航空航天領(lǐng)域通訊技術(shù)發(fā)展史

（青島市城陽第二高級中學(xué)，山東青島 266107）

0.引言

航空航天領(lǐng)域的發(fā)展是20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)飛躍進步，社會生產(chǎn)突飛猛進的結(jié)果。一直以來都是一個國家科技水平與經(jīng)濟實力等綜合國力的集中展現(xiàn)。近年來，我國經(jīng)濟發(fā)展和科技進步帶領(lǐng)航空航天領(lǐng)域不斷向普適化、大眾化、民用化拓展，也向?qū)I(yè)化、精細(xì)化、高水平深入。大型飛機、“高分”專項以及載人航天和探月工程三大航空航天國家重大科技項目的成果成就，彰顯了我國航空航天領(lǐng)域的發(fā)展速度與綜合實力，填補了多項國家戰(zhàn)略空白，滿足了我國社會經(jīng)濟發(fā)展、國家安全建設(shè)的需求，進一步增強了我國的綜合國力。航空航天領(lǐng)域的不斷擴大與發(fā)展，使其對空天通訊的技術(shù)要求更進一層，尤其是在通訊質(zhì)量、傳輸速度以及靈活性等方面更是提出了更長遠(yuǎn)的發(fā)展目標(biāo)。

航天器在藍(lán)天與深空中運行，需要人類的遠(yuǎn)程操作，所以必然應(yīng)用到通訊技術(shù)來傳輸信號。本文將從通訊技術(shù)的介紹、通訊技術(shù)與航空領(lǐng)域、航天領(lǐng)域、無人機領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展歷史論述。

1.通訊技術(shù)簡介

1.1 電磁波通訊的特點

電磁波傳播時，有同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動[1]。電磁波傳遞時能夠攜帶信息。發(fā)射電磁波時，實質(zhì)上是將攜帶信息的電磁波加載在負(fù)責(zé)傳輸?shù)碾姶挪ㄉ?，也就是載波載著信息波調(diào)制在一起，然后通過天線發(fā)射出去。之所以發(fā)射攜帶信息的電磁波還要使用到載波，是因為高頻率的電磁波更容易發(fā)射出去和防止其他信息的干擾。這樣電磁波通過調(diào)幅或調(diào)頻方式就攜帶了信息，然后接收端接收后，再通過一定的方式把它解調(diào)還原出原來的信號。

1.2 通訊系統(tǒng)基本原理

通訊系統(tǒng)的任務(wù)就是把攜帶信息的物理信號通過介質(zhì)傳輸至它處。通訊系統(tǒng)模型可以表述為：信源輸出數(shù)據(jù)；編碼器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合傳輸、便于識別、糾錯的信號；調(diào)制器按需從頻率、振幅、相位等要素將信號轉(zhuǎn)換為適合傳輸?shù)男问健?/p>

1.3 通訊技術(shù)的發(fā)展

19世紀(jì)末，歐洲無線電技術(shù)隨麥克斯韋爾方程和電磁場理論的提出開始在眾多科學(xué)家的推動下蓬勃發(fā)展。1888年2月13日，德國科學(xué)家赫茲在柏林科學(xué)院證實了電磁波的存在。1894年，俄國科學(xué)家波波夫制成了一臺金屬檢波器—世界上第一臺無線電接收機，他第一次使用了天線，這也是世界上第一根天線。1896年3月24日，波波夫輸送了第一份有明確的內(nèi)容的電報：“海因里?！ず掌潯盵2]。1897年，意大利電氣工程師和發(fā)明家伽利爾摩·馬可尼在英國成功用電磁波進行了2英里遠(yuǎn)的無線電通訊并取得了專利，并在4年后實現(xiàn)了跨大西洋的無線電通訊。1906年德福雷斯特發(fā)明真空三極管，無線電調(diào)制設(shè)備的關(guān)鍵元件誕生了[3]。在該階段，無線電發(fā)射機產(chǎn)生的無線電頻率頻帶寬、制造難。

隨著20世紀(jì)帝國主義國家之間的爭斗愈演愈烈，無線電通訊被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域并進入一個高速發(fā)展期。

2.通訊技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展歷史

回顧整個航空航天的發(fā)展史，通訊是所有航空航天任務(wù)取得成功的必要條件。自18世紀(jì)法國孟菲斯兄弟在巴黎表演熱氣球載人始，人類的攬?zhí)熘鹪轮畨糁鸩綇幕孟胱呦颥F(xiàn)實，航空航天一詞也首次出現(xiàn)在人類的史冊里。

1903年萊特兄弟發(fā)明飛機試飛成功后，飛機在不斷推廣和改良下以極快的速度遍布全球并廣泛應(yīng)用于運輸、交通領(lǐng)域以及戰(zhàn)爭，為了適應(yīng)多變復(fù)雜的飛行模式和環(huán)境，并保護所載人物的安全或在軍事和戰(zhàn)爭中取勝，通訊系統(tǒng)作為各種飛行器工具的生命線逐漸被廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。一戰(zhàn)前，飛行員并不能使用無線電進行通話，只能依靠手語和喊叫與地面聯(lián)系。隨著無線電技術(shù)不斷突破，從1917年開始，無線電技術(shù)開始應(yīng)用到飛機上。1918年第一批空中無線電臺被制造出來，大功率收發(fā)報機的發(fā)展使得飛行員可以向地面發(fā)回偵查情報。此時的空中無線電應(yīng)用形式也都較為簡單，主要為語音通話、無線電班和側(cè)向?qū)Ш健?0世紀(jì)20年代，通過旋轉(zhuǎn)環(huán)形天線確定無線電方向的無線電測向儀開始應(yīng)用到飛機上，加上飛機的高度有利于接收信號，其對地面發(fā)射儀的信號發(fā)射能力極低，完美地適應(yīng)了空戰(zhàn)中各種復(fù)雜危險的環(huán)境。對于語音通話，英國和美國的機載無線電裝備在列強中居于領(lǐng)先地位，甚至可以實現(xiàn)實時通話。1933年，美國人阿姆斯特丹發(fā)明世界上第一臺調(diào)制器[4]。

進入長達(dá)接近半個世紀(jì)的兩次世界大戰(zhàn)，戰(zhàn)爭成為了無線電發(fā)展所圍繞的主題。無線電發(fā)展呈現(xiàn)橫向趨勢，各大研究以強化通訊設(shè)備性能，包括振蕩頻率、傳輸距離、抗干擾、輕便性以及信號接收頻率等為研究方向。攻擊敵軍的通訊設(shè)施是每一場戰(zhàn)役中必不可少的取勝因素，尤其在機載無線電方面，人為性的電磁干擾可以輕易打亂敵人的進攻計劃與節(jié)奏，拆散敵人的陣型與組合，是毀滅一支空軍的利器。

雖然信息在空中由無線電傳輸，但也會被敵人切斷和竊取。二戰(zhàn)時期，德軍曾狡猾地用英、美空軍指揮部的無線電頻率模擬指揮指令而使英、美空軍部隊進入德國空軍的包圍圈遭到甕中捉鱉式的絞殺，甚至有一次德軍還將英軍的空降部隊騙進友軍在意大利的火力網(wǎng)中。中途島海戰(zhàn)也是因日軍的情報被截獲而促成了美軍的大捷。圖靈也因為破譯了德軍的通訊密碼而使二戰(zhàn)縮短了至少2年。無線電加密與解密技術(shù)在沒有硝煙的無線電“空中戰(zhàn)場”獲得了高速發(fā)展。

早在一戰(zhàn)期間用無線電反射原理進行探測的無線電探測測距儀理念就被提出。1934年微波無線電系統(tǒng)研制成功，并在次年使實用性雷達(dá)出世。二戰(zhàn)時期雷達(dá)設(shè)施得到廣泛應(yīng)用—通過接受經(jīng)過飛機反射的、穿過云霧的電磁波尋找并發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離外的目標(biāo)，成為打擊空軍力量的重要利器。1941年蘇聯(lián)首先裝備機載雷達(dá)。二戰(zhàn)結(jié)束后，各國將微波應(yīng)用于微波通訊系統(tǒng)的發(fā)展中，但是冷戰(zhàn)的接踵而至，使雷達(dá)的發(fā)展又進入新時期。兩次世界大戰(zhàn)中通訊技術(shù)的發(fā)展和冷戰(zhàn)的開始，再次為無線電發(fā)展提供了強勁的驅(qū)動力。在航空領(lǐng)域中，從無線電的地面發(fā)射臺，到空中機載無線電接收器，所有的無線電設(shè)備快速發(fā)展著。

3.通訊技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展歷史

隨著電視產(chǎn)業(yè)開始在全世界范圍內(nèi)傳播拓展，各國對于遠(yuǎn)距離電視信號傳輸?shù)男枨笤絹碓綇娏摇?960年8月12日，美國用德爾塔D運載火箭將第一顆試驗型無源通訊衛(wèi)星“回聲”1號送入太空，到達(dá)指定高度后，在太陽光的作用下，其內(nèi)部會充氣而緩緩展開成為一只外裹著極薄鋁箔的氣球，該衛(wèi)星便能實現(xiàn)電視信號在空中的反射，但無法使電視信號以同樣的強度反射回地面，不足以起到遠(yuǎn)距離完整傳輸信號的功能。于是，帶有信號增強轉(zhuǎn)發(fā)器的中繼衛(wèi)星—電星一號于1962年在美國升空。1963年11月23日，美國“中繼”號衛(wèi)星實現(xiàn)了美日電視節(jié)目的轉(zhuǎn)播。1964年8月20日，國際通訊衛(wèi)星財團成立，即今國際衛(wèi)星通訊組織前身。1965年2月14日開始，美國發(fā)射了三顆“辛康”號衛(wèi)星，分別分布于大西洋、太平洋和印度洋的上空，這是世界上第一個國際通訊衛(wèi)星系統(tǒng)，“辛康”1號也是世界上第一個地球同步衛(wèi)星，這便是中繼星，它具有變頻放大、補償功率等功能，為信號續(xù)航提供動力。以航天衛(wèi)星作為中繼來傳輸電視信號的時代從此開始，電視不再是富人專有的高科技產(chǎn)品，逐漸走進各種經(jīng)濟水平家庭的客廳中，成為20世紀(jì)人類通訊技術(shù)發(fā)展成果的代表之一。

衛(wèi)星與空間站在深空中執(zhí)行任務(wù)更離不開通訊技術(shù)的應(yīng)用?？梢哉f，失去與地球聯(lián)系的一切航空器幾乎是廢鐵一塊。1959年1月2日，蘇聯(lián)衛(wèi)星“月球1號”作為世界上第一個人類星際探測器發(fā)射成功，雖與月球相觸未能成功，但這是通訊技術(shù)在航天領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展歷史上邁出的一大步。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，“旅行者1號”空間探測器以及我國的“神舟”系列、“天宮”系列、“嫦娥”系列……無數(shù)的星際探測器在深空中遨游，帶去人類對宇宙的好奇心，帶來通訊技術(shù)的高速發(fā)展。對于衛(wèi)星來說，從探測地球的鄰居火星，到探測熾熱的太陽，再到探測遠(yuǎn)端的冥王星，拍攝幾光年外的各種恒星，圖像與數(shù)據(jù)的傳輸根本離不開那一束通往地面的通訊信號；對于載人空間站來說，宇航員的工作與對地交流，更是不能脫離與地面的通訊，這也仰仗通訊技術(shù)的發(fā)展與在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

4.通訊技術(shù)在其他航空領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展歷史

通訊技術(shù)在無人機領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，在一定程度上也推動了通訊技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展。一戰(zhàn)期間無人駕駛飛機的構(gòu)想被英國人提出。二戰(zhàn)后無人機作靶機使得無人機低成本強效能的優(yōu)點被發(fā)現(xiàn)，無人機并開始被美國重視和大規(guī)模利用。軍事強國紛紛效仿，無人機的大范圍利用與發(fā)展也帶來了通訊技術(shù)的悄然發(fā)展，在20世紀(jì)末期尤為迅速，通訊的終端接受者可以不再是人類。進入21世紀(jì)伴隨著無人機的研發(fā)利用，無人機通訊技術(shù)發(fā)展更加迅速，如在2020年年末爆發(fā)的納卡沖突中，由于雙方空軍力量薄弱，從周邊國家進口的察打一體無人機成為主要作戰(zhàn)武器，其具有型號種類豐富、任務(wù)執(zhí)行方便、信息采集強大、攻擊手段多樣、遠(yuǎn)程控制靈活、殺傷成本低廉等優(yōu)勢特點，且雙方對無人機的防御壓制能力薄弱，反無人機系統(tǒng)缺失，對敵造成的打擊效果都比較優(yōu)秀，該場沖突可以稱為第一次大規(guī)模使用無人機對抗的戰(zhàn)爭，軍事領(lǐng)域的無人機時代也許正在來臨。

民用無人機領(lǐng)域中，航拍是通訊技術(shù)在無人機領(lǐng)域的主要應(yīng)用方式之一。攜帶有實時傳輸功能攝像頭的無人機在空中拍攝照片和視頻，獲取大量信息，通過快速的調(diào)制和發(fā)射，采用先進的通訊技術(shù)與智能設(shè)備無線相連，遠(yuǎn)程隔空進行高速的數(shù)據(jù)傳輸，可使操作者迅速接收遠(yuǎn)處傳來的圖像、視頻信息，不僅廣受攝影愛好者的喜愛，成熟的航拍無人機產(chǎn)品，更已經(jīng)走進千家萬戶，更在農(nóng)業(yè)、工程、建筑、土木、藝術(shù)、生態(tài)保護等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。民用無人機傳輸所需求的高速性、適應(yīng)性與途徑多樣性為通訊技術(shù)提出了更高的要求，帶來了通訊技術(shù)在民用領(lǐng)域的橫向發(fā)展。同時，通訊技術(shù)在此領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用與航拍云臺技術(shù)的發(fā)展密不可分[5]。無人機之所以“無人”，正是依賴發(fā)達(dá)的通訊技術(shù)?？梢娡ㄓ嵓夹g(shù)的發(fā)達(dá)，將會在未來引發(fā)包括航空航天領(lǐng)域在內(nèi)的更多領(lǐng)域的巨變、革新與發(fā)展，通訊技術(shù)也將與之相輔相成，一同走上新世紀(jì)各領(lǐng)域科技綜合發(fā)展的快車道。

5.結(jié)語

自電磁波被發(fā)現(xiàn)以來，通訊技術(shù)與人類的生產(chǎn)生活相緊密結(jié)合，一直是人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)注點之一。它決定著人類遠(yuǎn)程控制事物的能力與本領(lǐng)，通訊技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展歷史也是其中具有重大意義的濃重一筆。5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等新科技的降臨，將為航空航天領(lǐng)域通訊技術(shù)提供了強大的發(fā)展動力，也創(chuàng)造了更加光明的進步前景。在更遙遠(yuǎn)的未來，人類的力量不僅僅局限于地球，更可能擴大至太陽系，甚至走出太陽系，進入太陽系之外寬廣無垠的宇宙，因此，通訊技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展將在一定意義上決定未來人類探索藍(lán)天與深空的能力和成果。當(dāng)前，我國正在開啟國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃的新征程，我國通訊技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展一定會進入一個新的階段。