飛艇應(yīng)急通信系統(tǒng)在抗災(zāi)救援中的重大應(yīng)用*

顧文愷 王大華

(1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)(2.海軍工程大學(xué)訓(xùn)練部 武漢 430033)

飛艇應(yīng)急通信系統(tǒng)在抗災(zāi)救援中的重大應(yīng)用*

顧文愷1王大華2

(1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)(2.海軍工程大學(xué)訓(xùn)練部 武漢 430033)

分析表明,我國(guó)現(xiàn)有的應(yīng)急通信系統(tǒng)均不能良好地滿(mǎn)足抗災(zāi)救援的需求。為了解決此問(wèn)題,論文提出了一種利用飛艇搭載應(yīng)急通信設(shè)備構(gòu)成的飛艇應(yīng)急通信系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了設(shè)計(jì),對(duì)系統(tǒng)中飛艇的飛行高度、通信頻率的選擇、天線設(shè)計(jì)要求、通信覆蓋范圍等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了分析和計(jì)算。該系統(tǒng)不僅在滿(mǎn)足抗災(zāi)救援過(guò)程中應(yīng)急通信需求上具有多方面的突出優(yōu)勢(shì),并且在信息化條件下的軍事應(yīng)用方面也有著廣闊的前景。

飛艇; 應(yīng)急通信; 抗災(zāi)救援

Class Number TN925

1 引言

我國(guó)近年來(lái)自然災(zāi)害頻發(fā),多次重大的自然災(zāi)害,造成了重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失,非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事行動(dòng)越來(lái)越頻繁。災(zāi)害發(fā)生以后,地面固定網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施遭受?chē)?yán)重破壞,由此引發(fā)災(zāi)區(qū)與外界的通信中斷,阻礙救援工作的有效開(kāi)展。因此,災(zāi)后的通信應(yīng)急快速恢復(fù)已經(jīng)成為抗災(zāi)救援任務(wù)順利完成的重要需求。加強(qiáng)應(yīng)急通信系統(tǒng)[1]建設(shè),確保災(zāi)區(qū)的通信暢通對(duì)于確?？篂?zāi)救援工作的快速有效開(kāi)展以及安定民心、穩(wěn)定秩序具有極其重大的意義和作用。

目前我國(guó)常用的應(yīng)急通信手段[2]有移動(dòng)應(yīng)急通信車(chē)、衛(wèi)星電話以及空投衛(wèi)星基站等,但均存在顯著的局限性。移動(dòng)應(yīng)急通信車(chē)的載荷量很小,搭載的硬件設(shè)備十分有限,因此通信覆蓋范圍較小;地震等自然災(zāi)害發(fā)生后,隨之發(fā)生的山體滑坡、泥石流等次生災(zāi)害將導(dǎo)致道路的坍塌或阻塞,此時(shí)移動(dòng)應(yīng)急通信車(chē)無(wú)法進(jìn)入災(zāi)區(qū),根本無(wú)法發(fā)揮作用。衛(wèi)星電話的數(shù)量有限,普及度很低,無(wú)法滿(mǎn)足大量用戶(hù)的通信需求。衛(wèi)星基站則需要由專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行調(diào)試后才可以使用,要求技術(shù)人員與基站設(shè)備一同抵達(dá)災(zāi)區(qū),所以也常常無(wú)法滿(mǎn)足應(yīng)急通信的需要。

綜上所述,當(dāng)發(fā)生重大自然災(zāi)害時(shí),現(xiàn)有的傳統(tǒng)應(yīng)急通信手段根本不能滿(mǎn)足災(zāi)區(qū)的通信需求。為此,本文設(shè)計(jì)了一種新型的飛艇應(yīng)急通信系統(tǒng),能夠在災(zāi)害發(fā)生后的短時(shí)間內(nèi)為受災(zāi)地區(qū)提供全面、快速的通信保障。

2 飛艇應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1) 具備多種通信能力。系統(tǒng)具有衛(wèi)星通信、微波通信、短波通信三種通信能力,能夠滿(mǎn)足多種通信需求。

2) 語(yǔ)音通信功能。能夠建立飛艇平臺(tái)與抗災(zāi)救援指揮中心之間的專(zhuān)用語(yǔ)音通信信道;能夠恢復(fù)災(zāi)區(qū)人民的手機(jī)通信;能夠建立應(yīng)急電臺(tái)進(jìn)行應(yīng)急廣播。

3) 視頻監(jiān)測(cè)功能。系統(tǒng)搭載高清視頻采集設(shè)備,能夠?qū)?zāi)區(qū)的視頻情況及時(shí)傳送給抗災(zāi)救援指揮中心。

4) 視頻會(huì)議功能。能夠在飛艇平臺(tái)和抗災(zāi)救援指揮中心之間進(jìn)行視頻會(huì)議,方便指揮中心布置抗災(zāi)救援任務(wù),指導(dǎo)抗災(zāi)救援工作。

5) 導(dǎo)航定位功能。飛艇應(yīng)急通信系統(tǒng)具有導(dǎo)航定位功能,能夠協(xié)助救援人員進(jìn)行導(dǎo)航和定位。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

飛艇應(yīng)急通信系統(tǒng)主要由通信子系統(tǒng)、視頻采集子系統(tǒng)、導(dǎo)航定位子系統(tǒng)三部分構(gòu)成,其組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 飛艇應(yīng)急通信系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)

飛艇[3]由專(zhuān)業(yè)飛艇駕駛員駕駛,并搭載技術(shù)人員操控通信設(shè)備,在恢復(fù)災(zāi)區(qū)人民群眾通信服務(wù)的同時(shí)協(xié)助完成抗災(zāi)救援的其他任務(wù),如對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻采集、救援指揮和對(duì)傷員進(jìn)行緊急救援等。

通信子系統(tǒng)是飛艇應(yīng)急通信系統(tǒng)最重要的部分,其中的衛(wèi)星通信功能主要為救援人員與抗災(zāi)救援指揮中心之間的專(zhuān)線通信提供保障,具有高質(zhì)量的話音通信和高速數(shù)據(jù)傳輸功能。短波通信功能主要用于建立應(yīng)急電臺(tái),實(shí)現(xiàn)災(zāi)區(qū)的應(yīng)急廣播。微波通信功能主要幫助恢復(fù)災(zāi)區(qū)人民的手機(jī)通信。飛艇的飛行高度很高,因此可以實(shí)現(xiàn)較大面積的通信覆蓋,通過(guò)在飛艇上搭載不同運(yùn)營(yíng)商的基站設(shè)備,使飛艇成為空中蜂窩移動(dòng)通信基站[4],借助微波通信設(shè)備與地面移動(dòng)交換機(jī)建立微波通信鏈路,進(jìn)而接入移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),恢復(fù)災(zāi)區(qū)人民的手機(jī)通信服務(wù)。

視頻采集子系統(tǒng)主要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)情況的視頻采集以及幫助建立視頻會(huì)議。導(dǎo)航定位子系統(tǒng)對(duì)飛艇進(jìn)行飛行導(dǎo)航和位置定位,幫助飛艇在最短的時(shí)間內(nèi)飛抵任務(wù)區(qū)域。

圖2 飛艇應(yīng)急通信系統(tǒng)微波通信鏈路圖

3 相關(guān)技術(shù)分析

3.1 飛行高度及頻段選擇

目前,國(guó)內(nèi)外廣泛開(kāi)展對(duì)平流層通信[5]的研究,文獻(xiàn)[6]提出了一種利用浮空平臺(tái)在平流層進(jìn)行應(yīng)急指揮通信的方法,但浮空器在平流層的滯空技術(shù)尚未有效解決,因此無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際的需要。而在對(duì)流層區(qū)域,載人飛艇可以較為平穩(wěn)地懸停在空中,擔(dān)負(fù)應(yīng)急通信系統(tǒng)的全部使命任務(wù)為災(zāi)區(qū)提供穩(wěn)定的通信覆蓋。因此,本系統(tǒng)中飛艇應(yīng)急通信平臺(tái)的飛行高度應(yīng)選在對(duì)流層(3000m～5000m)及以下空域。

對(duì)流層位于大氣的底層,與地面相接,集中了75%的大氣質(zhì)量和90%以上的水汽。大氣中包含的氧、水汽(包括水汽凝結(jié)成的云霧以及降水)等物質(zhì)會(huì)吸收電波能量,從而對(duì)電波的傳播產(chǎn)生影響。因此電波頻率的選擇應(yīng)當(dāng)考慮大氣對(duì)電波衰減的影響。

根據(jù)國(guó)際電聯(lián)無(wú)線電通信部門(mén)《ITU-R P.676-8建議書(shū)》中介紹的無(wú)線電波在大氣氣體中衰減的計(jì)算方法,對(duì)不同頻率的無(wú)線電波在干燥空氣和水汽中的衰減分別進(jìn)行計(jì)算和仿真。其仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖中的曲線可以看出,無(wú)論是在干燥空氣和水汽中,大氣對(duì)無(wú)線電波的吸收作用均隨著頻率的增加而增大。對(duì)于10GHz以下的頻率,干燥空氣對(duì)其吸收衰減較小,而50GHz以上的波在大氣中的衰減較為嚴(yán)重。

圖3 無(wú)線電波在大氣氣體中的衰減仿真圖

考慮到該系統(tǒng)中兩條中繼轉(zhuǎn)發(fā)鏈路的中繼距離都比較長(zhǎng),因此飛艇應(yīng)急通信系統(tǒng)中的兩條中繼轉(zhuǎn)發(fā)鏈路的頻率應(yīng)使用10GHz,該頻率的電波大氣衰減程度較小,傳播距離較遠(yuǎn),并且能夠獲得較寬的通信頻帶和較大的通信容量。對(duì)于災(zāi)區(qū)的移動(dòng)用戶(hù),飛艇應(yīng)急通信平臺(tái)為其提供語(yǔ)音和短信等業(yè)務(wù),因此蜂窩網(wǎng)部分的通信頻段應(yīng)與GSM移動(dòng)通信的工作頻段相一致。

3.2 天線要求

由于對(duì)流層距離地面的高度較低,在蜂窩網(wǎng)組織通信的部分,要求飛艇搭載的天線必須具有較寬的波束張角才可以覆蓋較大的通信區(qū)域,但天線張角過(guò)大將導(dǎo)致波束增益的降低,因此,飛艇平臺(tái)應(yīng)選用多波束天線[7],從而在受災(zāi)區(qū)域形成若干高增益的窄波束,共同覆蓋較大的區(qū)域,并且每個(gè)波束覆蓋的區(qū)域之間應(yīng)有少許的重疊,以保證對(duì)通信區(qū)域的無(wú)縫隙覆蓋。飛艇與通信衛(wèi)星、地面固定基站之間則選用相應(yīng)的微波天線。此外,由于該系統(tǒng)中存在多條信號(hào)傳播路徑,會(huì)造成接收信號(hào)的多徑衰落[8],而圓極化天線具有良好的抗多徑反射和雨霧干擾的能力,在幫助消除多徑衰落的同時(shí)還能減少由飛艇運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的對(duì)通信設(shè)備的影響,因此飛艇天線應(yīng)采用圓極化設(shè)計(jì),以提高通信的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3 通信覆蓋幾何范圍

考慮大氣的折射作用,對(duì)地球半徑作等效處理。

R=Kr

(1)

K為等效地球半徑因子。根據(jù)氣候條件的不同,K的取值也不同。

圖4 飛艇平臺(tái)通信覆蓋范圍示意圖

圖4為飛艇平臺(tái)通信覆蓋范圍示意圖,取地球半徑r=6370km,則在溫帶地區(qū)的地球等效半徑

根據(jù)圖中的三角關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。

(2)

(3)

因?yàn)镽?h

因此,

(4)

由于β很小,此時(shí)

(5)

覆蓋半徑

(6)

飛艇飛行高度h=3km,則可以計(jì)算出幾何覆蓋半徑r≈226km

4 飛艇應(yīng)急通信系統(tǒng)的巨大優(yōu)勢(shì)

1) 機(jī)動(dòng)性好。飛艇起降和飛行均不受地形限制,可在災(zāi)害發(fā)生后的第一時(shí)間飛抵災(zāi)區(qū)上空,立即構(gòu)建災(zāi)區(qū)與外界的通信聯(lián)絡(luò)。

2) 覆蓋面積廣。與傳統(tǒng)地面基站相比,飛艇的飛行高度較高,天線覆蓋面積增大,可為大范圍的受災(zāi)地區(qū)提供通信服務(wù)。

3) 頻道寬、載荷量大。飛艇可搭載大尺寸載荷,相當(dāng)于大型空中移動(dòng)基站,與災(zāi)區(qū)周邊未被損壞的固定站相配合,可以滿(mǎn)足大量用戶(hù)的通信需求。

4) 穩(wěn)定性好。與利用飛機(jī)搭載通信設(shè)備構(gòu)成的空中應(yīng)急通信平臺(tái)相比,飛艇的飛行更為平穩(wěn),且具有長(zhǎng)時(shí)間定點(diǎn)留空能力,其多普勒效應(yīng)小,對(duì)通信設(shè)備的影響小。

5) 功能多,可擴(kuò)展性好。集語(yǔ)音通話、視頻監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)定位、應(yīng)急廣播、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苡谝惑w,為抗災(zāi)救援指揮部開(kāi)展抗災(zāi)救援工作提供多種信息支持。

6) 綠色環(huán)保。飛艇飛行由于空氣浮力的作用,大大減小了發(fā)動(dòng)機(jī)的消耗功率,節(jié)能環(huán)保,是極有發(fā)展前途的綠色飛行器。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,飛艇應(yīng)急通信系統(tǒng)在抗災(zāi)救援等非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事行動(dòng)中可以發(fā)揮重大作用。同時(shí)必須看到,飛艇應(yīng)急通信系統(tǒng)在國(guó)防和軍隊(duì)現(xiàn)代化建設(shè)等領(lǐng)域也有著極其廣闊的發(fā)展空間,它的推廣應(yīng)用具有非常重大的軍事效益,是貫徹落實(shí)黨中央關(guān)于提高應(yīng)對(duì)多種安全威脅,完成多樣化任務(wù)能力指示的有效途徑,而構(gòu)建的軍民融合的先進(jìn)裝備技術(shù)平臺(tái),更將大大提高軍隊(duì)在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)[9～10]條件下實(shí)施軍事行動(dòng)的能力。因此,飛艇應(yīng)急通信系統(tǒng)是國(guó)防建設(shè)、國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)急救援體系值得優(yōu)先發(fā)展的重大項(xiàng)目。

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Significant Application of Airship Emergency Communication System in Disaster Relief

GU Wenkai1WANG Dahua2

(1. Electronic Engineering Department, Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (2. Training Division, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Analysis demonstrates that our existing emergency communication system can’t satisfactorily meet the needs of disaster relief. To solve this problem, the airship emergency communication system which consist of an airship equipped with emergency communications equipment is presented in this paper. The structure and function of the system is designed. The altitude of airship, communication frequency selection, antenna design requirements, communications coverage and other technical indicators are analyzed and calculated. This system not only has many outstanding advantages but also has broad prospects in the emergency communications needs, in military applications of information technology.

airship, emergency communication, disaster relief

2014年4月10日,

2014年5月29日

顧文愷,男,碩士研究生,研究方向:系統(tǒng)工程。王大華,男,教授,研究方向:系統(tǒng)工程。

TN925

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.016