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流星余迹通信的特点及其应用与发展综述

文章来源:军民智融 发布时间:2017-07-04

中国电子科技集团公司第五十四研究所  陈玮

66242部队  郭利生

96275部队  徐志平

一、引言

流星余迹通信,又称流星突发通信(MBC),是利用离地面80~120km的高度上流星高速进入大气层燃烧而形成的电离余迹对VHF电波的反射/散射作用而实现的一种超远距离无线通信方式。

流星余迹通信因其传输信道的随机出现、不可预测、不受核爆和太阳黑子影响等的特殊传播机理,使其具有传输信道不易被摧毁、隐蔽性和保密性高、通信距离远(可达2000km),特别是在核爆、太阳黑子爆发等恶劣环境下能够不受影响的提供最低限度通信保障等突出优点,因此成为战略应急通信中特别是核袭击之后其他常规通信手段遭受强烈攻击而失去效能时的一种优选通信保障手段。

二、流星余迹通信的机理及特点

1.机理

流星余迹通信是利用电离的流星余迹作为无线信号传播媒质的一种通信手段。这些余迹存在于地球大气层中距地面80~120km的高空,这个稍纵即逝的电离带,可以对40~100MHz的电波有效地前向弯折传输,形成远距离通信,通信距离最远可达2000km。虽然每天产生数亿个可应用的流星余迹,但是只有那些路径几何参数(高度和位置)合适的余迹才能用于维持地球上特定两点的通信。能够被利用的流星余迹必须满足下面三个条件:

l  在收发天线波束相交的公共体积内出现流星电离余迹,且高度位于80~120km范围内;

l  流星电离余迹的轴线与以发射机和接收机的位置为两个焦点的椭球面相切;

l  由此电离余迹反射或散射的电波到达接收点的场强高于接收机门限电平。

若电离余迹的轴线与以发、收两站点为焦点的所有椭球面上含两站点的任一椭圆相切,则发射波在其切点被该电离余迹反射。椭圆的性质决定了所有切点的入射角和反射角相等,因而任一切点的反射均可使两站之间构成流星突发链路。流星突发通信路径的几何关系如图1所示。

由于电离余迹这种通信媒质是随机出现的,其持续时间和等待间隔均是随机量,因此流星余迹通信是一种随机突发的间断的通信方式。也就是说,在地球上任意两点,在某个位置能提供一个足够合适的通信路径的流星余迹不会总是存在的。

随着电离余迹的扩散,电子密度下降,从余迹反射或散射的信号幅度随时间按指数规律减小,当信号幅度减小到小于接收机门限时,就无法再进行通信。每个流星突发余迹的反射信号都会呈现这种指数衰减,因此流星突发通信是建立在对路径的存在和路径存在时间足够长以能用于通信的概率统计上的。

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2.特点

流星余迹通信具有以下突出特点:

(1信道稳定可靠,特别是不受核爆、电离层扰动、太阳黑子爆发、磁暴、日凌等的影响。

流星余迹通信的传输介质始终存在,信道稳定可靠,且不受电离层扰动影响,核爆后仍能保持通信,可弥补卫星和短波通信的不足,是一种较理想的战略应急通信手段。

(2)采用随机突发方式,抗截获、抗侦听,安全性好。

流星余迹通信采用随机突发方式,敌方很难对流星进行破坏、攻击或干扰,因此具有良好的保密抗截获能力。

另外,流星余迹通信具有“足迹”特性,其“足迹”是无线电波经流星突发余迹反射或散射而照到地面的一个有限覆盖区,通常为一个狭长的马蹄形,强信号区为约几公里宽、几十公里长的椭圆形。收端设备只有处于该“足迹”之内,才能收到发端站所发的信号,处于同一“足迹”内的多个收端站能同时收到同一突发余迹所反射或散射的发端信号;反之,则不能。因此,“足迹”的存在,使流星余迹这种通信方式具有天然的良好抗窃听、抗干扰能力。

(3)支持全时域、全天候工作。

根据资料显示,每天进入地球大气层的偶发流星有1012之多,分布在全球各地上空,完全可以支持一年四季的通信。由于流星余迹出现在平流层的顶部,那里没有气象的剧烈变化;并且流星余迹通信的使用频段较低,在穿越大气层底端时,雨雪对其没有影响,因此能够满足全时域、全天候的使用要求。

(4)通信距离远,单跳达2000km,加中继则通信距离可更远。

流星余迹发生在80~120km高空,其单跳通信距离最远可达2000km,且可以进行中继,满足超远距离通信要求。

(5)组网方式灵活,具有天然多址能力,1台主站可带多至上千台从站终端。

流星余迹通信自身具有空分多址能力,支持一站与多站连接,在相应通信协议支持下,便于组成一种远距离、稀路由网络。

(6)布设开通迅速,自主性强,不需借助于空中转发设备(如卫星、空中平台等)支持。

(7)可动中通,通信设备可搭载车辆、舰船、飞机等移动平台。

另外,流星余迹通信也具有通信持续时间短、传输容量小、背景电磁干扰高的固有局限。

三、国外流星余迹通信发展现状

20世纪40年代,美国、前苏联和加拿大等国家利用雷达观测流星时,发现利用流星余迹对超短波无线电波的反射和散射作用,可实现VHF电波的超远距离传输。此后,上述各国为全面研究这种通信媒质的特性作了大量的工作。

20世纪50年代,加拿大在渥太华-阿瑟港、阿瑟港-哈利法斯之间建立了第一个流星余迹通信试验系统JANET,取得了很大成功。这是一个点对点系统,两站相距900km,工作频率30~50MHz,发射功率500W,采用五单元八木天线,平均每分钟传34个字。同期,美国“波音”公司建立了西雅图-华盛顿、波兹曼-蒙大拿之间的流星余迹试验系统;前苏联建立了莫斯科-喀山、喀山-奥德隆之间的流星余迹试验系统。上述试验研究证实了流星余迹通信的使用价值。

20世纪60年代中叶,研制出了第一代流星余迹通信系统,采用调频或脉幅调制的模拟体制,可以传输电传报、等幅报等业务,主要用于系统试验使用。如北约(NATO)司令部在JANET系统的基础上建立了改进的COMET试验系统。

20世纪70年代,国外相继研制了不少全新的流星突发通信系统,并在军用领域、民用领域以各种形式实用化。1975年,美国MCC公司研制出先进的MCC-500系列流星突发通信系统设备,并提供美军使用。这一时期还陆续建立了一批民用流星突发通信系统,如美国西部的用来测报积雪厚度、气温和降雨量的水文数据传输网。

20世纪80年代世界各国广泛开发流星突发通信设备,使之进一步实用化。美国国防部认识到“流星突发通信可能是军用通信最丰富的资源之一”而高度重视,将其列入新的战略通信手段,进行了多次在军事应用方面的试验研究,并制定了军用技术规范。一些民用部门也采用流星突发通信系统来收集海上浮标数据、调度车辆、作商用卫星的备份等。这一时期涌现出一批制造商,如MCC公司、SRS公司、GTE公司等。同时,不少大学和有关机构也对这种通信媒质进行了深入研究。因此,这十年间,流星突发通信无论在理论研究、设备制造和线路建设诸方面都得到了飞跃发展。

20世纪90年代是流星突发通信全面发展的时期,技术开发和设计制造两方面都有了突飞猛进的发展,应用更为广泛。欧美出现了10家开发制造商或应用流星突发通信系统企业;美国、俄罗斯、日本等国在提高流星突发通信性能的关键技术或流星突发信道方面都作了深入研究,并获得了显著成果。俄罗斯与美国共同完成了流星通信和计算机模拟预测工作,为流星突发通信设备研制提供了科学依据。

到目前为止,流星余迹通信已在国外民用和军用中得到了广泛应用,先后建立了多个大型流星余迹通信网,主要用于应急通信、情报收集、信息发布、数据采集。具有代表性的通信网络有美国积雪探测系统、北美防空联合司令部通讯网、空军阿拉斯加空中指挥MBC系统、海军海洋浮标测试试验系统,以及苏联的多位置流星无线电标准比较系统等。美国在其最低限度基本应急通信网(MEECN)中纳入了流星余迹通信手段,用于在险恶的战争条件下、特别是核袭击条件下保证最低限度指挥控制通信。

其中,美国空军是应用流星余迹通信最为广泛的用户:

(1)北美防空联合司令部流星余迹通信网:该系统是由美国空军建立的目前最大的军用流星余迹通信网。主要用于为美国空军阿拉斯加州地区空军指挥部完成雷达导航指挥通信,弥补卫星通信在紧急情况下的通信资源不足问题以及作为受核攻击后的应急通信手段使用。该系统由3个主站和20个从站组成,覆盖美国2/3国土和加拿大安大略湖地区。其网络拓扑结构如图2所示。

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(2)阿拉斯加空中指挥(AAC)流星余迹通信系统:该系统是美国空军建立的一个战术级流星余迹通信网,主要用于雷达数据的传输。其主站位于埃尔多夫空军基地的地域作战控制中心(Regional Operations Control Center),13个高功率(10kW)从站位于阿拉斯加的远程雷达站点,采用星状组网方式,传输格式化的短消息,在战时为作战指控中心与雷达站之间提供一个不易受攻击、顽存性强的应急通信系统,并作为卫星通信的备份。美国空军认为该系统是一个在环境威胁较大的情况下可使用的重要通信手段之一。

流星余迹通信在舰船、浮标、飞机、移动车辆上均已投入实用。站型包括主站、从站、数据采集站、便携站和无人值守终端站等,具有猝发速率可变、组网工作能力。这些设备采用了高阶数字调制解调、高性能的信道编译码、实时信道估计、弱信号检测和噪声抑制等先进技术,有效提高了流星余迹通信系统的传输容量。国外流星突发通信系统的发展及参数见下表:

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四、流星余迹通信站的扩展应用

扩展流星余迹通信站使用功能,提升其使用价值可以考虑一站多模应用。多模应用的定义为一条确定的流星余迹通信链路,根据环境条件变化,可选择流星余迹模式、对流层散射模式、Es层(偶发E层)模式三者之一,从而使该通信链路服务能力和使用价值显增。各种模式通信能力介绍如下:

(1)对流层散射模式:除冬季几天外,可以不间断通信,从400km(或350km)到800km范围内,速率从128kb/s到每秒数比特随传输条件自动改变,直到每秒比特级速率。

(2)流星余迹模式:猝发通信,需要短则数秒,长则十数分钟甚至更长的等待时间,但是其不论冬夏,每日可用。

(3)Es层模式:仅就我国情况,除冬季外,在600~1000km范围内常有出现,持续时间每次数小时,间隔时间可长数十天,一经出现,流星余迹通信站可以进行话音甚至动图业务的传输。

因此,可以利用对流层散射模式和Es层模式提高数据通过率,利用流星余迹模式保障重要信息一小时之内确保发出。应用多模式通信的链路两站之间必须有信道传播能力的识别判断,和信道使用的通信波形的选定。若能如此,在电磁环境较好的我国西部地区,其应用价值相当可观。

五、流星余迹通信的未来应用展望

随着技术发展,流星余迹通信的信息等待时间缩短、内在抗干扰性能增强、快速架设便携式天线的应用以及特有的超远距离传输能力,使得其应用日趋广泛。美国作为流星余迹通信的应用大国,预计未来该手段的军事应用和民用领域如下:

(1)袭击后的恢复与重建:用于在评估剩余的军事、民用设施时作为辅助手段。

(2)热点海域和边远地区的边境监视:由于流星余迹通信可抗超视距干扰、抗截获、低成本,因此适于作为边境监视的通信手段。

(3)环境和生态的远程感知:流星余迹通信适用于对自然、人为的潜在灾害(如土壤湿度、酸雨、核泄露)等需要地面测量及预报的场合,可在人迹罕至的地区设置无人站,以监测环境信息。

(4)扩展的超视距战场通信:在便携站、车载站与空中平台之间需要抗干扰、隐蔽通信的场合,常规通信易于被侦收,流星余迹通信因其良好的抗干扰抗截获性能以及超远距离通信能力而成为一种有效手段。

(5)作为战斗无线电台使用:利用流星余迹通信链路上存在的其他传播机制,预计在夏季流星余迹通信系统的工作频率可扩展到30~300MHz,因此未来可作为战斗无线电台使用,既具有近程战斗网络电台的低功率、低重量、低成本的优点,又可用于扩展距离通信,减少被干扰或截获的概率。

(6)长距离的国境内,紧急状态下,时间统一信息(时统)的传递:如俄罗斯,数千平方公里的疆域内,在特殊情况下进行“对表”,可用流星余迹通信实现,时间精度小于50ms。

六、结束语

由于流星余迹通信所具有的一系列突出优点,美军已将其纳入最低限度基本应急通信网(MEECN),用于提供最低的预警和国家最低限度的应急通信保障。特别是在美国空军的应用最为广泛,充分说明流星余迹通信是战略应急通信中的一种必不可少的重要通信手段。