系留氣球系統陣地堪選探討

龔超 喻廬榮

摘要：系留氣球系統按用途可分為基地站系留氣球平臺、高機動系留氣球平臺、礁島系留氣球平臺等。結合不同的平臺特點和氣象要求，就如何做好陣地堪選進行探討，以期望建立一套可靠、有效的陣地堪選體系，為系留氣球系統更好地使用提供參考。

關鍵詞：系留氣球；陣地；堪選

Discussion on Position Survey for Tethered Balloon System

GONG Chao，YU Lu-rong

（The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Hefei 230088，China）

Abstract：Tethered balloon system can be divided into base station tethered balloon platform，reef tethered balloon platform，etc.Combining with different platform features and meteorological requirements，this paper probes into how to do a good job in position selection，with a view to establishing a set of reliable and effective position selection system，and providing reference for the better use of tethered balloon system.

Key words：tethered balloon；position；survey

引言

系留氣球系統屬于無動力浮空器，其球體容積一般在數百到上萬立方米之間，依靠球體內部所充輕質惰性氣體——氦氣提供上升浮力，用來保證氣球升空后，能夠懸停在一定高度。由于系留氣球系統具有連續滯空時間長、使用成本低、任務載荷大、生存能力強等優點，特別適合空中長時間定點觀測，廣泛應用于光學偵察、氣象探測、霧霾測量、通信中繼、應急反恐、超低空目標預警等諸多領域。與其他浮空器一樣，系留氣球系統在使用過程中，對周圍環境條件有著嚴格的要求，因此需要根據其自身特點，建立一套有針對性的、完善有效的陣地堪選措施，確保系留氣球系統使用安全。

1 陣地堪選綜合條件

陣地選擇的科學性和合理性直接影響到系留氣球及載荷效能的發揮。為保證氣球載荷的安全性和提高裝備的使用率，更好地滿足任務需求，利用百度地圖或高德地圖、地理信息系統、國家地理信息服務平臺等網絡化的電子地理信息服務系統，可為系留氣球陣地堪選提供多層面、多維度的信息資源。電磁干擾的強度可以通過計算機仿真技術進行模擬。為實現堪選陣地綜合性能評價提供了有效手段，充分考慮綜合條件對設備使用的影響后，陣地所在區域應滿足的條件如圖1所示。

圖1 陣地所在區域應滿足的條件

1.1 系留氣球工作要求

（1）場地情況能滿足系留氣球工作需求。

（2）充分發揮載荷探測威力，能夠覆蓋主要探測區域和任務空間。

（3）滿足空域管制要求，保證與航路、航線、飛行訓練空域、機場和靶場的安全距離，避免因空域原因降低裝備使用率；以陣地為中心，半徑為氣球最大升空高度的1.5倍、高度為氣球最大升空高度的1.5倍的空域應劃定為限制飛行區如圖2。

圖2 限制飛行區

（4）滿足安全性要求，具有較強的生存能力，周圍無重要設施和人員密集區等。

1.2 系留氣球保障要求

相對于其他飛行器，系留氣球有其自身的特點，如依靠凈浮力升空、體積巨大、定點錨泊不易移動等特點。基于這些特點，要綜合考慮生活和工作保障需求：水、電、通信、道路具備利用條件。水、電供應要求工作用水、電和生活水、電區分開來，在特殊情況下要有水、電供應的應急保障；陣地區域應有城鎮等生活保障基礎，利用百度地圖或高德地圖都可以瀏覽全球范圍內任何一個地點的高清衛星照片，可以顯示出該地區的道路、地形、建筑等信息。Google Maps是谷歌推出的Google Earth的姊妹篇，它可以被視為Google Earth的簡化版，無需下載任何軟件，只要訪問網址maps.google.com就可以輕松瀏覽各地的衛星圖片。在Google Earth中，通過輸入經緯度值，調出點位周邊地形圖，應用其豐富的地形瀏覽功能對區域地形、交通、大型建筑、城鎮分布等情況進行全方位分析，初步判斷勘查區域情況，道路條件是否滿足設備進出陣地、陣地架設、設備維修時所需重型工程車通過。

2陣地堪選方法

根據陣地的綜合條件初步堪選完成后，應對電磁環境、場地的可用性、陣地的自然環境進行分析，綜合評判預選陣地的可行性，陣地的選擇，根據任務載荷探測威力，保證目標范圍的準確掌握，直接作出準確的判斷。

2.1系留氣球載荷電磁干擾仿真計算

系留氣球載荷發射功率、有效掃描半徑非常大。為了防止或降低對其他無線通信以及人體輻射的影響，在陣地堪選的問題上要慎之又慎。需要協調和論證的問題主要分為3個方面：

（1）周邊干擾對系留氣球電氣設備、導航設備、通信設備以及載荷的影響。

（2）載荷對人體輻射的影響。

（3）系留氣球載荷對外界無線通信的影響。

2.1.1 周邊電磁干擾對系留氣球載荷的影響

由于系留氣球電氣設備、導航設備、通信設備以及載荷接收機的靈敏度較高，周邊微弱的電磁干擾都可能對其造成影響，所以在進行陣地堪選時，需要對周邊電磁環境進行仔細的勘查，并通過仿真計算確定電磁干擾對設備的影響程度。

干擾源主要分為固定干擾源和流動干擾源，需針對不同的干擾源采取適應的算法，依據干擾源產生的噪聲特性建立準確的噪聲模型；依據載荷雷達參數，建立計算載荷接收機可能接收到的瞬時噪聲功率；通過仿真計算，確定系留氣球設備以及載荷雷達的最小防護距離。

2.1.2 載荷雷達對人體輻射影響

依據GB 8702-88《電磁輻射防護規定》，對于公眾照射，在一天24 h內，頻率范圍在30～3000 MHz，環境電磁輻射場的功率密度在任意6 min內的平均值應小于40 μW/cm?，環境電磁輻射功率為

（1）

式中， 為環境電磁輻射功率密度，單位為μW/cm?； 為發射機平均功率，單位為W； 為天線增益，單位為dB； 為天線與被測點距離，單位為m。

根據雷達參數計算出天線與被測點距離 ，即為設備陣地距離居民區的最小控制距離。

2.1.3 系留氣球自身及載荷雷達對外界無線通信干擾計算

周圍無線通信被干擾主要是對微波通信收信機輸入的信號干擾。根據計算公式

（2）

式中， 為被干擾站收信機輸入端雷達干擾信號的峰值電平，單位為dBm； 為雷達脈沖峰值功率，單位為dBm； 為雷達天線增益，單位為dBi； 為雷達饋線損耗，單位為dB； 為頻偏損耗，單位為dB； 為干擾路徑傳輸損耗，單位為dB； 為被干擾站在雷達站方向的天線增益，單位為dBi； 為被干擾站接收端饋線系統損耗，單位為dB； 為被干擾站天線在 角時的交叉極化去偶，單位為dB。

實際計算時，根據雷達參數、被干擾微波站天線的方向圖等信息確定計算，得出是否會受干擾的結論。

2.2 系留氣球及載荷場地的可用性

根據現場勘選計劃，組織專家和技術人員到各預選陣地現場進行實地勘察，了解預選點的主要觀察方向遮蔽、海拔高度、陣地面積以及地質、氣象、水文、交通等情況；對陣地戰術技術指標、環境進行測量，就陣地勘選建設相關問題到所在地政府及其相關部門走訪調查征租用條件、地方區域規劃、周邊社會民情、保密條件等通過組項量化，獲得陣地定量信息，由專家和技術人員評定。

2.3 系留氣球及載荷陣地的自然環境

在滿足作戰要求的情況下，應綜合考慮地質條件、地形條件、氣象條件、自然災害等最大限度提高裝備使用度和安全性。

2.3.1 地質條件

地理位置應首先滿足裝備使用條件和安全防護建設要求；要綜合考慮生活應避開凍土層、軟地基、活火山、風口、落雷密集區；避開泥石流、滑坡、流沙、洪澇等易發地段。

2.3.2 地形條件

所選區域應能比較容易平整出半徑不少于氣球最大長度1.5倍的場地；為確保裝備使用安全，以陣地平臺中心為基點，半徑為最大放飛高度區域內建筑物、高山等造成的遮蔽角應小于20°如圖3。

圖3 夾角示意圖

2.3.3 氣象條件

影響系留氣球裝備安全性和使用率的氣象因素主要為大風、雷暴、降雪、冰雹以及沙塵暴，因此選擇陣地時應重點考查氣象條件。氣球使用主要氣象條件一般為：

（1）地面瞬時風速小于6 m/s的時機應較多。

（2）地面瞬時風速大于12 m/s的時機應較少。

（3）雷暴、冰雹、沙塵暴相對少。

（4）很少或沒有暴風雪。

風場對系留氣球的影響主要在于性能、載荷、結構和強度方面。從對流層開始至平流層底層，風場的變化隨著季節、經緯度的變化，對應每個高度層的風速、風向都發生變化，在陣地堪選時除了要考慮最大常值風外，風速、風向變化（諸如大氣湍流、風切變）也不應忽視。

雷電對系留氣球的危害是多方面的。雷電產生高達數萬伏甚至幾十萬伏的沖擊電壓，可毀壞變壓器、斷路器等電器設備，二次放電的火花也可能引起火災；絕緣的損壞，如高壓竄入低壓可造成嚴重的觸電事故；巨大的雷電流流入地下會在雷擊點及其連接的金屬部分產生極高的對地電壓，可直接導致接觸電壓或跨步電壓的觸電事故。因而陣地堪選時應避開雷電多發區。

降雪及凍雨會堆積在氣球表面，對氣球的安全運行構成了巨大隱患：一方面會增加球體重量，使停泊在地面系留裝置上的氣球與地面障礙物碰撞而損壞球體；另一方面會破壞氣球的氣動外形，導致球體飛行阻力增加，飛行穩定性下降，危及系統安全。要通過除冰雪措施保證氣球系統安全。

綜上所述，在各種惡劣氣象條件中，風場、雷暴、降雪、凍雨以及沙塵暴會對裝備安全性產生影響。大風不僅對裝備帶來災難性后果，還會危及陣地周邊人員與建筑的安全，造成次生災難事故。所以氣象分析中將風的影響作為重點分析對象。

在陣地選擇時，最好應搜集預選陣地10年以上的氣象信息，綜合分析并對比，最后確定最優陣地。

2.3.4 自然災害

對系留氣球影響巨大的自然災害有臺風、地震、海嘯、火山爆發、泥石流等，根據中國氣象網查詢最近20年來所選陣地區域的自然災害情況，在堪選陣地時要盡量避開此區域，以免對系留氣球設備造成重大損失。

3 結束語

系留氣球越來越多地被應用于軍事和民事等領域。本文對系留氣球陣地堪選遇到的地域因素、氣象因素及其影響進行了分析，確定了系留氣球在陣地堪選時會受到電磁環境、地理位置、空域情況、氣象條件這幾種主要因素的影響；然后根據系留氣球使用的特點并給出系留氣球陣地堪選適宜性的工程建議。

參考文獻

[1]劉鵬，盛懷杰，廖明飛.浮空器優勢分析及其軍事應用[J].飛航導彈，2011（9）：84-87.

[2]李淑華，黃曉剛，劉平.復雜電磁環境下雷達抗干擾技術研究[J].現代雷達，2013，35（4）：1-5，9.

作者簡介：龔 超（1980-），男，河南駐馬店人，現為中國電子科技集團公司第三十八所飛行試驗部工程師，主要研究方向為浮空器總體設計。

喻廬榮（1990-），男，安徽合肥人，現為中國電子科技集團公司第三十八所飛行試驗部助理工程師，主要研究方向為浮空器總體設計。

（作者單位：中國電子科技集團公司第三十八研究所）