臨近空間飛行器應(yīng)用及測控系統(tǒng)技術(shù)特征

曹家華 羅婧

臨近空間飛行器相對傳統(tǒng)飛行器及人造衛(wèi)星具有明顯優(yōu)勢，彌補了兩者之間的真空地帶。本文對臨近空間飛行器的應(yīng)用前景進行了分析，并從測控系統(tǒng)專業(yè)角度對臨近空間下測控系統(tǒng)技術(shù)特征進行了探討。

臨近空間是高度在20～100km之間的空間區(qū)域，位于常規(guī)航天器軌道高度之下、常規(guī)航空器飛行高度之上。這片空域大氣主要以水平運動，平均速度10m/s，空氣干燥，水汽、雜質(zhì)很少，基本沒有云雨現(xiàn)象，溫度保持平穩(wěn)恒溫，濕度接近于零，適于浮空器和采用吸氣式動力的飛行器平穩(wěn)飛行。

臨近空間飛行器是指能夠在臨近空間飛行以執(zhí)行特定任務(wù)的飛行器，具有航天、航空技術(shù)融合的顯著特點。相對于傳統(tǒng)航空飛行器，臨近空間飛行器的飛行高度更高、連續(xù)滯空時間更長、通信覆蓋范圍更廣。相對于人造衛(wèi)星（主要用于中繼通信），基于臨近空間飛行器的中繼通信具備傳輸距離短、損耗小、延時小、所需發(fā)射功率低的優(yōu)勢，有利于實現(xiàn)寬帶傳輸和通信終端小型化、低功耗化，并且臨近空間飛行器更加機動靈活，可快速部署組網(wǎng)。

目前，美國、俄羅斯、法國、以色列、日本、韓國等國也都投入大量的人力和經(jīng)費積極開展臨近空間飛行器的技術(shù)研究，主要代表有美國的“太陽神”無人機、“天鷹”（Aquila）無人機，英國的“西風(fēng)”（Zephyr）無人機等。

軍事需求分析

進入21世紀，阿富汗戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭等一次次戰(zhàn)爭向世人深刻地展示了控制空間的重要性?？刂瓶臻g已經(jīng)成為占據(jù)未來高技術(shù)戰(zhàn)爭戰(zhàn)略制高點的關(guān)鍵。臨近空間區(qū)域作為人類剛剛涉足的領(lǐng)域，蘊含著巨大的軍事應(yīng)用價值。臨近空間飛行器憑借其獨特的優(yōu)勢可廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：

通信中繼平臺

臨近空間飛行器配備通信裝備后，有地面通信和衛(wèi)星通信無法比擬的優(yōu)勢，尤其是低動態(tài)臨近空間飛行器，具備覆蓋范圍大、發(fā)射功率低、管理維護簡單、安全穩(wěn)定的優(yōu)點，既可作為軍事信息網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點間的信息中繼站，也可為地面、海上以及低空對象提供安全、高速的超視距通信能力。非靜止軌道衛(wèi)星一般周期性地重訪目標區(qū)域，周期相對較長，臨近空間飛行器卻能夠長時間懸停在目標區(qū)域上空，可實現(xiàn)直接覆蓋，連續(xù)保障通信。

偵察預(yù)警平臺

來戰(zhàn)場環(huán)境下，臨近空間飛行器作為通信和偵察平臺，具備全天候、全天時工作能力，能方便快速地在特定時間、特定空域部署，其通信和偵察不受地形的限制，能夠長時間持續(xù)工作，覆蓋范圍廣。多個臨近空間飛行器通過組網(wǎng)可向作戰(zhàn)覆蓋區(qū)域提供導(dǎo)航定位，由于距離優(yōu)勢，其信號強度要比衛(wèi)星信號大得多，保密性也更好，進而提高了戰(zhàn)場聯(lián)合作戰(zhàn)能力。另外，特別是綜合運用紅外探測、可見光成像和雷達預(yù)警等多種手段對作戰(zhàn)熱點區(qū)域的移動目標進行連續(xù)偵察和定位跟蹤，以及實現(xiàn)對無人機、巡航導(dǎo)彈等隱身超低空飛行目標的早期預(yù)警，確保空間信息和偵察優(yōu)勢。

電子對抗平臺

臨近空間飛行器飛行高度居中，裝載電子對抗設(shè)備后，一方面可以發(fā)射高強度的干擾信號，有效干擾敵地面、海面雷達和導(dǎo)航衛(wèi)星，降低敵作戰(zhàn)效能;另一方面也可以發(fā)射增強的衛(wèi)星導(dǎo)航信號，提高衛(wèi)星導(dǎo)航效率，甚至在衛(wèi)星導(dǎo)航受到破壞時，可以利用臨近空間飛行器組建新的獨立于衛(wèi)星的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，臨時為武器系統(tǒng)提供導(dǎo)航和定位數(shù)據(jù)。

空間武器平臺

臨近空間飛行器作為武器作戰(zhàn)力量，可從飛機、艦艇等多種平臺發(fā)射，響應(yīng)快速，運行速度快，平時甚至可在臨近空間駐留，戰(zhàn)時從臨近空間駐留平臺發(fā)射，對敵高價值目標進行快速、精確的打擊，對戰(zhàn)爭的勝負可起到至關(guān)重要的作用。美國X-51A臨近空間飛行器試飛成功，驗證了臨近空間高超聲速巡航導(dǎo)彈的可能，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，臨近空間高動態(tài)飛行器將成為一種能在全球范圍內(nèi)快速到達并執(zhí)行精確打擊任務(wù)的利器，在未來戰(zhàn)爭中發(fā)揮巨大作用。

運輸補給平臺

由于臨近空間具有高邊疆、無國界的特點，在其中運行的臨近空間飛行器又具有快捷、大載重量、航程遠等優(yōu)點，因此可作為新型運輸工具，擔(dān)負起戰(zhàn)時空中運輸艦的重任。臨近空間飛行器可以很容易地避開敵防空火力，在更高的空域進行運輸、補給，做到大范圍、高機動投送，成為可移動的“戰(zhàn)斗堡壘”;同時，巨型臨近空間飛行器可將諸如宇宙飛船、人造衛(wèi)星等航天器運抵預(yù)定高度并發(fā)射入軌，降低發(fā)射成本。

科學(xué)試驗基地

目前，太空領(lǐng)域重要技術(shù)試驗的一般方法是采用航天器搭載進行，存在的問題是搭載機會珍稀，費用巨大，風(fēng)險較高，無法回收，演示試驗效果受搭載航天器本身的功能限制。而臨近空間由于其特殊的工作空域，成為連接大氣層內(nèi)外資源的紐帶，可以提供更加接近于太空環(huán)境的真實條件。使用其作為搭載平臺，很大程度上彌補了天基搭載平臺的不足，具有費用低、范圍廣、設(shè)備可回收等優(yōu)點。

臨近空間測控系統(tǒng)的技術(shù)特征

測控系統(tǒng)在臨近空間飛行器中的設(shè)計，與以往無人機測控、導(dǎo)彈測控、深空測控、衛(wèi)星測控等比較，其設(shè)計要求極為不同。若設(shè)計中忽視測控系統(tǒng)需求分析，很容易造成測控系統(tǒng)難以符合飛行器運行要求。因此，實際設(shè)計中需從全程測控、多目標測控以及低仰角測控等角度進行分析。

全程組網(wǎng)

臨近空間測控，其特征首先表現(xiàn)在“組網(wǎng)”方面，其主要測控系統(tǒng)運行中，呈現(xiàn)方式應(yīng)以測控網(wǎng)形式為主，且在測控設(shè)計時主要考慮天基中繼星組網(wǎng)、地基多站組網(wǎng)兩方面內(nèi)容，能夠滿足連續(xù)覆蓋測控要求。以其中天基中繼測控為例，其若能保持具有較大的覆蓋率，便能實現(xiàn)多顆衛(wèi)星組網(wǎng)目標。盡管實際設(shè)計中，對于天基靶場，將TDRSS、GPS系統(tǒng)共同引入其中，可起到連續(xù)測控的效果，但需注意TDRSS本身存在一定的延時問題，所以在未來設(shè)計中，應(yīng)考慮將中繼星作為天基測控的主體。再如地基接力測控方面，其技術(shù)特征主要表現(xiàn)為抗干擾測控的實現(xiàn)，但也包含較多不足之處，如組織實施較為復(fù)雜、布站多等。

多目標測控

隨著臨近空間領(lǐng)域的快速開拓，臨近空間裝備飛行器的種類、數(shù)量和可執(zhí)行的任務(wù)類型在急劇增長。臨近空間下多目標測控的特征主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

第一，多平臺組網(wǎng)、編隊飛行。為增強系統(tǒng)效能，通常會采用多飛行器組網(wǎng)、編隊等方式執(zhí)行任務(wù)。例如，當(dāng)發(fā)生海嘯、地震等突發(fā)災(zāi)難后，可調(diào)動多個低動態(tài)飛行器升空組網(wǎng)，對整個災(zāi)區(qū)進行高分辨率觀測，將受災(zāi)、救援實況迅速傳輸至地面抗災(zāi)指揮部，同時臨近空間平臺可充當(dāng)移動通信的應(yīng)急基站，在第一時間為災(zāi)區(qū)恢復(fù)通信聯(lián)絡(luò)。

第二，臨近空間飛行器與空天載體協(xié)同使用。許多臨近空間裝備需要用火箭、飛機等載體空射或施放進入臨近空間，此時就需要對飛行器和運載器進行多目標測控。例如，美國X-43高超聲速飛行器靶場測控系統(tǒng)中，需要對X-43飛行器、B-52飛機、空射助推火箭和測量飛機進行4目標測控，因此采用了一個MOTR多目標雷達，以及4個分離的要測站來實現(xiàn)多目標測控。

低仰角測控

低仰角測控下，通常需考慮到多徑干擾功率比問題，對其又可叫做萊斯因子。實際設(shè)計中主要需做好萊斯因子提高工作。具體設(shè)計中，首先可從鏈路技術(shù)、天饋系統(tǒng)角度著手，盡可能對天線性能進行改善，并采取鏈路設(shè)計的優(yōu)化措施，這樣才可滿足反射系數(shù)降低的目標。其次，應(yīng)在傳輸設(shè)備技術(shù)上進行完善，如多載波OFDM技術(shù)、AGC技術(shù)以及均衡技術(shù)等都可引入傳輸設(shè)備中，能夠滿足多徑抵抗、消除的目標。

高覆蓋率、全程測控

臨近空間飛行器具備全球快速到達的能力，其測控系統(tǒng)應(yīng)滿足全球、全時段的測控覆蓋。無論低動態(tài)還是高動態(tài)平臺，都需要連續(xù)不斷地、沒有縫隙的高覆蓋率測控。

對于傳統(tǒng)衛(wèi)星測控，衛(wèi)星是在空間慣性軌道上作無動力飛行，測控只測量其中一段軌道就能實現(xiàn)動力學(xué)定軌。對于傳統(tǒng)彈道導(dǎo)彈測控，主要任務(wù)是對關(guān)機點測量，也不需要做全程測量。但臨近空間飛行器是全程有動力飛行，不能套用傳統(tǒng)軌道動力學(xué)定軌，而需要進行全程連續(xù)跟蹤測量。由于臨近空間飛行器飛行距離較遠，全球可達，要采用地基多站接力或天基測控系統(tǒng)來實現(xiàn)超視距覆蓋。

黑障下測控

高動態(tài)飛行器以Ma5～25的速度在臨近空間飛行時，與周圍空氣劇烈摩擦并對空氣產(chǎn)生壓縮，使飛行器周圍的空氣溫度急劇上升，致使空氣發(fā)生電離，從而在飛行器四周形成等離子體，導(dǎo)致飛行器天線的阻抗失配、方向圖畸變、輻射效率下降甚至被擊穿從而影響飛行棋無線電波的發(fā)射。等離子鞘的形成，是無線電波傳輸損耗急劇增加，嚴重時會造成無線電信號中斷，學(xué)術(shù)界把這種現(xiàn)象稱為“黑障”。

為客服黑障問題，可由采用多種測控方式、提高發(fā)射功率、提高工作頻率等測控通信技術(shù)本身入手。

第一，采用多種測控方式互補。黑障一般出現(xiàn)在高動態(tài)飛行器頭部，在飛行器中部、后部的等離子鞘相對較弱，該現(xiàn)象在飛行器再入時更明顯，可用天基測控替代地基測控，減少甚至回避黑障的不利影響。

第二，提高發(fā)射功率。此方法對抵消等離子體的衰減有一定的作用，但提高發(fā)射機功率受到器件、平臺載重、供能等多種因素限制，只能在配合頻率選擇有效的情況下，作為一種輔助手段使用。

第三，提高工作頻率。美國在無線電衰減測量實驗RAM-C1種，在彈頭上同時安裝了220、5700、9200MHz共3副天線，記錄下來的無線電信號中斷的高度分別是80、54、40km，信號恢復(fù)高度在2～23km之間。我國和俄羅斯同樣進行過類似實驗，共同的結(jié)論是：提高無線電波的頻率對降低黑障出現(xiàn)的高度有明顯效果，但對走出黑障的高度無明顯效果。根據(jù)相關(guān)資料，在Ma5下，L頻段必定出現(xiàn)黑障，而此時S頻段是否有黑障，不同文獻結(jié)果有差異。不同的速度在不同的頻段能否出現(xiàn)黑障，與飛行器的材料、外形等有很大關(guān)系，因此很難界定出一個不出現(xiàn)黑障的頻段。但可以肯定，無線電頻段越高，克服黑障的效果越好，采用Ku、Ka這樣的高頻段相對L、S等低頻段是有利的。

通過以上分析可知，從測控系統(tǒng)設(shè)計角度出發(fā)，提高測控頻段及采用多種測控方式是對抗黑障的有效措施。

結(jié)束語

臨近空間因其特殊的戰(zhàn)略價值，為未來空間戰(zhàn)爭開辟了一個新的領(lǐng)域，對未來的空天進攻和防御作戰(zhàn)會產(chǎn)生重要的影響。把握臨近空間飛行器的總體發(fā)展趨勢，對抓住未來空天領(lǐng)域新的戰(zhàn)略制高點具有積極的作用。盡管當(dāng)前臨近空間飛行器的許多關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，但其蘊藏的巨大軍事價值已經(jīng)引起世界各軍事強國的高度重視。相信在不久的將來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，臨近空間飛行器一定會大量出現(xiàn)在戰(zhàn)場上，成為高效、有力的作戰(zhàn)平臺。