流星突发通信的现状及展望

胡大璋

（中国电波传播研究所，青岛 266071）

技术研究

流星突发通信的现状及展望

胡大璋

（中国电波传播研究所，青岛 266071）

本文论述了流星和流星余迹的物理特性，分析了流星突发通信特点，介绍了国外和国内流星突发通信的现状，展望了我国流星突发通信前景。

流星突发通信；流星余迹

1 引言

流星突发通信（Meteor Burst Communication）是一种以流星余迹为媒体的通信体制，简称MBC。MBC起源很早，1930年人们就知道流星能够反射无线电波，但是由于流星出现的概率低，又是间歇式，所以对流星通信没有引起足够的重视，直到1952年美国史坦福大学研究所、美国国家标准局等单位开始研究MBC问题，建立MBC试验系统“JANET”。1965年以后，西欧和美国又建立了“COMET”，“SrarCom”，“SNOTEL”等MBC系统。这时，微波和卫星等通信体制已得到充分地发展，人们又回头开发MBC，重新认识它的价值。人们发现MBC对于远距离（特别是人类不易达到的地区）、数据传输速率较低、保密要求较强的通信系统，具有良好的使用价值。20世纪90年代以后，美国建立现代MBC演示系统，此后美国国防部把MBC列为十大通信系统之一。近十几年，国外大力发展MBC，进行大量MBC试验和理论研究，研制出多种MBC设备、创建以MBC设备为主的通信公司、MBC已成为一种有特殊功能的通信体制。

MBC工作于VHF超高频段（40-60MHz），目前该频率资源利用率最低（电离层高频通信频率在它的下方；超短波频率在它的上方），从频率资源开发角度看，利用40-60MHz超高频做MBC是最有价值的。MBC本身开发利用了大自然的流星资源。

MBC传播距离远，单跳距离达2 000千米，组网后可实现全国通信、洲际通信，还可以达到特别难达到的地区（如海岛、深山等）。与微波或卫星通信体制相比，相同的通信距离它的成本最低，架设简单，使用方便，间歇式通信方式，特别适用于远距离的低速数据通信。另外，MBC的截获概率极低，最适合保密通信，具有很好的军事应用的价值。

2 流星和流星余迹

2.1 流星

流星是宇宙空间物质碎片和尘埃，它们与太阳系其他小行星、彗星一样，环绕着太阳运动。天文观察得到流星的轨道类似于行星，流星的轨道在一个狭长的椭圆轨道。据估计，每天大约有1 000亿颗流星进入地球大气层。前苏联第三颗人造卫星的测压传感器测量表明，对一昼夜落入大气中的流星质量、半径和平均流星数进行统计，发现流星的质量与每天进入大气层的流星数目成反比，若以M表示流星的质量（克），N表示流星质量大于M的流星数，那么，它们之间有如下关系：

流星的质量M范围从10-5到105克，对应的平均流星数N从108到颗102颗。流星分为骤雨流星与零星流星两大类：

骤雨流星（shower meteor）是许多速度相同的流星所组成的流星群体，它们沿着明确的轨道围绕太阳运转。对于地球上的观察者来说，它们好象是从天空同一点发射出来的小火球，就仿佛下骤雨一般，非常壮观，又称“流星雨”。骤雨流星只占用于通信的流星总数的小部分。

零星流星（sporadic meteors）是那些沿任意轨道围绕太阳运行的单个流星，占用于通信的流星总数的大部分。它们出现的时间与次数是随机的，不象流星星群那样可预测到，它们均匀地分布在天空中，但是主要集中在地球绕太阳的轨道椭圆面的周围。

2.2 流星余迹

当流星与地球相遇时，流星闯入了地球大气层，相对地球的运动速度达12～72千米/秒。高速运动的流星与大气层的空气剧烈摩擦，随着流星深入到大气的稠密区（海拔高度120～80千米），摩擦更加剧烈，铁、钙等物质开始融化、蒸发，物质的原子获得极大的热运动速度，以致激起周围大气的电离，随着流星的运动，在流星的尾部形成圆柱形电离气柱，称之为“流星余迹”。流星余迹形成后，初始半径仅几厘米，随后流星余迹的体积迅速扩大，在扩散过程中，流星余迹内电子密度下降，直至流星余迹消失。一般扩散过程持续十分之几秒到几秒，巨大的流星余迹，持续时间达数分钟，其电离气柱直径达几百米，流星余迹的长度达几千米，巨大的流星可以用肉眼看见。

流星余迹作为电波传播媒体，它具有突发性，可借助流星余迹媒体实现通信。

2.3 流星的统计特性

流星观察结果表明：中等纬度地区，零星流星流昼夜变化大致呈正弦形式，以本地时间计算，六点钟有最大值，十八点有最小值，最大值与最小值之比的平均值为4∶1。骤雨流星出现概率比较复杂，若把它考虑进去，昼夜变化曲线会更复杂，而且存在着逐日变化。

零星性流星流季节变化也呈正弦形式，在北半球七月有最大值，二月有最小值，最大值与最小值之比的平均值也为4∶1。阵雨型流星余迹出现概率比较复杂，若把它考虑进去，季节变化曲线也会复杂。

一般地说，赤道地区流星流出现的概率大；两极地区流星流出现的概率小。对于全世界所有地区、不同时间的流星率、流星余迹方向统计目前还不完善，需要进一步研究。

3 国外MBC的研究现状

20世纪90年代美国积极发展MBC技术，进行了“现代MBC演示试验”，它是对现代MBC概念性论证，此前还进行了海洋信息传输、SNOTER（雪场观察）；西欧也进行了JANET，COMET，StarCom系统；其他国家也进行一些流星突发通信系统试验。MBC在台风、沙尘暴、雷暴、冰雪暴、泥石流、地震、森林火灾、水文、海洋、公路的管理和控制领域有广泛应用，在军事上有较大的应用潜力。国际电信联盟（ITU）专门为“流星突发传播的通信”提出建议（Recommendation ITU-R PL-843）[1]。可见国际上极其重视发展流星突发通信技术。西方国家MBC的研究简要介绍如下：

3.1 现代MBC演示试验

上世纪90年代，美国国防现代研究计划局（DARPA）支撑一个现代MBC的演示研究[2]。从纽约州的维罗纳和南卡罗莱纳州之间建立了1 100千米全双工流星散射链路。该系统采用宽带相控阵天线技术，天线波束指向每日时间函数的流星热点（hot-spots）。在每个站采用了四个7单元的八木天线阵作为发射和接收天线。在夏季，这条链路达到每秒几千比特平均数据通过率。这个大功率链路的每个端点用电话线连接到维吉里亚洲的阿林顿演示站。演示链路的两个端点的数字、声音、图像和电子邮件的传输情况。另外，还配备含GPS接收机和移动流星通信车，汽车位置信息传输到1 100千米链路的每个端点，在阿林顿站显示车辆的地理信息系统。

3.2 JANET系统

JANET是加拿大国防部无线电物理研究所早期研究项目，在渥太华到阿瑟港之间1 500千米的距离上，用50MHz频率进行试验，采用5单元八木天线。平均传输速率60字/分，出现流星时，以1 300字/分传输速率，从而使流星通信初次得到成功。

3.3 COMET系统

COMET是荷兰到法国南部之间约1 000千米距离上进行通信试验，频率为36和39MHz，发射功率为200瓦，发收天线为5单元八木天线。数据传输率为1 700字/分（2 000波特）。通信试验表明，早晨通信效果好，傍晚差，日变化呈正弦型；年变化是6月份为最好，12月份为最差。

3.4 海洋信息传输

1959年，波音公司在西雅图至海洋上浮标传输海洋信息，工作距离约900千米，频率为50MHz，功率为600瓦，浮标站平时不发射信号，一旦在适当的位置出现了流星余迹，浮标站按照来自于西雅图的信号指令，将储存好的数据已3 500比特的传输速率发射。由于体制先进，数据传输可靠，证实了MBC的使用价值。

3.5 SNOTER系统

SNOTER系统是1997年美国雪场数据自动传输系统。MBC从美国爱达荷州到犹它州的OREGON，大量的遥测数据通过MBC传输。类似的系统还可以用于水文气象数据网、公路信息管理。

3.6 StarCom系统

StarCom系统是西欧建立流星通信和超短波通信结合系统，近距离采用超短波视距通信，远距离采用流星突发通信。

3.7 南极流星通信

日本在南极的中山站与昭和站之间进行流星通信，得到一些初步的数据。

4 国对MBC我信道的研究

我国MBC发展较迟，上世纪西方发展MBC时，我们正发展卫星、微波通信、光纤通信产业，所以MBC通信照顾不到，除部队曾购买少量国外MBC产品试用外，无重大进展，直到21世纪，国家开始注意MBC，部分研究所开始做一些MBC基本理论和MBC设备研究，但规模小，进展不显著。由于需求不明，国内还没有MBC商业公司。

中国电波传播研究在21世纪初，根据MBC的需要，进行一个试探研究，研制了实验用的“流星探测仪”，建设一条MBC实验链路、对MBC信道特性进行了一系列研究[4]。

4.1 流星探测仪

“流星探测仪”的功能用于测量流星余迹通信信道特性，包括流星余迹信道强度与时间延迟的分布特性。它的工作频段设计为35到60MHz，发射功率为1千瓦级、天线增益为13dB、接收机灵敏度为-120dBm、由GPS时标校准综合频率源，使收发两站的信号得到精确同步（同步精度为0.1微妙），专用接口与计算机连接，用软件控制探测仪的地址工作程序。“流星探测仪”的原理框图如图1所示。

图1 流星探测仪原理框图

图2 2003年8月12日流星余迹信道参数日变化

4.2 MBC信道特性测量

2013年中国电波传播研究所在青岛至新乡600千米链路进行MBC信道特性实测。图2给出了日观测的数据统计结果。给出“流星达到率”、“可用时间比”、“平均持续期”、“最大持续期”一日每个小时的统计值，以及当日的“持续期分布密度”和“持续期累计分布”统计值。

4.2.1 流星到达率

流星达到率（Meteor Rate，MR）定义为单位时间突发信号大于某门限电平的流星数，即

式中，T为观察时期；N为在T时期内观察到的突发流星数。由图2.1看出：流星达到率从每分钟几次到十几次。

4.2.2 可用时间比

可用时间比（Duty Cyc le，DC）定义为突发信号持续期之和与总观察时间的比值，即

式中，T为观察时期；τi为第i个突发流星信号的持续期（单位为秒）。由图2.2看出：可用时间比从百分之几到百分之几十。

4.2.3 平均持续期

平均持续期τ（Average Duration，AD）定义为持续期的平均值，即

式中，N为观察时期内突发信号流星数；τi为第i个突发流星信号的持续期（单位为秒）。由图2.3看出：平均持续期几百毫秒。

4.2.4 最大持续期

最大持续期（Maximum Duration，MD）定义为持续期的平均值，即

式中，Max(x)是对x求最大值；τi为第i个突发流星信号的持续期（单位为秒）。由图2.4看出：持续期几十秒到几百秒。

4.2.5 持续期分布密度

持续期分布密度（D istribu tion Density o f Du ration，DDD）p(τi)与DD有如下关系：

式中，△τi为第i个持续期间隔；N为最大持续期段；ni(τi，τi+△τi)为第i个持续期段(τi，τi+△τi)突发流星信号数；分母表示总流星数；其结果表示归一化的持续期分布密度。

4.2.6 持续期累积分布

持续期累积分布（Cumulative Distribution of Duration，CDD）p(τ＞τk)定义为突发流星信号的持续期大于某特定持续期τk的突发流星信号的累积数，即

式（7）中，分母为总流星数，称为归一化的持续期累积分布。所有MBC信道特性研究成果为我国MBC系统的设计提供依据。

另外，对于MBC的一些关键技术突发通信内的信息粘连技术，采用擦除插入方法，自适应传输速率技术、自适应天线技术、纠错编码技术也进行一些研究。

5 展望

随着微电子器件（低价的固态器件）、数字信号处理技术、相控阵天线技术的发展，MBC的技术信能会得到很多提高，大量的短突发信道得应用。展望21世纪，MBC在下面几个方面会有美好的发展前景。

（1）核战争条件下战略性通信网。首先，在未来战争中，几乎所有现代通信系统，如互联网、微波视距、卫星通信、短波超视距通信、有线通信等将随着载体被破坏而无法通信，而流星流星余迹是一种宇宙现象，相当于一个“永恒卫星”，在核战争时具有极强核生存（nuclear surviavbility）能力；第二，由于MBC采用突发信道技术，具有优良的抗截获（intercept resistance）、抗堵塞（jam resistance）和保密（cryption）能力，组网后，也不像手机，互联网易被黑客破坏；第三，MBC造价低，无需像卫星通信那样昂贵的发射费用；第四，MBC可以装载在移动车上，易于移动，架设方便，具有流动隐蔽性能，特别适于战争环境。由于MBC具有诸多重大的军事优势，所以它是急通战略性通信网理想形式。西方国家拟将以MBC方式，建立的最小特别紧急通信网MEECN（the Minimum Essential Emergency Communication Network），作为国家特别紧急的通信手段[2]。

（2）灾害应急通信网。中国地域辽阔，人口众多，各种灾害（如地震、泥石流、飓风、海啸、山洪、森林火灾）频繁发生，传统通信方式受到限制。流星余迹通信却受干扰较小，也特别适合于恶劣环境下通信。所以建立全国灾害应急通信网可广泛地用于气象、地震、水文、交通、救生等全国灾害信息预报、救援、管理、传递的应用。

（3）智能移动流星通信系统。现代电子发展，特别是高速微电子器件、天线定向扫描技术、大功率发射器件、低噪声接收机器件，流星余迹信道修正技术，有望提高MBC系统整体性能，使之建成具有优秀性能的“智能移动流星通信系统”，将应用于更多领域。

6 结束语

我国在流星突发通信起步晚，MBC技术发展不快，社会关注、信息交流、商业运作不够，所以在本文中研讨，对于我国MBC的发展是有益的。

[1] Recommendation ITU-RPL-843,“Communication by meteor brush propagation”,ITU-R RECOMM ENDATION,1994 PL Series Volume Propagation In Ionized Media,PP258.

[2] R. I. Desourdi,Jr,“Advanced meteor burst communication”,AIAA-99-0507.

[3] C.S.Wilkins，”Erasure insertion methods for meteor burst communication system with fixed and variable rate coding”，IEEE Transactions on Communications, vol. 45, pp. 625-628, June 1997.

[4] 胡大璋，刘云．流星余迹信道研究．电波科学学报，第22卷增刊，2003年月.

Status and Outlook for the Meteor Burst Communication

Hu Dazhang
（China Research Institute of Radiowave Propagation, Qingdao,266071）

This paper discusses the physical properties for meteor and meteor trail. Analyzes the characteristic of meteor burst communication. Introduces the status of meteor burst communication on foreign and on inland. Outlook on my future of meteor burst communication.

Meteor Burst Communication; Meteor Trail

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.09.001

TN 91

A

1672-7274（2014）09-0001-05

胡大璋，男，1940年6月生，湖北武汉人，中国电波传播研究所研究员，享受国务院政府特殊经贴。从事电波传播研究工作。国际无线电科学联盟（URSI）中国委员会委员。