基于手持終端的天基偵察信息戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用研究

廖育榮，　丁　丹，　柴　黎，　王朋云

(1. 裝備學(xué)院 光電裝備系, 北京 101416；　2. 裝備學(xué)院 研究生管理大隊(duì), 北京 101416)

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基于手持終端的天基偵察信息戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用研究

廖育榮1，丁丹1，柴黎1，王朋云2

(1. 裝備學(xué)院 光電裝備系, 北京 101416；2. 裝備學(xué)院 研究生管理大隊(duì), 北京 101416)

針對(duì)車(chē)載機(jī)動(dòng)站天基信息應(yīng)用時(shí)效性、靈活性不足的問(wèn)題，圍繞基于手持終端的遙感信息應(yīng)用開(kāi)展研究。在對(duì)比國(guó)內(nèi)外手持終端衛(wèi)星應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于手持終端的中心分發(fā)和星地直通2種典型應(yīng)用模式，對(duì)比了其優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)分析了星地直通應(yīng)用模式下的數(shù)據(jù)傳輸需求和能力。計(jì)算與仿真結(jié)果表明，基于手持終端的星地直通傳輸能力能夠滿足一線單兵戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)的信息量需求。

天基信息；戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用；手持終端；鏈路預(yù)算

當(dāng)前，作戰(zhàn)部隊(duì)獲取衛(wèi)星偵察信息的流程過(guò)于復(fù)雜，任務(wù)周期過(guò)長(zhǎng)。作戰(zhàn)部隊(duì)需先向偵察衛(wèi)星管控部門(mén)提出申請(qǐng)，經(jīng)過(guò)多方會(huì)商后確定偵察任務(wù)，衛(wèi)星按照上述指令執(zhí)行偵察任務(wù)和數(shù)傳任務(wù)，衛(wèi)星接收站將接收信息轉(zhuǎn)發(fā)給情報(bào)處理部門(mén)進(jìn)行情報(bào)提取，最后通過(guò)通信網(wǎng)傳輸或文件交接的方式分發(fā)給作戰(zhàn)部隊(duì)。另一方面，各型車(chē)載機(jī)動(dòng)站仍然存在體積龐大、系統(tǒng)復(fù)雜的問(wèn)題，展開(kāi)、撤收時(shí)間較長(zhǎng)，且機(jī)動(dòng)速度和機(jī)動(dòng)范圍較為受限[1]，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和態(tài)勢(shì)，不能滿足團(tuán)、營(yíng)、連、排、單兵等級(jí)別的戰(zhàn)術(shù)需要。因此，亟須探索天基信息應(yīng)用的新手段、新模式，實(shí)現(xiàn)天基信息快速支援戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)。

本文以手持型終端為研究對(duì)象，探索天基信息直接、快速支援戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)的模式和能力。天基信息應(yīng)用設(shè)備的便攜化程度和智能化水平對(duì)作戰(zhàn)單元應(yīng)用天基信息的能力有重要影響，采用便于攜帶、易于操作、具有較強(qiáng)信息接收和處理能力的手持型終端，能夠適應(yīng)戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)時(shí)間突發(fā)、地點(diǎn)隨機(jī)、態(tài)勢(shì)多變的特點(diǎn)，提高部隊(duì)?wèi)?yīng)急作戰(zhàn)能力。此外，手持型的衛(wèi)星綜合應(yīng)用終端還可作為士兵的智能助手，提高戰(zhàn)場(chǎng)通信偵察、態(tài)勢(shì)感知和執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的能力。可以預(yù)見(jiàn)，衛(wèi)星應(yīng)用終端的手持型設(shè)備將成為未來(lái)單兵戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的重要配置，更是突發(fā)條件下不可或缺的應(yīng)急裝備。

1　現(xiàn)狀及問(wèn)題

1.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外基于手持終端的天基信息應(yīng)用典型代表包括奈特勇士(Nett Warrior)系統(tǒng)、藍(lán)軍跟蹤(Blue Force Tracking)系統(tǒng)[2]和SeeMe系統(tǒng)[3]等。這里重點(diǎn)介紹最具代表性的SeeMe系統(tǒng)中手持終端的應(yīng)用情況。

1) 終端形態(tài)。SeeMe項(xiàng)目的目標(biāo)是支持接近便簽簿尺寸的、安裝安卓操作系統(tǒng)的商用手持終端，能夠輸入感興趣目標(biāo)的經(jīng)緯度和時(shí)間，并附上ID標(biāo)識(shí)，也能夠接收、顯示并處理所得圖像。

2) 主要功能。SeeMe計(jì)劃旨在為單兵在遙遠(yuǎn)地帶和超視距條件下提供立即響應(yīng)式的天基戰(zhàn)術(shù)情報(bào)支持能力。從基層作戰(zhàn)部隊(duì)提出成像請(qǐng)求到分發(fā)圖像可在90 min內(nèi)完成，支持“即指即拍”。每顆SeeMe衛(wèi)星能同時(shí)支持10個(gè)并發(fā)地面用戶，從地面用戶通過(guò)手持設(shè)備向衛(wèi)星發(fā)出成像請(qǐng)求到接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)成功用時(shí)不超過(guò)90 min。在300 km軌道高度上，能夠獲取星下點(diǎn)分辨率優(yōu)于國(guó)家圖像解析度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的5級(jí)可見(jiàn)光圖像，對(duì)應(yīng)的地面分辨率為0.75～1.2 m。

1.2主要存在的問(wèn)題

“十二五”以來(lái)，經(jīng)過(guò)高分等項(xiàng)目推動(dòng)，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星應(yīng)用手持終端已有一定發(fā)展，但與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍有一定差距，主要體現(xiàn)在：

1) 直通衛(wèi)星能力較弱。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有衛(wèi)星應(yīng)用手持終端大多依靠地面通信網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星信息，能夠直接接收衛(wèi)星偵察信息的手持式終端還沒(méi)有投入裝備使用。一線作戰(zhàn)人員遠(yuǎn)程機(jī)動(dòng)衛(wèi)星應(yīng)用手段和應(yīng)急衛(wèi)星應(yīng)用手段不多，空間信息尚不能直達(dá)一線作戰(zhàn)單元。

2) 信息處理能力較弱。受限于處理平臺(tái)的規(guī)模和能力，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星應(yīng)用終端的情報(bào)產(chǎn)品主要來(lái)自地面情報(bào)處理站，難以直接對(duì)天基信息進(jìn)行實(shí)時(shí)融合處理，對(duì)一線作戰(zhàn)單元的快速、實(shí)時(shí)保障能力不強(qiáng)，不能滿足信息化聯(lián)合作戰(zhàn)的需要。

2　應(yīng)用模式

基于手持終端的遙感信息應(yīng)用是一種特殊的應(yīng)用方式，具有易于配發(fā)部署、便于攜帶、應(yīng)用便捷的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也面臨著信號(hào)傳輸能力、信息處理能力受限的問(wèn)題，因此設(shè)計(jì)如下2種適用于手持終端特點(diǎn)的應(yīng)用模式。

2.1中心分發(fā)應(yīng)用模式

中心分發(fā)應(yīng)用模式如圖1所示。戰(zhàn)地指揮所配備車(chē)載機(jī)動(dòng)站，單兵配備手持終端。單兵通過(guò)手持終端的WEB頁(yè)面生成天基信息支援請(qǐng)求，并將請(qǐng)求發(fā)送到車(chē)載機(jī)動(dòng)站，車(chē)載機(jī)動(dòng)站完成任務(wù)規(guī)劃、指令上注、數(shù)據(jù)接收和情報(bào)生成，生成的情報(bào)產(chǎn)品通過(guò)通信鏈路分發(fā)至單兵手持終端。

圖1　中心分發(fā)應(yīng)用模式

根據(jù)分發(fā)方式不同，中心分發(fā)模式又可以分為常規(guī)模式和應(yīng)急模式。在常規(guī)模式下，信息的分發(fā)通過(guò)無(wú)線電臺(tái)、微波中繼、衛(wèi)星通信、野戰(zhàn)地域網(wǎng)、數(shù)據(jù)鏈等常用手段；在常規(guī)網(wǎng)絡(luò)失效的惡劣情況下，則利用應(yīng)急通信平臺(tái)作為中繼構(gòu)建接入網(wǎng)，可以利用臨近空間飛行器實(shí)現(xiàn)。

中心分發(fā)模式將車(chē)載機(jī)動(dòng)站的數(shù)據(jù)接收、信息處理能力與手持終端的攜行能力靈活性結(jié)合，可有效延伸車(chē)載機(jī)動(dòng)站的支援范圍。但是在戰(zhàn)場(chǎng)強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境下，手持終端與車(chē)載機(jī)動(dòng)站之間的通信鏈路極有可能被干擾，通信設(shè)施面臨較大威脅。雖然可以通過(guò)構(gòu)建應(yīng)急通信網(wǎng)的方式恢復(fù)通信鏈路，但這對(duì)應(yīng)急通信網(wǎng)的生存能力要求極高，空中中繼飛艇、中繼無(wú)人機(jī)等常見(jiàn)應(yīng)急通信平臺(tái)仍不能滿足要求。

2.2星地直通應(yīng)用模式

星地直通應(yīng)用模式如圖2所示。由偵察衛(wèi)星直接對(duì)一線單兵提供信息服務(wù)。整個(gè)應(yīng)用過(guò)程由衛(wèi)星與單兵手持終端直接交互完成，可不依托車(chē)載機(jī)動(dòng)站、通信網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)天基信息的直接、快速獲取與應(yīng)用，達(dá)到空間信息精確支持一線作戰(zhàn)單元、提升戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)能力的效果，具有“直達(dá)現(xiàn)場(chǎng)、面向用戶、便捷高效”的特點(diǎn)。

圖2　星地直通應(yīng)用模式

這種方式鏈路簡(jiǎn)潔、直接服務(wù)現(xiàn)場(chǎng)，但對(duì)衛(wèi)星和終端的要求均較高。一方面，由于手持終端難以負(fù)載大口徑天線和強(qiáng)處理平臺(tái)，因此要求星上具備較強(qiáng)的信號(hào)發(fā)射和在軌處理能力。星地直通應(yīng)用模式下，手持終端獲得運(yùn)控中心授權(quán)，在一定時(shí)間、空間范圍內(nèi)向衛(wèi)星上傳指令，衛(wèi)星需具備星上自主任務(wù)規(guī)劃能力。另一方面，考慮到地面用戶類(lèi)型多樣，既包括戰(zhàn)場(chǎng)上的單兵，也可能包括戰(zhàn)機(jī)、坦克等作戰(zhàn)單元，手持終端的設(shè)計(jì)應(yīng)采用“智能化終端+模塊化插件+個(gè)性化軟件”的思想，需具有較強(qiáng)的存儲(chǔ)與處理能力，適配多樣化的武器平臺(tái)和設(shè)備，滿足實(shí)戰(zhàn)化條件下多變的用戶需求，實(shí)現(xiàn)天基信息快速獲取、處理與應(yīng)用。隨著星上處理、星地傳輸、終端處理等水平的發(fā)展，這種模式將是未來(lái)的發(fā)展方向。

3　能力分析

在中心分發(fā)模式中，偵察衛(wèi)星與機(jī)動(dòng)地面站之間的傳輸、機(jī)動(dòng)地面站的信息處理以及機(jī)動(dòng)地面站與手持終端之間的通信等技術(shù)都較為成熟。相比之下，更值得關(guān)注的是星地直通模式中的數(shù)據(jù)傳輸能力。所以本文重點(diǎn)針對(duì)星地直通模式中的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，采用理論計(jì)算與仿真分析相結(jié)合的方法，分析基于手持終端的遙感信息應(yīng)用能力。

3.1需求分析

在無(wú)地面大型數(shù)據(jù)接收天線支持的條件下，利用手持終端接收的遙感圖像不能過(guò)分追求幅面大、內(nèi)容全、分辨率高，而要以夠用、可用為原則。就幅面而言，可借鑒美國(guó)SeeMe系統(tǒng)遙感圖像的大小，即5 km×5 km，能覆蓋戰(zhàn)場(chǎng)一線單兵在一定時(shí)間內(nèi)的活動(dòng)范圍；就分辨率而言，考慮到當(dāng)前圖像處理算法的水平，1 m分辨率即可支持常見(jiàn)典型目標(biāo)(航母、橋梁、機(jī)場(chǎng)、道路等)的自動(dòng)識(shí)別。因此，建議遙感圖像采用5 km×5 km幅面、1 m分辨率，數(shù)據(jù)壓縮比和產(chǎn)品生成系數(shù)分別選擇典型值1/4和1.2，數(shù)據(jù)接收時(shí)間設(shè)為30 s,以保證較好的用戶體驗(yàn)，根據(jù)公式

數(shù)據(jù)大小 = 圖像面積 × 單位分辨率 ×單位像素點(diǎn)個(gè)數(shù) × 壓縮比 × 產(chǎn)品生成系數(shù)

可以得到常見(jiàn)類(lèi)型遙感圖像(全色、多光譜、紅外和SAR)所需的數(shù)傳速率如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可知，遙感數(shù)傳速率達(dá)到1 Mbit/s，即可滿足一定質(zhì)量、幅面遙感圖像傳輸?shù)囊蟆?/p>

表1　遙感圖像數(shù)傳速率要求

3.2影響因素

依據(jù)文獻(xiàn)[4-5]，基于手持終端的數(shù)據(jù)傳輸能力主要受星上等效全向輻射功率(Equivalent Isotropic Radiated Power，EIRP)、空間傳輸損耗、大氣損耗、天線指向損耗、極化損耗、降雨衰減、地面接收天線增益、編碼增益、解調(diào)損失、解調(diào)門(mén)限(C/N0)等參數(shù)的影響。

1) 星上EIRP值。星上EIRP值主要取決于衛(wèi)星平臺(tái)功率水平、星上功率器件效率以及星上天線口徑等因素，本文參照美國(guó)TacSat2衛(wèi)星的水平，將星上EIRP值設(shè)定為31 dBW，波束角約16°，對(duì)應(yīng)的地面波束覆蓋半徑140 km左右，能夠提供較大的服務(wù)范圍。隨著星上功率水平和相關(guān)器件能力的發(fā)展，未來(lái)小衛(wèi)星平臺(tái)的EIRP值將得到提升，鏈路傳輸能力也將隨之得到增強(qiáng)。

2) 接收天線增益分析。基于手持終端的特點(diǎn)，本文考慮采用2種天線形式，一種是全向桿狀天線，另一種是自跟蹤平板天線。(1)桿狀天線，為保證在衛(wèi)星仰角15°以上能夠進(jìn)行數(shù)傳接收，天線波束角需大于150°，10 GHz頻點(diǎn)條件下天線增益分布如表2所示。(2)平板天線，平板天線設(shè)計(jì)為14 cm×16 cm，增益仿真如圖3所示，10 GHz頻點(diǎn)條件下增益為22.47 dB。

表2　桿狀天線增益分布

圖3　平板天線增益仿真圖

3.3鏈路分析

根據(jù)上述分析，鏈路預(yù)算參數(shù)設(shè)定如下:軌道高度為400 km，工作頻率為10 GHZ，星上EIRP值為31 dBW，采用QPSK調(diào)制，目標(biāo)誤碼率為10-7;理論所需信噪比為11.5 dB，玻耳茲曼常量k為(1.380 658±0.000 012)×10-23J/K，空間大氣損耗、極化損耗以及解調(diào)損耗分別為0.3 dB、0.15 dB和2 dB。采用全向桿狀天線和自跟蹤平板天線的遙感數(shù)傳鏈路預(yù)算分別如表3和表4所示。全向桿狀天線增益低，在31 dBW的星上EIRP值條件下難以達(dá)到兆級(jí)數(shù)據(jù)率，但由于波束角度寬、覆蓋區(qū)域廣，因此適用于低速通信鏈路；平板天線面積較大、增益高、采用電掃的方式自動(dòng)跟蹤衛(wèi)星，自跟蹤平板天線分別可達(dá)8 Mbit/s以上的數(shù)據(jù)速率，能夠滿足基本的遙感數(shù)傳需求。

當(dāng)然，在小衛(wèi)星平臺(tái)EIRP值充分提升的前提下，可以考慮手持終端只配備一副全向桿狀天線甚至內(nèi)置天線。因其體積小、重量輕、使用方便、可與終端進(jìn)行共形設(shè)計(jì)，利于手持終端的小型化、低功耗、低成本。在采用全向桿狀天線的前提下，不同數(shù)據(jù)率對(duì)遙感衛(wèi)星EIRP值的要求如圖4所示。采用全向桿狀天線，欲在15°仰角接收1 Mbit/s的數(shù)據(jù)率，要求遙感衛(wèi)星EIRP值達(dá)到40 dBW。

表3　采用全向桿狀天線時(shí)遙感鏈路計(jì)算表

表4　采用自跟蹤平板天線時(shí)遙感鏈路計(jì)算表

圖4　全向桿狀天線對(duì)遙感衛(wèi)星EIRP需求仿真圖

4　結(jié) 束 語(yǔ)

本文對(duì)基于手持終端的遙感信息應(yīng)用模式和能力進(jìn)行了初步研究，后續(xù)將深入研究基于手持終端的高效數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星測(cè)控、星地組網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)，以進(jìn)一步提高基于手持終端的遙感信息應(yīng)用能力。

References)

[1]于洋.美國(guó)陸軍定位導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)發(fā)展分析[J].衛(wèi)星應(yīng)用,2015(12)：32-33.

[2]湯亞鋒，于小紅，戴志廣.美軍藍(lán)軍跟蹤系統(tǒng)的發(fā)展及其啟示[J].裝備學(xué)院學(xué)報(bào),2014，25(1): 61-64.

[3]張召才.美國(guó)深挖小衛(wèi)星潛力 欲提升軍事用天能力[J].衛(wèi)星應(yīng)用,2015(2)：37-44.

[4]國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).星-地?cái)?shù)據(jù)傳輸鏈路的計(jì)算與標(biāo)定方法:GJB 5421—2005[S].北京：國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部,2005:1-9.

[5]國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).雷達(dá)電波傳播折射與衰減手冊(cè):GJB/Z 87—97[S].北京：[出版者不詳],1997:28-42.

(編輯：李江濤)

Space-based Information Tactical Application Based on Hand-held Terminal

LIAO Yurong1，DING Dan1,CHAI Li1,WANG Pengyun2

(1. Department of Optical and Electronic Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China;2. Department of Graduate Management, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

To solve out the defects of application of space-based information for vehicle-mounted mobile stations like poor timeliness and insufficient flexibility, the paper conducts study around the remote sensing information application based on hand-held terminal. Based on the comparison of satellite applications at home and abroad, the paper has designed two typical application models: central distribution and satellite-ground direct connection based on the hand-held terminal, compares their advantages and disadvantages, analyses the data transmission requirements and capabilities in satellite -ground direct connection mode. Calculation and simulation results show that, ability of satellite -ground direct connection based on the hand-held terminal can meet the demand on information volume about front-line individual tactical action.

space-based information; tactical application; hand-held terminal; link budget

2016-05-21

國(guó)家級(jí)課題基金資助項(xiàng)目

廖育榮(1972-)，男，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)楹教旃こ獭?/p>

V249.3

2095-3828(2016)05-0064-04

A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.05.014