臨近空間飛行器應用及測控系統技術特征

曹家華 羅婧

臨近空間飛行器相對傳統飛行器及人造衛星具有明顯優勢，彌補了兩者之間的真空地帶。本文對臨近空間飛行器的應用前景進行了分析，并從測控系統專業角度對臨近空間下測控系統技術特征進行了探討。

臨近空間是高度在20～100km之間的空間區域，位于常規航天器軌道高度之下、常規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、雜質很少，基本沒有云雨現象，溫度保持平穩恒溫，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飛行。

臨近空間飛行器是指能夠在臨近空間飛行以執行特定任務的飛行器，具有航天、航空技術融合的顯著特點。相對于傳統航空飛行器，臨近空間飛行器的飛行高度更高、連續滯空時間更長、通信覆蓋范圍更廣。相對于人造衛星（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、所需發射功率低的優勢，有利于實現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。

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費積極開展臨近空間飛行器的技術研究，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”（Zephyr）無人機等。

軍事需求分析

進入21世紀，阿富汗戰爭、伊拉克戰爭等一次次戰爭向世人深刻地展示了控制空間的重要性。控制空間已經成為占據未來高技術戰爭戰略制高點的關鍵。臨近空間區域作為人類剛剛涉足的領域，蘊含著巨大的軍事應用價值。臨近空間飛行器憑借其獨特的優勢可廣泛應用于以下領域：

通信中繼平臺

臨近空間飛行器配備通信裝備后，有地面通信和衛星通信無法比擬的優勢，尤其是低動態臨近空間飛行器，具備覆蓋范圍大、發射功率低、管理維護簡單、安全穩定的優點，既可作為軍事信息網絡各節點間的信息中繼站，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。非靜止軌道衛星一般周期性地重訪目標區域，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域上空，可實現直接覆蓋，連續保障通信。

偵察預警平臺

來戰場環境下，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，能夠長時間持續工作，覆蓋范圍廣。多個臨近空間飛行器通過組網可向作戰覆蓋區域提供導航定位，由于距離優勢，其信號強度要比衛星信號大得多，保密性也更好，進而提高了戰場聯合作戰能力。另外，特別是綜合運用紅外探測、可見光成像和雷達預警等多種手段對作戰熱點區域的移動目標進行連續偵察和定位跟蹤，以及實現對無人機、巡航導彈等隱身超低空飛行目標的早期預警，確?？臻g信息和偵察優勢。

電子對抗平臺

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

空間武器平臺

臨近空間飛行器作為武器作戰力量，可從飛機、艦艇等多種平臺發射，響應快速，運行速度快，平時甚至可在臨近空間駐留，戰時從臨近空間駐留平臺發射，對敵高價值目標進行快速、精確的打擊，對戰爭的勝負可起到至關重要的作用。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彈的可能，隨著技術的不斷發展，臨近空間高動態飛行器將成為一種能在全球范圍內快速到達并執行精確打擊任務的利器，在未來戰爭中發揮巨大作用。

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、航程遠等優點，因此可作為新型運輸工具，擔負起戰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、人造衛星等航天器運抵預定高度并發射入軌，降低發射成本。

科學試驗基地

目前，太空領域重要技術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，成為連接大氣層內外資源的紐帶，可以提供更加接近于太空環境的真實條件。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、設備可回收等優點。

臨近空間測控系統的技術特征

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

全程組網

臨近空間測控，其特征首先表現在“組網”方面，其主要測控系統運行中，呈現方式應以測控網形式為主，且在測控設計時主要考慮天基中繼星組網、地基多站組網兩方面內容，能夠滿足連續覆蓋測控要求。以其中天基中繼測控為例，其若能保持具有較大的覆蓋率，便能實現多顆衛星組網目標。盡管實際設計中，對于天基靶場，將TDRSS、GPS系統共同引入其中，可起到連續測控的效果，但需注意TDRSS本身存在一定的延時問題，所以在未來設計中，應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，其技術特征主要表現為抗干擾測控的實現，但也包含較多不足之處，如組織實施較為復雜、布站多等。

多目標測控

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

第一，多平臺組網、編隊飛行。為增強系統效能，通常會采用多飛行器組網、編隊等方式執行任務。例如，當發生海嘯、地震等突發災難后，可調動多個低動態飛行器升空組網，對整個災區進行高分辨率觀測，將受災、救援實況迅速傳輸至地面抗災指揮部，同時臨近空間平臺可充當移動通信的應急基站，在第一時間為災區恢復通信聯絡。

第二，臨近空間飛行器與空天載體協同使用。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。實際設計中主要需做好萊斯因子提高工作。具體設計中，首先可從鏈路技術、天饋系統角度著手，盡可能對天線性能進行改善，并采取鏈路設計的優化措施，這樣才可滿足反射系數降低的目標。其次，應在傳輸設備技術上進行完善，如多載波OFDM技術、AGC技術以及均衡技術等都可引入傳輸設備中，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，其測控系統應滿足全球、全時段的測控覆蓋。無論低動態還是高動態平臺，都需要連續不斷地、沒有縫隙的高覆蓋率測控。

對于傳統衛星測控，衛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動力學定軌。對于傳統彈道導彈測控，主要任務是對關機點測量，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，不能套用傳統軌道動力學定軌，而需要進行全程連續跟蹤測量。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來實現超視距覆蓋。

黑障下測控

高動態飛行器以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生壓縮，使飛行器周圍的空氣溫度急劇上升，致使空氣發生電離，從而在飛行器四周形成等離子體，導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，學術界把這種現象稱為“黑障”。

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

第一，采用多種測控方式互補。黑障一般出現在高動態飛行器頭部，在飛行器中部、后部的等離子鞘相對較弱，該現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，共同的結論是：提高無線電波的頻率對降低黑障出現的高度有明顯效果，但對走出黑障的高度無明顯效果。根據相關資料，在Ma5下，L頻段必定出現黑障，而此時S頻段是否有黑障，不同文獻結果有差異。不同的速度在不同的頻段能否出現黑障，與飛行器的材料、外形等有很大關系，因此很難界定出一個不出現黑障的頻段。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，從測控系統設計角度出發，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。

結束語

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