是任务设备的承载平台。它的任务是携带任务设备升空。当气球内充入适量的氦气时，气球升至任务设备所需的工作高度，为任务设备持续工作提供稳定的平台［7］。

2.1.2 系留缆绳

系留缆绳主要用于气球的系泊和牵引，给球上的设备供电及通信。通过系留缆绳组件，实现气球与地面锚泊设施的物理连接、光信号和电力传输。

2.1.3 锚泊设施

锚泊设施用于气球的地面停泊，对滞空后的气球进行操控。锚泊设施在运输状态下，采用由牵引车加半挂拖车的运输形式，能够方便地转移，拥有快速布置能力，快速转移能力。

2.1.4 任务系统

任务系统为空中无线通信网络系统，具有超远视距的通信和图像传输功能以及“通信中继”功能。

2.1.5 工作模式

在灾害发生后，根据受灾区域大小，在任务系统相对固定的情况下，选用功能满足要求的车载机动式系留气球系统。

根据受灾区域的特点和救灾的需要，将车载机动式系留气球系统布置到受灾区域外围的合适位置，利用系留气球将任务系统携带至工作高度，系留气球上的任务设备将接收到的图像数据和通信数据通过微波链路或光纤传输到地面接收设备，进而接入地面移动通信网，在最短的时间内实现受灾区域无线通信正常化，并可以将灾区最前沿的第一手灾情信息传递出来，从而得以全面部署救灾行动，以挽救更多的生命和国家财产。车载机动式系留气球在应急通信监测系统中的应用如图5所示。

图5 车载式系留气球系统工作示意图

2.2 飞艇系统

飞艇是一种靠轻于空气的气体取代空气而产生升力的可推进和可操纵的航空器。它与系留气球最大的区别在于:气球没有动力装置实现飞行，也没有操纵舵面实现有控飞行;飞艇虽然也是靠空气浮力升空，但它配置有发动机、空气螺旋桨(或其他类推进器)、操纵面，能实现有动力推进和可操纵、控制的飞行［8］。

飞艇按照升空高度和体积大小分为平流层飞艇和对流层飞艇。平流层飞艇由于技术难度大，国内尚处于研发阶段。对流层飞艇按照驾驶方式可分为载人飞艇和遥控飞艇。载人飞艇指由专业飞艇驾驶员全程操纵、驾驶的飞艇。遥控飞艇是一种能实现超视距动态实时监测遥控和程序控制的无人飞行器系统。它具有有遥控飞行和自主控制飞行2种控制模式，遥控飞行主要用于起飞和降落，自主控制飞行主要用于巡航或任务飞行。它具有有效载重大、留空时间长、可在空中定点和悬停、使用成本低、无需专用机场和跑道、安全性高等特点，能够实现对飞艇的目测遥控飞行、超视距实时监控以及自主控制飞行并完成特定的任务。在空中预警、电子对抗、通信指挥、城市交通监控、环境监测和地质勘探等领域遥控飞艇都能发挥出重要的作用。因此，无人遥控飞艇是应急通信监测系统空中平台的最佳选择。

遥控飞艇系统主要包括空中部分和地面部分。空中部分主要由囊体、尾翼、吊舱、头锥和任务系统等部件及必要的功能分系统组成，具体如图6所示［2］。地面部分为测控指挥车。

图6 遥控飞艇系统组成示意图

2.2.1 囊体

飞艇的囊体内部分隔为1个主气囊和2个副气囊，主气囊用于存储氦气，副气囊存储空气，用于维持飞艇内部的差压和重心调节。

2.2.2 尾翼

尾翼安装于囊体尾部，一般为X型布局，尾翼上设有舵面，用于维持飞艇的稳定性和操纵。

2.2.3 吊舱

吊舱一般设在囊体的下部，主要用于装载发动机、油箱、动力转向系统、电池、控制系统以及镇重等设备。

2.2.4 头锥

头锥位于囊体前端，其主要作用是为满足地面牵引和地面系留的需要，将牵引和系留的集中载荷分散均匀地传递给囊体，避免囊体受损。

2.2.5 任务系统

任务系统主要由航拍系统和空中无线通信网络系统组成。航拍系统可以实时航拍突发事件地区的图像，并对重点区域进行长时间的立体监控。空中无线通信网络系统可以使受灾地区和外面能够正常通信，准确地把最前沿的灾情报告传递出来。

2.2.6 测控指挥车

测控指挥车为飞艇的地面移动测控指挥平台，集飞艇监测、飞艇遥控指挥、地面指挥调度、信息转换、汇报演示、商务办公及生活保障等多种功能为一体，强化了飞艇系统的实用功能，提高了整个系统的品质。

2.2.7 工作模式

在灾害发生后，根据受灾区域大小，在任务系统相对固定的情况下，选用功能满足要求的飞艇系统。

根据受灾区域的特点和救灾的需要，将飞艇系统布置到受灾区域外围的合适位置。飞艇在测控指挥车的遥控指挥下，从受灾区域外围的临时放飞场起飞，通过巡航机动和上下机动直接奔赴受灾区域内部，对重点区域进行监测，飞艇上的任务设备将接收到的图像数据和通信数据通过微波链路传输到地面接收设备，进而接入地面移动通信网，将灾区最前沿的第一手灾情信息传递出来。飞艇完成任务以后原路返回，并在原放飞场降落。具体工作流程如图7所示。

图7 遥控飞艇系统工作示意图

2.3 新型应急通信监测系统

通过前两节的论述可知采用遥控飞艇或者车载式系留气球来做应急通信监测系统的空中搭载平台分别有各自的优点和缺点，具体见表1所示。

表1 遥控飞艇和车载式系留气球空中搭载平台优缺点

从表1可以看出，如果单独采用飞艇作为空中搭载平台，飞艇可以通过无线遥控进入受灾区域内部进行实地航拍，从而拍摄出高质量的灾情画面，准确地把最前沿的灾情报告传递出来。但是由于受飞艇升空高度的限制，通信监测的距离将大大的受到限制。同时遥控飞艇不能长时间升空，无法保证受灾区域长时间的通信正常化。

同样如果单独采用系留气球作为空中搭载平台，系留气球由于载重量大、升空高度高和安全稳定性好等优点完全能够满足通信监测系统的要求，但是由于系留气球升空后不能自主飞行，无法深入灾区腹地进行实地拍摄，无法得到高质量的灾情报告。

通过分析可知，无论单独采用遥控飞艇还是车载式系留气球都无法很好地满足应急通信监测系统空中搭载平台的需求。因此新型应急通信监测系统是将一套系留气球系统和一套飞艇系统有机地联合起来，共同完成救灾对通信监测的需求。

根据受灾区域大小，在任务系统相对固定的情况下，选用合适的遥控飞艇和车载式系留气球。

首先，在受灾区域外围的一定区域内选择合适的地点，将遥控飞艇和车载式系留气球、部分保障装备运输到预设放飞地点。在气象条件允许的前提下，将浮空平台充气、系留、设备加载、升空，展开空中转发通信。然后，在需要时将遥控飞艇在地面测控指挥车的指挥下从放飞场起飞，通过巡航机动和上下机动到达临时放飞场上空。当飞艇升空以后，将移动测控车与系留气球的锚泊车相连，通过系留气球上搭载的微波链路转发设备对飞艇进行遥控指挥。在遥控下飞艇直接奔赴灾区空域，对重点监测对象进行监测，将监测到的图像数据连同接收到通信数据通过微波链路传输给一定距离处的系留气球上无线通信网络设备，由系留气球上无线传输设备将图像数据和通信数据通过微波链路或光纤传输到地面接收设备，进而接入地面移动通信网。

飞艇完成任务以后原路返回，并在原放飞场降落。具体工作流程如图8所示。

图8 新型应急通信监测系统工作示意图

从上面的论述可知新型应急通信监测系统能够满足受灾区域通信正常化及对重点区域进行监控观察的需求，具有一定的可行性。

3 结论

介绍了利用浮空器作为空中平台进行应急通信监测的系统方案。重点对系统的组成、各部分的功能及系统之间组网工作进行了详细的论述，对该系统的工作可行性进行了研究。

该系统的开发设计能够带动我国应急通信监测技术的发展，切实解决我国在面临特大自然灾害时应急救灾通信监测手段缺乏的问题，社会效益显著。

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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

费东年(1980-)，男，合肥人，硕士，工程师，主要研究领域为浮空器设计;赵攀峰(1977-)，男，湖南常德人，高级工程师，主要从事浮空器总体设计。