淺談流星余跡突發(fā)通信

趙玉剛

流星余跡突發(fā)通信是利用流星穿過(guò)大氣層時(shí)形成的短暫的電離余跡對(duì)無(wú)線電波的反射或散射作用進(jìn)行的通信方式。由于流星相當(dāng)于一個(gè)天然的衛(wèi)星，不存在高昂的發(fā)射費(fèi)用和維修保養(yǎng)問(wèn)題，而且受太陽(yáng)黑子活動(dòng)和核爆炸的影響較小，在軍事和民用方面都有廣泛的應(yīng)用前景。下面對(duì)流星余跡的形成及特點(diǎn)、可通條件以及足跡和熱點(diǎn)等做一簡(jiǎn)要分析。

一、流星余跡的形成及特點(diǎn)

流星體進(jìn)入大氣層后，會(huì)與大氣發(fā)生劇烈的摩擦，溫度急劇升高，發(fā)光并燃燒。流星體在燃燒過(guò)程中會(huì)散發(fā)出大量具有高能量的分子，這些高能量分子會(huì)進(jìn)一步電離周?chē)臍怏w分子，從而在其尾部形成一條細(xì)長(zhǎng)的電離余跡，這就是用于通信的流星余跡。流星余跡剛形成時(shí)，其內(nèi)部的電子密度很高，但是直徑范圍很小，一般在0.3～4.5米之間，隨著流星余跡的不斷擴(kuò)散、膨脹，產(chǎn)生的電子密度逐漸降低并最終消失。

流星余跡的存在時(shí)間與流星體的質(zhì)量有關(guān)，流星體質(zhì)量越大，余跡存在時(shí)間越長(zhǎng)。一般情況下，流星余跡存在時(shí)間在幾毫秒到幾秒范圍之間，其平均時(shí)間約為0.5秒，極少數(shù)情況下，能達(dá)到數(shù)分鐘。流星余跡一般分布在距離地球80～120KM的高空，即電離層的D層和E層，其余跡長(zhǎng)度15～40KM，存留時(shí)間較長(zhǎng)，但能夠用于通信的時(shí)間一般不超過(guò)1秒鐘。

根據(jù)長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，流星余跡的到達(dá)速率存在日變化和季節(jié)變化。在地球自轉(zhuǎn)的影響下，流星突發(fā)數(shù)目黎明時(shí)通常要大于黃昏時(shí)的三到四倍。在季節(jié)變化上，夏季流星突發(fā)數(shù)目通常要大于冬季時(shí)的三到四倍。另外，赤道附近的流星余跡到達(dá)率的日變化最大，兩極地區(qū)最小，但是，季節(jié)變化與之相反，赤道附近流星余跡到達(dá)率的季節(jié)變化最小，兩極地區(qū)最大。流星余跡的到達(dá)速率還與太陽(yáng)黑子的活動(dòng)有關(guān)，太陽(yáng)黑子活躍時(shí)的流星突發(fā)到達(dá)速率是不活躍時(shí)的二到三倍。

二、流星余跡突發(fā)通信可通條件

從無(wú)線電通信角度出發(fā)，要實(shí)現(xiàn)通信，首先要確定合適的工作頻率，流星余跡突發(fā)通信可用工作頻率約為30～120MHz。在流星余跡突發(fā)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，工作頻率的確定通?；谝韵聝蓚€(gè)方面進(jìn)行考慮：首先，對(duì)于頻率較高的信號(hào)，實(shí)際中流星余跡能夠反射電磁波的電離區(qū)域較小，從而造成接收信號(hào)強(qiáng)度較??；另外，考慮到實(shí)際中流星余跡電子線密度下降較快，可通信時(shí)間較短，所以頻率應(yīng)該越低越好。其次，實(shí)際應(yīng)用中往往希望使用較高的工作頻率。比如，當(dāng)工作頻率設(shè)定在低于30MHz時(shí)，電離層就可以反射電磁信號(hào)。較低的工作頻率還會(huì)容易受到大氣噪聲的影響，天線的尺寸和成本也會(huì)相應(yīng)的增加。研究表明，流星余跡突發(fā)通信最合適的工作頻率在40～60MHz之間。

在流星余跡突發(fā)通信中，信號(hào)傳輸鏈路需要滿足以下三個(gè)條件：

1、流星余跡產(chǎn)生的高度應(yīng)在80～120KM的范圍內(nèi)，并且必須產(chǎn)生在兩個(gè)工作站的通信線路所包含的公共體積范圍內(nèi)。

2、流星余跡的路徑要與以收發(fā)天線為焦點(diǎn)確定的橢球相切。

3、流星余跡反射損耗值要小，一般要求小于70dB，否則，經(jīng)反射得到的信號(hào)強(qiáng)度難以達(dá)到需要的接收電平門(mén)限值，不能保持正常通信。

三、流星余跡突發(fā)通信的足跡和熱點(diǎn)

所謂足跡，是指電磁波經(jīng)流星余跡反射或散射后照射到地面上的一個(gè)有限覆蓋區(qū)域。由于地球曲率的影響，該區(qū)域酷似馬蹄形，寬度一般約為10KM。從數(shù)學(xué)上來(lái)看，該區(qū)域是一個(gè)由鏈路位置及方位和余跡長(zhǎng)度所決定的多元函數(shù)。從理論上來(lái)說(shuō)，只有接收天線位于該范圍內(nèi)時(shí)才能夠接收到發(fā)送端發(fā)射的電磁信號(hào)，當(dāng)多個(gè)接收天線相距足夠遠(yuǎn)時(shí)，不會(huì)接收到同一流星余跡反射或散射發(fā)送端的電磁信號(hào)。也就是說(shuō)，該通信過(guò)程是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，且相互獨(dú)立。綜合以上分析，流星余跡突發(fā)通信具有高保密性和抗干擾的特性。

所謂的熱點(diǎn)，是指當(dāng)收發(fā)站確定時(shí)，在這兩點(diǎn)之間對(duì)流星余跡突發(fā)通信有效的流星容易產(chǎn)生的空間范圍，其位置約在收發(fā)天線所在的大圓左右兩側(cè)50～100KM的狹長(zhǎng)區(qū)域。圖1-1為流星余跡通信熱點(diǎn)示意圖。

圖1-1熱點(diǎn)區(qū)域

結(jié)束語(yǔ)

流星余跡突發(fā)通信其通信距離遠(yuǎn)、保密性強(qiáng)、受電離層擾動(dòng)、太陽(yáng)黑子以及核爆炸影響較小，在軍事和民用方面都具有廣泛的應(yīng)用前景，各國(guó)都在競(jìng)相進(jìn)行這方面的研究。本文對(duì)流星余跡的形成及特點(diǎn)、可通條件以及足跡和熱點(diǎn)等進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，對(duì)于研究流星余跡通信具有重要意義。