基于浮空器的新型應急通信監測系統

費東年 趙攀峰

中國電子科技集團第38研究所，合肥 230088

基于浮空器的新型應急通信監測系統

費東年 趙攀峰

中國電子科技集團第38研究所，合肥 230088

介紹了一種新型的機動式空中應急通信監測系統，該系統以機動式系留氣球和小型遙控飛艇為空中平臺，搭載各種通信、偵察、監測等電子設備，具有快速靈活、機動性強、費用低廉等特點，能夠適應復雜環境，面對突發事件時可以快速布置到任何需要的地方。

機動式;系留氣球;飛艇;應急通信監測系統;系統設計

近年來，在我國境內頻繁發生特大地質、氣象和海洋災害。災害造成的破壞通常是毀滅性的，使電力系統、交通系統和通信系統等陷入癱瘓(如圖1所示)。其中交通系統和通信系統無法在短時間內恢復，給應急救災、公眾通信帶來極大不便，使人民生命財產損失進一步加大。

圖1 自然災害造成的破壞

為最大可能地挽救人民生命財產，全面部署救災行動，恢復受災區域無線通信及提供最前沿的災情報告成為所有工作開展的前提和重中之重。但是在交通系統和通信系統癱瘓后，現有的應急通信監測系統由于種種原因無法滿足需求:1)現有的衛星通信系統由于受到終端不普及、帶寬不足等因素的限制，無法滿足部署救災行動對災區通信監測的需求;2)地面應急通信車等系統因為復雜地理、氣象環境所限，難以實施大規模的應急通信監測保障;3)現有的直升機、無人駕駛飛機匱乏以及不能長時間的升空工作，嚴重影響災情上空的通信監測能力。

通過以上分析可知，在交通系統和通信系統無法工作，而現有的各種應急通信監測系統又受到種種限制的情況下，有必要建立一種適用于突發事件、便于快速部署、支持調度指揮的新型應急通信監測系統。該系統要求機動靈活，能夠適應各種復雜環境，在突發事件發生后，于受災區域上空提供及時、有效的通信監測手段［1］。

1 系統分析

新型應急通信監測系統的2個主要功能是無線通信和光學監測。

無線通信距離受無線電視距和鏈路電路的限制。在鏈路電路通暢的情況下，無線電視距成為通信作用距離的關鍵因素。

光學監測距離也受視距和光學儀器性能的限制。在光學儀器性能一定的情況下，視距成為光學監測作用距離的關鍵因素。

通過分析可知無論是無線通信還是光學監測的作用距離都與視距密切相關，是能夠實現受災區域無線通信正常化及提供最前沿災情報告的關鍵因素。

無線電視距是指在2個物體之間保持無障礙通信監測的最大距離，它與地球曲率、大氣反射、氣候和地形等諸多因素有關。無線電視距傳播如圖2所示。

圖2 無線電視距傳播示意圖

圖2中，LOB為地球半徑R，LAD和LCE分別為物體1和物體2的高度。由于LAD和LCE都遠遠小于地球半徑R，無線電視距近似值LAC為

地球半徑R為6370km，代入公式得

式中，LAD和LCE的單位為m，LAC單位為km;

從圖2可以看出，在受災區域區通信中繼的端站天線遭到破壞以后，要實現受災區域內與區域外的通信監測正常化必須在短時間內有一種空中平臺能夠攜帶光學系統和無線通信網絡系統長期滯空，從而降低地球曲率的影響，使通信監測的距離得到大大提高［2］。

這里介紹一種新型的空中平臺—浮空器。浮空器是一種把充入氣囊中的輕于空氣的氣體產生的浮力作為主要升力的飛行器［3］。浮空器可以廣泛用于:偵察、電子干擾、預警探測、通信中繼等領域［4］。

浮空器按有無動力推進可分為飛艇、系留氣球和自由氣球。其具體分類如圖3所示。

圖3 浮空器具體分類示意圖

相對于眾多的飛行器(譬如衛星、直升機和無人機等)，浮空器作為應急通信監測的載體具有許多獨特的優勢，主要體現在以下幾個方面［5］:

1)研制周期短，成本低;

2)有效載重量大;

3)可在空中長期定點駐留，留空時間長;

4)空中姿態穩定，有利于任務設備的正常工作;

5)安全性好，生存能力強;

6)部署方便靈活，無需專用機場和發射工具;

7)操作維護簡單，使用成本低。

下面設計一套新型的應急通信監測系統，該監測系統的空中搭載平臺為新型的空中平臺—浮空器。

2 系統設計

新型應急通信監測系統由空中搭載平臺和搭載的任務系統組成。平臺系統由一套系留氣球系統和一套飛艇系統共同組成，空中平臺搭載的任務系統由光學設備(譬如攝像裝置)和無線通信網絡系統組成。

對于光學設備及無線通信網絡系統來說，現有的技術已相當成熟，在此不再詳細論述。

雖然浮空器的發展歷史已經很長，可是對國內來說，它還是個新興的產業，本文將對這個新興的空中平臺重點論述，對整套系統協調配合工作完成預期的效果進行可行性闡述。

2.1 系留氣球系統

系留氣球按照使用要求和體積大小分為車載機動式，艦載機動式和陣地式3種［6］。

陣地式系留氣球具有固定的基礎，體積較大，無法實現快速機動的要求，不適合作為應急通信監測系統的空中平臺。

艦載機動式系留氣球一般安裝在大型的艦船上，能夠實現艦船之間的高速機動，也不適合作為應急通信監測系統的空中平臺。

車載機動式系留氣球的體積一般在(1～6)×103m3之間，升空高度在兩、三千米以內。其載體為可移動的大型車輛，可以根據需要快速布置到任何地方，具有高機動、靈活等特點。它適合搭載通信、偵察、干擾等電子設備。因此，這里選擇車載機動式系留氣球作為應急通信監測系統的空中搭載平臺之一。

車載機動式系留氣球系統包括氣球、系留纜繩、錨泊設施和任務系統4個部分，如圖4所示。

圖4 車載機動式系留氣球系統組成示意圖

2.1.1 氣球

氣球是一種依靠充入氣囊內部輕于空氣的氣體(通常為氦氣)產生浮力，克服其自身重量和任務載荷重量而實現空中浮升的球體，它依靠系留纜繩實現在空中長時間定點滯留。

氣球是任務設備的承載平臺。它的任務是攜帶任務設備升空。當氣球內充入適量的氦氣時，氣球升至任務設備所需的工作高度，為任務設備持續工作提供穩定的平臺［7］。

2.1.2 系留纜繩

系留纜繩主要用于氣球的系泊和牽引，給球上的設備供電及通信。通過系留纜繩組件，實現氣球與地面錨泊設施的物理連接、光信號和電力傳輸。

2.1.3 錨泊設施

錨泊設施用于氣球的地面停泊，對滯空后的氣球進行操控。錨泊設施在運輸狀態下，采用由牽引車加半掛拖車的運輸形式，能夠方便地轉移，擁有快速布置能力，快速轉移能力。

2.1.4 任務系統

任務系統為空中無線通信網絡系統，具有超遠視距的通信和圖像傳輸功能以及“通信中繼”功能。

2.1.5 工作模式

在災害發生后，根據受災區域大小，在任務系統相對固定的情況下，選用功能滿足要求的車載機動式系留氣球系統。

根據受災區域的特點和救災的需要，將車載機動式系留氣球系統布置到受災區域外圍的合適位置，利用系留氣球將任務系統攜帶至工作高度，系留氣球上的任務設備將接收到的圖像數據和通信數據通過微波鏈路或光纖傳輸到地面接收設備，進而接入地面移動通信網，在最短的時間內實現受災區域無線通信正常化，并可以將災區最前沿的第一手災情信息傳遞出來，從而得以全面部署救災行動，以挽救更多的生命和國家財產。車載機動式系留氣球在應急通信監測系統中的應用如圖5所示。

圖5 車載式系留氣球系統工作示意圖

2.2 飛艇系統

飛艇是一種靠輕于空氣的氣體取代空氣而產生升力的可推進和可操縱的航空器。它與系留氣球最大的區別在于:氣球沒有動力裝置實現飛行，也沒有操縱舵面實現有控飛行;飛艇雖然也是靠空氣浮力升空，但它配置有發動機、空氣螺旋槳(或其他類推進器)、操縱面，能實現有動力推進和可操縱、控制的飛行［8］。

飛艇按照升空高度和體積大小分為平流層飛艇和對流層飛艇。平流層飛艇由于技術難度大，國內尚處于研發階段。對流層飛艇按照駕駛方式可分為載人飛艇和遙控飛艇。載人飛艇指由專業飛艇駕駛員全程操縱、駕駛的飛艇。遙控飛艇是一種能實現超視距動態實時監測遙控和程序控制的無人飛行器系統。它具有有遙控飛行和自主控制飛行2種控制模式，遙控飛行主要用于起飛和降落，自主控制飛行主要用于巡航或任務飛行。它具有有效載重大、留空時間長、可在空中定點和懸停、使用成本低、無需專用機場和跑道、安全性高等特點，能夠實現對飛艇的目測遙控飛行、超視距實時監控以及自主控制飛行并完成特定的任務。在空中預警、電子對抗、通信指揮、城市交通監控、環境監測和地質勘探等領域遙控飛艇都能發揮出重要的作用。因此，無人遙控飛艇是應急通信監測系統空中平臺的最佳選擇。

遙控飛艇系統主要包括空中部分和地面部分。空中部分主要由囊體、尾翼、吊艙、頭錐和任務系統等部件及必要的功能分系統組成，具體如圖6所示［2］。地面部分為測控指揮車。

圖6 遙控飛艇系統組成示意圖

2.2.1 囊體

飛艇的囊體內部分隔為1個主氣囊和2個副氣囊，主氣囊用于存儲氦氣，副氣囊存儲空氣，用于維持飛艇內部的差壓和重心調節。

2.2.2 尾翼

尾翼安裝于囊體尾部，一般為X型布局，尾翼上設有舵面，用于維持飛艇的穩定性和操縱。

2.2.3 吊艙

吊艙一般設在囊體的下部，主要用于裝載發動機、油箱、動力轉向系統、電池、控制系統以及鎮重等設備。

2.2.4 頭錐

頭錐位于囊體前端，其主要作用是為滿足地面牽引和地面系留的需要，將牽引和系留的集中載荷分散均勻地傳遞給囊體，避免囊體受損。

2.2.5 任務系統

任務系統主要由航拍系統和空中無線通信網絡系統組成。航拍系統可以實時航拍突發事件地區的圖像，并對重點區域進行長時間的立體監控。空中無線通信網絡系統可以使受災地區和外面能夠正常通信，準確地把最前沿的災情報告傳遞出來。

2.2.6 測控指揮車

測控指揮車為飛艇的地面移動測控指揮平臺，集飛艇監測、飛艇遙控指揮、地面指揮調度、信息轉換、匯報演示、商務辦公及生活保障等多種功能為一體，強化了飛艇系統的實用功能，提高了整個系統的品質。

2.2.7 工作模式

在災害發生后，根據受災區域大小，在任務系統相對固定的情況下，選用功能滿足要求的飛艇系統。

根據受災區域的特點和救災的需要，將飛艇系統布置到受災區域外圍的合適位置。飛艇在測控指揮車的遙控指揮下，從受災區域外圍的臨時放飛場起飛，通過巡航機動和上下機動直接奔赴受災區域內部，對重點區域進行監測，飛艇上的任務設備將接收到的圖像數據和通信數據通過微波鏈路傳輸到地面接收設備，進而接入地面移動通信網，將災區最前沿的第一手災情信息傳遞出來。飛艇完成任務以后原路返回，并在原放飛場降落。具體工作流程如圖7所示。

圖7 遙控飛艇系統工作示意圖

2.3 新型應急通信監測系統

通過前兩節的論述可知采用遙控飛艇或者車載式系留氣球來做應急通信監測系統的空中搭載平臺分別有各自的優點和缺點，具體見表1所示。

表1 遙控飛艇和車載式系留氣球空中搭載平臺優缺點

從表1可以看出，如果單獨采用飛艇作為空中搭載平臺，飛艇可以通過無線遙控進入受災區域內部進行實地航拍，從而拍攝出高質量的災情畫面，準確地把最前沿的災情報告傳遞出來。但是由于受飛艇升空高度的限制，通信監測的距離將大大的受到限制。同時遙控飛艇不能長時間升空，無法保證受災區域長時間的通信正常化。

同樣如果單獨采用系留氣球作為空中搭載平臺，系留氣球由于載重量大、升空高度高和安全穩定性好等優點完全能夠滿足通信監測系統的要求，但是由于系留氣球升空后不能自主飛行，無法深入災區腹地進行實地拍攝，無法得到高質量的災情報告。

通過分析可知，無論單獨采用遙控飛艇還是車載式系留氣球都無法很好地滿足應急通信監測系統空中搭載平臺的需求。因此新型應急通信監測系統是將一套系留氣球系統和一套飛艇系統有機地聯合起來，共同完成救災對通信監測的需求。

根據受災區域大小，在任務系統相對固定的情況下，選用合適的遙控飛艇和車載式系留氣球。

首先，在受災區域外圍的一定區域內選擇合適的地點，將遙控飛艇和車載式系留氣球、部分保障裝備運輸到預設放飛地點。在氣象條件允許的前提下，將浮空平臺充氣、系留、設備加載、升空，展開空中轉發通信。然后，在需要時將遙控飛艇在地面測控指揮車的指揮下從放飛場起飛，通過巡航機動和上下機動到達臨時放飛場上空。當飛艇升空以后，將移動測控車與系留氣球的錨泊車相連，通過系留氣球上搭載的微波鏈路轉發設備對飛艇進行遙控指揮。在遙控下飛艇直接奔赴災區空域，對重點監測對象進行監測，將監測到的圖像數據連同接收到通信數據通過微波鏈路傳輸給一定距離處的系留氣球上無線通信網絡設備，由系留氣球上無線傳輸設備將圖像數據和通信數據通過微波鏈路或光纖傳輸到地面接收設備，進而接入地面移動通信網。

飛艇完成任務以后原路返回，并在原放飛場降落。具體工作流程如圖8所示。

圖8 新型應急通信監測系統工作示意圖

從上面的論述可知新型應急通信監測系統能夠滿足受災區域通信正常化及對重點區域進行監控觀察的需求，具有一定的可行性。

3 結論

介紹了利用浮空器作為空中平臺進行應急通信監測的系統方案。重點對系統的組成、各部分的功能及系統之間組網工作進行了詳細的論述，對該系統的工作可行性進行了研究。

該系統的開發設計能夠帶動我國應急通信監測技術的發展，切實解決我國在面臨特大自然災害時應急救災通信監測手段缺乏的問題，社會效益顯著。

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A Novel Communication and Monitoring System for Emergency Based on Aerostat

FEI Dongnian ZHAO Panfeng
(No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230031，China)

A novel airborne communication and observation system for emergency is introduced．In the system，the tethered balloon and small airship act as the platform for the carrier of electrical devices for communication，reconnaissance and detection．The system takes the advantage of strong flexibility and low cost，which is able to adapt complex environment and can be placed everywhere rapidly in emergency regarding the requirements．

Mobile;Tethered balloon;Airship;Communication and monitoring system for emergency;System design

V19

A

1006-3242(2012)01-0023-06

2011-07-04

費東年(1980-)，男，合肥人，碩士，工程師，主要研究領域為浮空器設計;趙攀峰(1977-)，男，湖南常德人，高級工程師，主要從事浮空器總體設計。