顾文恺 王大华

(1.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)(2.海军工程大学训练部 武汉 430033)

飞艇应急通信系统在抗灾救援中的重大应用*

顾文恺1王大华2

(1.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)(2.海军工程大学训练部 武汉 430033)

分析表明,我国现有的应急通信系统均不能良好地满足抗灾救援的需求。为了解决此问题,论文提出了一种利用飞艇搭载应急通信设备构成的飞艇应急通信系统,对系统的结构和功能进行了设计,对系统中飞艇的飞行高度、通信频率的选择、天线设计要求、通信覆盖范围等技术指标进行了分析和计算。该系统不仅在满足抗灾救援过程中应急通信需求上具有多方面的突出优势,并且在信息化条件下的军事应用方面也有着广阔的前景。

飞艇; 应急通信; 抗灾救援

Class Number TN925

1 引言

我国近年来自然灾害频发,多次重大的自然灾害,造成了重大的人员伤亡和经济损失,非战争军事行动越来越频繁。灾害发生以后,地面固定网络通信设施遭受严重破坏,由此引发灾区与外界的通信中断,阻碍救援工作的有效开展。因此,灾后的通信应急快速恢复已经成为抗灾救援任务顺利完成的重要需求。加强应急通信系统[1]建设,确保灾区的通信畅通对于确保抗灾救援工作的快速有效开展以及安定民心、稳定秩序具有极其重大的意义和作用。

目前我国常用的应急通信手段[2]有移动应急通信车、卫星电话以及空投卫星基站等,但均存在显著的局限性。移动应急通信车的载荷量很小,搭载的硬件设备十分有限,因此通信覆盖范围较小;地震等自然灾害发生后,随之发生的山体滑坡、泥石流等次生灾害将导致道路的坍塌或阻塞,此时移动应急通信车无法进入灾区,根本无法发挥作用。卫星电话的数量有限,普及度很低,无法满足大量用户的通信需求。卫星基站则需要由专业技术人员进行调试后才可以使用,要求技术人员与基站设备一同抵达灾区,所以也常常无法满足应急通信的需要。

综上所述,当发生重大自然灾害时,现有的传统应急通信手段根本不能满足灾区的通信需求。为此,本文设计了一种新型的飞艇应急通信系统,能够在灾害发生后的短时间内为受灾地区提供全面、快速的通信保障。

2 飞艇应急通信系统设计

2.1 系统功能设计

1) 具备多种通信能力。系统具有卫星通信、微波通信、短波通信三种通信能力,能够满足多种通信需求。

2) 语音通信功能。能够建立飞艇平台与抗灾救援指挥中心之间的专用语音通信信道;能够恢复灾区人民的手机通信;能够建立应急电台进行应急广播。

3) 视频监测功能。系统搭载高清视频采集设备,能够将灾区的视频情况及时传送给抗灾救援指挥中心。

4) 视频会议功能。能够在飞艇平台和抗灾救援指挥中心之间进行视频会议,方便指挥中心布置抗灾救援任务,指导抗灾救援工作。

5) 导航定位功能。飞艇应急通信系统具有导航定位功能,能够协助救援人员进行导航和定位。

2.2 系统结构设计

飞艇应急通信系统主要由通信子系统、视频采集子系统、导航定位子系统三部分构成,其组织结构如图1所示。

图1 飞艇应急通信系统组织结构

飞艇[3]由专业飞艇驾驶员驾驶,并搭载技术人员操控通信设备,在恢复灾区人民群众通信服务的同时协助完成抗灾救援的其他任务,如对灾区进行实时视频采集、救援指挥和对伤员进行紧急救援等。

通信子系统是飞艇应急通信系统最重要的部分,其中的卫星通信功能主要为救援人员与抗灾救援指挥中心之间的专线通信提供保障,具有高质量的话音通信和高速数据传输功能。短波通信功能主要用于建立应急电台,实现灾区的应急广播。微波通信功能主要帮助恢复灾区人民的手机通信。飞艇的飞行高度很高,因此可以实现较大面积的通信覆盖,通过在飞艇上搭载不同运营商的基站设备,使飞艇成为空中蜂窝移动通信基站[4],借助微波通信设备与地面移动交换机建立微波通信链路,进而接入移动通信网络,恢复灾区人民的手机通信服务。

视频采集子系统主要进行现场情况的视频采集以及帮助建立视频会议。导航定位子系统对飞艇进行飞行导航和位置定位,帮助飞艇在最短的时间内飞抵任务区域。

图2 飞艇应急通信系统微波通信链路图

3 相关技术分析

3.1 飞行高度及频段选择

目前,国内外广泛开展对平流层通信[5]的研究,文献[6]提出了一种利用浮空平台在平流层进行应急指挥通信的方法,但浮空器在平流层的滞空技术尚未有效解决,因此无法满足实际的需要。而在对流层区域,载人飞艇可以较为平稳地悬停在空中,担负应急通信系统的全部使命任务为灾区提供稳定的通信覆盖。因此,本系统中飞艇应急通信平台的飞行高度应选在对流层(3000m～5000m)及以下空域。

对流层位于大气的底层,与地面相接,集中了75%的大气质量和90%以上的水汽。大气中包含的氧、水汽(包括水汽凝结成的云雾以及降水)等物质会吸收电波能量,从而对电波的传播产生影响。因此电波频率的选择应当考虑大气对电波衰减的影响。

根据国际电联无线电通信部门《ITU-R P.676-8建议书》中介绍的无线电波在大气气体中衰减的计算方法,对不同频率的无线电波在干燥空气和水汽中的衰减分别进行计算和仿真。其仿真结果如图3所示。

从图中的曲线可以看出,无论是在干燥空气和水汽中,大气对无线电波的吸收作用均随着频率的增加而增大。对于10GHz以下的频率,干燥空气对其吸收衰减较小,而50GHz以上的波在大气中的衰减较为严重。

图3 无线电波在大气气体中的衰减仿真图

考虑到该系统中两条中继转发链路的中继距离都比较长,因此飞艇应急通信系统中的两条中继转发链路的频率应使用10GHz,该频率的电波大气衰减程度较小,传播距离较远,并且能够获得较宽的通信频带和较大的通信容量。对于灾区的移动用户,飞艇应急通信平台为其提供语音和短信等业务,因此蜂窝网部分的通信频段应与GSM移动通信的工作频段相一致。

3.2 天线要求

由于对流层距离地面的高度较低,在蜂窝网组织通信的部分,要求飞艇搭载的天线必须具有较宽的波束张角才可以覆盖较大的通信区域,但天线张角过大将导致波束增益的降低,因此,飞艇平台应选用多波束天线[7],从而在受灾区域形成若干高增益的窄波束,共同覆盖较大的区域,并且每个波束覆盖的区域之间应有少许的重叠,以保证对通信区域的无缝隙覆盖。飞艇与通信卫星、地面固定基站之间则选用相应的微波天线。此外,由于该系统中存在多条信号传播路径,会造成接收信号的多径衰落[8],而圆极化天线具有良好的抗多径反射和雨雾干扰的能力,在帮助消除多径衰落的同时还能减少由飞艇运动产生的对通信设备的影响,因此飞艇天线应采用圆极化设计,以提高通信的稳定性和可靠性。

3.3 通信覆盖几何范围

考虑大气的折射作用,对地球半径作等效处理。

R=Kr

(1)

K为等效地球半径因子。根据气候条件的不同,K的取值也不同。

图4 飞艇平台通信覆盖范围示意图

图4为飞艇平台通信覆盖范围示意图,取地球半径r=6370km,则在温带地区的地球等效半径

根据图中的三角关系进行计算。

(2)

(3)

因为R≫h

因此,

(4)

由于β很小,此时

(5)

覆盖半径

(6)

飞艇飞行高度h=3km,则可以计算出几何覆盖半径r≈226km

4 飞艇应急通信系统的巨大优势

1) 机动性好。飞艇起降和飞行均不受地形限制,可在灾害发生后的第一时间飞抵灾区上空,立即构建灾区与外界的通信联络。

2) 覆盖面积广。与传统地面基站相比,飞艇的飞行高度较高,天线覆盖面积增大,可为大范围的受灾地区提供通信服务。

3) 频道宽、载荷量大。飞艇可搭载大尺寸载荷,相当于大型空中移动基站,与灾区周边未被损坏的固定站相配合,可以满足大量用户的通信需求。

4) 稳定性好。与利用飞机搭载通信设备构成的空中应急通信平台相比,飞艇的飞行更为平稳,且具有长时间定点留空能力,其多普勒效应小,对通信设备的影响小。

5) 功能多,可扩展性好。集语音通话、视频监测、实时定位、应急广播、高速数据传输等功能于一体,为抗灾救援指挥部开展抗灾救援工作提供多种信息支持。

6) 绿色环保。飞艇飞行由于空气浮力的作用,大大减小了发动机的消耗功率,节能环保,是极有发展前途的绿色飞行器。

5 结语

综上所述,飞艇应急通信系统在抗灾救援等非战争军事行动中可以发挥重大作用。同时必须看到,飞艇应急通信系统在国防和军队现代化建设等领域也有着极其广阔的发展空间,它的推广应用具有非常重大的军事效益,是贯彻落实党中央关于提高应对多种安全威胁,完成多样化任务能力指示的有效途径,而构建的军民融合的先进装备技术平台,更将大大提高军队在信息化战争[9～10]条件下实施军事行动的能力。因此,飞艇应急通信系统是国防建设、国家防灾减灾和应急救援体系值得优先发展的重大项目。

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Significant Application of Airship Emergency Communication System in Disaster Relief

GU Wenkai1WANG Dahua2

(1. Electronic Engineering Department, Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (2. Training Division, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Analysis demonstrates that our existing emergency communication system can’t satisfactorily meet the needs of disaster relief. To solve this problem, the airship emergency communication system which consist of an airship equipped with emergency communications equipment is presented in this paper. The structure and function of the system is designed. The altitude of airship, communication frequency selection, antenna design requirements, communications coverage and other technical indicators are analyzed and calculated. This system not only has many outstanding advantages but also has broad prospects in the emergency communications needs, in military applications of information technology.

airship, emergency communication, disaster relief

2014年4月10日,

2014年5月29日

顾文恺,男,硕士研究生,研究方向:系统工程。王大华,男,教授,研究方向:系统工程。

TN925

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.016