航空航天領域通訊技術發展史

（青島市城陽第二高級中學，山東青島 266107）

0.引言

航空航天領域的發展是20世紀科學技術飛躍進步，社會生產突飛猛進的結果。一直以來都是一個國家科技水平與經濟實力等綜合國力的集中展現。近年來，我國經濟發展和科技進步帶領航空航天領域不斷向普適化、大眾化、民用化拓展，也向專業化、精細化、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域的發展速度與綜合實力，填補了多項國家戰略空白，滿足了我國社會經濟發展、國家安全建設的需求，進一步增強了我國的綜合國力。航空航天領域的不斷擴大與發展，使其對空天通訊的技術要求更進一層，尤其是在通訊質量、傳輸速度以及靈活性等方面更是提出了更長遠的發展目標。

航天器在藍天與深空中運行，需要人類的遠程操作，所以必然應用到通訊技術來傳輸信號。本文將從通訊技術的介紹、通訊技術與航空領域、航天領域、無人機領域的應用發展歷史論述。

1.通訊技術簡介

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。發射電磁波時，實質上是將攜帶信息的電磁波加載在負責傳輸的電磁波上，也就是載波載著信息波調制在一起，然后通過天線發射出去。之所以發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射出去和防止其他信息的干擾。這樣電磁波通過調幅或調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還原出原來的信號。

1.2 通訊系統基本原理

通訊系統的任務就是把攜帶信息的物理信號通過介質傳輸至它處。通訊系統模型可以表述為：信源輸出數據；編碼器將數據轉換為適合傳輸、便于識別、糾錯的信號；調制器按需從頻率、振幅、相位等要素將信號轉換為適合傳輸的形式。

1.3 通訊技術的發展

19世紀末，歐洲無線電技術隨麥克斯韋爾方程和電磁場理論的提出開始在眾多科學家的推動下蓬勃發展。1888年2月13日，德國科學家赫茲在柏林科學院證實了電磁波的存在。1894年，俄國科學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容的電報：“海因里希·赫茲”[2]。1897年，意大利電氣工程師和發明家伽利爾摩·馬可尼在英國成功用電磁波進行了2英里遠的無線電通訊并取得了專利，并在4年后實現了跨大西洋的無線電通訊。1906年德福雷斯特發明真空三極管，無線電調制設備的關鍵元件誕生了[3]。在該階段，無線電發射機產生的無線電頻率頻帶寬、制造難。

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

2.通訊技術在航空領域的應用發展歷史

回顧整個航空航天的發展史，通訊是所有航空航天任務取得成功的必要條件。自18世紀法國孟菲斯兄弟在巴黎表演熱氣球載人始，人類的攬天逐月之夢逐步從幻想走向現實，航空航天一詞也首次出現在人類的史冊里。

1903年萊特兄弟發明飛機試飛成功后，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用于運輸、交通領域以及戰爭，為了適應多變復雜的飛行模式和環境，并保護所載人物的安全或在軍事和戰爭中取勝，通訊系統作為各種飛行器工具的生命線逐漸被廣泛應用于航空領域。一戰前，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系。隨著無線電技術不斷突破，從1917年開始，無線電技術開始應用到飛機上。1918年第一批空中無線電臺被制造出來，大功率收發報機的發展使得飛行員可以向地面發回偵查情報。此時的空中無線電應用形式也都較為簡單，主要為語音通話、無線電班和側向導航。20世紀20年代，通過旋轉環形天線確定無線電方向的無線電測向儀開始應用到飛機上，加上飛機的高度有利于接收信號，其對地面發射儀的信號發射能力極低，完美地適應了空戰中各種復雜危險的環境。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先地位，甚至可以實現實時通話。1933年，美國人阿姆斯特丹發明世界上第一臺調制器[4]。

進入長達接近半個世紀的兩次世界大戰，戰爭成為了無線電發展所圍繞的主題。無線電發展呈現橫向趨勢，各大研究以強化通訊設備性能，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。攻擊敵軍的通訊設施是每一場戰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中。中途島海戰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縮短了至少2年。無線電加密與解密技術在沒有硝煙的無線電“空中戰場”獲得了高速發展。

早在一戰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年微波無線電系統研制成功，并在次年使實用性雷達出世。二戰時期雷達設施得到廣泛應用—通過接受經過飛機反射的、穿過云霧的電磁波尋找并發現遠距離外的目標，成為打擊空軍力量的重要利器。1941年蘇聯首先裝備機載雷達。二戰結束后，各國將微波應用于微波通訊系統的發展中，但是冷戰的接踵而至，使雷達的發展又進入新時期。兩次世界大戰中通訊技術的發展和冷戰的開始，再次為無線電發展提供了強勁的驅動力。在航空領域中，從無線電的地面發射臺，到空中機載無線電接收器，所有的無線電設備快速發展著。

3.通訊技術在航天領域的應用發展歷史

隨著電視產業開始在全世界范圍內傳播拓展，各國對于遠距離電視信號傳輸的需求越來越強烈。1960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星“回聲”1號送入太空，到達指定高度后，在太陽光的作用下，其內部會充氣而緩緩展開成為一只外裹著極薄鋁箔的氣球，該衛星便能實現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，不足以起到遠距離完整傳輸信號的功能。于是，帶有信號增強轉發器的中繼衛星—電星一號于1962年在美國升空。1963年11月23日，美國“中繼”號衛星實現了美日電視節目的轉播。1964年8月20日，國際通訊衛星財團成立，即今國際衛星通訊組織前身。1965年2月14日開始，美國發射了三顆“辛康”號衛星，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星系統，“辛康”1號也是世界上第一個地球同步衛星，這便是中繼星，它具有變頻放大、補償功率等功能，為信號續航提供動力。以航天衛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品，逐漸走進各種經濟水平家庭的客廳中，成為20世紀人類通訊技術發展成果的代表之一。

衛星與空間站在深空中執行任務更離不開通訊技術的應用。可以說，失去與地球聯系的一切航空器幾乎是廢鐵一塊。1959年1月2日，蘇聯衛星“月球1號”作為世界上第一個人類星際探測器發射成功，雖與月球相觸未能成功，但這是通訊技術在航天領域應用發展歷史上邁出的一大步。哈勃空間望遠鏡，“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，帶來通訊技術的高速發展。對于衛星來說，從探測地球的鄰居火星，到探測熾熱的太陽，再到探測遠端的冥王星，拍攝幾光年外的各種恒星，圖像與數據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，這也仰仗通訊技術的發展與在航天領域的應用。

4.通訊技術在其他航空領域的應用發展歷史

通訊技術在無人機領域中的廣泛應用，在一定程度上也推動了通訊技術在航空航天領域的發展。一戰期間無人駕駛飛機的構想被英國人提出。二戰后無人機作靶機使得無人機低成本強效能的優點被發現，無人機并開始被美國重視和大規模利用。軍事強國紛紛效仿，無人機的大范圍利用與發展也帶來了通訊技術的悄然發展，在20世紀末期尤為迅速，通訊的終端接受者可以不再是人類。進入21世紀伴隨著無人機的研發利用，無人機通訊技術發展更加迅速，如在2020年年末爆發的納卡沖突中，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武器，其具有型號種類豐富、任務執行方便、信息采集強大、攻擊手段多樣、遠程控制靈活、殺傷成本低廉等優勢特點，且雙方對無人機的防御壓制能力薄弱，反無人機系統缺失，對敵造成的打擊效果都比較優秀，該場沖突可以稱為第一次大規模使用無人機對抗的戰爭，軍事領域的無人機時代也許正在來臨。

民用無人機領域中，航拍是通訊技術在無人機領域的主要應用方式之一。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，通過快速的調制和發射，采用先進的通訊技術與智能設備無線相連，遠程隔空進行高速的數據傳輸，可使操作者迅速接收遠處傳來的圖像、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品，更已經走進千家萬戶，更在農業、工程、建筑、土木、藝術、生態保護等領域得到了非常廣泛的應用。民用無人機傳輸所需求的高速性、適應性與途徑多樣性為通訊技術提出了更高的要求，帶來了通訊技術在民用領域的橫向發展。同時，通訊技術在此領域的廣泛應用與航拍云臺技術的發展密不可分[5]。無人機之所以“無人”，正是依賴發達的通訊技術。可見通訊技術的發達，將會在未來引發包括航空航天領域在內的更多領域的巨變、革新與發展，通訊技術也將與之相輔相成，一同走上新世紀各領域科技綜合發展的快車道。

5.結語

自電磁波被發現以來，通訊技術與人類的生產生活相緊密結合，一直是人類科學技術發展的關注點之一。它決定著人類遠程控制事物的能力與本領，通訊技術在航空航天領域的應用發展歷史也是其中具有重大意義的濃重一筆。5G、大數據、人工智能等新科技的降臨，將為航空航天領域通訊技術提供了強大的發展動力，也創造了更加光明的進步前景。在更遙遠的未來，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，通訊技術在航空航天領域的發展將在一定意義上決定未來人類探索藍天與深空的能力和成果。當前，我國正在開啟國民經濟和社會發展第十四個五年規劃的新征程，我國通訊技術在航空航天領域的應用發展一定會進入一個新的階段。