平流层通信 百科内容来自于: 百度百科

平流层通信是指用位于平流层的高空平台电台(代替卫星作为基站的通信,平台高度距地面17km~22km。可以用充氦飞艇、气球或飞机作为安置转发站的平台。

简介

则可以实现地面覆盖半径约500km的通信区。若在平流层安置250个充氦飞艇,可以实现覆盖全球90%以上人口的地区。平流层通信系统和卫星通信系统相比,费用低廉、延迟时间小、建设快、容量大。它是在研究中的一种通信手段

平流层信息系统

平流层信息系统一般是指用位于平流层空间轻于空气的、准静止长驻空的飞艇作为平台,装载一定的有效信息载荷,配合各种地面通信和终端设备所构成的系统,简记为SCS。平流层平台所处的空间处于各种通信卫星和地面接力通信站之间,是地球上空一片尚未开垦的“处女地”,它的开发对未来通信发展具有极大的意义。
平流层信息平台(一般高度为二十几公里)和通信卫星一样位于地球的上空,但它不属于卫星通信,因为按定义,“卫星是一个绕着另一个绝对质量占优势的物体运动,它的运动在初期而且以后,永远由那一个物体的引力所决定的物体”。平流层通信业务也不属于空间无线通信,因为ITU定义的空间站是一种位于某一目标,且该目标超过或可能超过地球大气主要范围的站。平流层通信也不应属于移动通信,因为它的大多数用户终端的位置是固定的。有较多的理由把它看作是一种高密度固定业务(FS),因为它的功能很像高山顶的一个转发站。因而ITU建议把它叫做“高空平台站”,简记为HAPS。
把平流层通信系统的属性弄清楚在管理上是很必要的。考虑到它属于固定业务的范畴,因此ITU决定把可能分配给这种业务的47GHz/48GHz波段分配给HAPS使用。目前这个波段已被认为是平流层通信系统的主要频段,但由于这个频段的雨雪衰减较大,问题较多,因而不少国家正在研究采用其它频段。

平流层信息平台研究骤然升温

利用高空气球或气艇进行通信的想法由来已久,为什么最近几年骤然升温,一些发达国家竞相投资进行研究呢?
80年代是卫星技术日益成熟并广泛应用于通信广播以及导航和定位领域的时代。因此人们很容易认为,卫星网络将是未来通信,特别是移动通信的主要手段。但科技人员早就知道,虽然同步通信卫星覆盖范围宽、通信容量大,能够传送大量的数据并组成跨越各大洲的数据通路,但是它的延时大,建造费用高。和地面网络相比,它不适用于把正在迅速兴起的“通信计算机”和骨干网连接起来,提供实时、交互的宽带业务;它能够提供大容量的下行通道,但地面用户终端的上行通道却很难拓宽,因为费用太高,一般用户,如小办公室或家庭办公室甚至中小企业都难以负担。在这种情况下低轨通信卫星网的方案应运而生。近十年来这种方案似乎是能够实现“随时随地在任何人之间互通信息”的个人通信的唯一可行方案,可把全球各处每个用户都连接起来。但是随着研究工作的深入开展,问题不断显露。这种系统不但费资巨大,组成及操作复杂,效率不高,各个卫星运行的大部分时间都在海洋、荒漠或人烟稀少地区。而且终端机的价格昂贵,技术上也具有较大风险。不少问题事先较难预料,只能在整个卫星星座组成、系统运行之后才可能被发现、被认识,对于系统的维护与完善来说,这显然是太迟了。在设计系统时,不可避免的一些局部毛病或某些环节的问题都将对整个系统的运行产生影响,从而难以实现预期收益。正在建造的铱星系统所遇的困难就是“前车之鉴”。
平流层信息系统就是在上述情况下提出的。从理论上说,这种新型的通信体制基本上具有已有各种通信体制的优点,而没有它们的缺点。它的延时小、造价低,只用一个平台就可以独立地实现一个地区的通信,也可以由若干个平台构成地区性的,甚至是全球性的信息网络,提供实时、交互式的宽带通信。当然要使这种系统付诸实用,也还有不少技术和组织问题需要解决。但在科学技术高度发展的今天,这些技术问题有的已经解决了,有的在近期内也是可以解决的。因而,一些技术先进国家先后成立机构,开展研究,预计3~5年内将把这种新通信系统投入应用。这种情况我们应该重视。

平流层通信系统及其特点

平流层通信系统具有一些重要的特点:
(1)和卫星通信相比,平台与地面的距离分别是同步卫星、中轨卫星和低轨卫星的1/1800、1/400和1/40,自由空间衰减分别减少65dB、52dB、32dB,延迟时间只有0.5ms,有利于通信终端的小型化、宽带化和双工数据流的对称传输和互操作,实现对称双工的无线接入。
(2)与地面平台相比,高度为20km的平流层平台的作用距离远、覆盖地区大。作为一个高空接力站时作用距离约为1 000km,比地面接力站约大10倍,信道衰落(按Ricean衰减特性)为20dB/10倍程,而地面系统(按Rayleigh衰减特性)的衰减为50dB/10倍程。发射功率可显著减少。作为探测平台时,比一般高度为1万米的飞机的探测距离远70%。
(3)平流层平台的位置机动灵活,既适用于城市,也可用于海洋、山区,还可以迅速转移,用于发生自然灾害的地区,如洪水、火山的监测。
(4)造价低,通信资费低,据估算,平流层平台的放飞、回收和日常的监测可利用一般的民航导航与气象系统,不需特殊的复杂庞大的发射基地,因而造价较低,估算每一平台造价只为通信卫星的1/10。而且每个平台都可以独立运行,不像低轨通信卫星那样需发射几十甚至上百颗卫星并组成星座之后才能工作,因而建设周期短,初期投资少。一般端机价格很低,通信资费也可以不高于已有的公众电话。
(5)平台可以回收,不会像卫星那样失效后变成空间垃圾,有利于环境保护。此外,平台高度在民航高度以上,不会对空中航行安全造成影响。
(6)平台位于国境之内,主权、使用权、管理权均属本国,所使用频段一般也不受国际规定的限制,有利于研制开发适用于本国的产品。

国外平流层通信研究概况

利用气球、飞艇或无人驾驶飞机在2万米以上高空从事军事侦察或科学探测的工作已经有很长的历史。这里只讨论近年来正在发展中的高空平台系统HAPS的情况。
1997年以来,美、日、西欧和南韩先后成立了几个公司或专门机构从事平流层通信系统的研究。这些公司的领导人不少是各发达国家退职的军政要人(如美国的黑格将军)、大企业家和大投资商,欧洲由欧空局(ESA)负责,日本则由邮政省与科技厅联合领导,参加单位除东京大学、京都大学和一些研究所外,不少大企业,如川崎重工、富士重工、日立、东芝、石川岛播磨重工等也都担负了研发任务,加、澳、法、英等国的一些航天、电子企业,如意大利的Alenia、法国的Thomson公司等也都积极参与。
据报道,SSI公司计划于2000年夏季进行长度为110m、直径20m的飞艇缩尺试验(高度7~18km),2001年定型,2002年推出第一代产品20~30台,2005年前完成建立250个台的计划,用于宽带移动通信、无线Internet和地球环境监测等方面。日本的计划是:在2001年之前进行几次“小尺寸”试验,2005年开始商业试用,建立几至几十个平台,用于国内通信、灾害监测、广播和IMT—2000等领域,使用2GHz和10GHz频段;欧空局和南韩只做了可行性论证,尚未有具体计划。
美SSI、日本、ESA和韩国等国各平流层平台的主要参数。这几种系统的信息有效载荷重量都是1吨,功耗10kW,但平台容积和总重量差别较大。SSI的容积和重量分别是170 000m3和10.4吨;日本的是4.8×105m3和32.4吨;ESA的各项参数与日本较为接近;韩国设计的平台和重量都很小。这些平台虽然大都通过了可行性论证,但仍属“纸上谈兵”,目前还没有做成1∶1的样机,近两三年内主要工作是做小尺寸平台试验和主要部件与关键技术研究工作。现在来讨论哪一种设计比较合理为时尚早,但可以肯定:能量供应系统是一个决定性的因素。SSI公司最初设计的平台采用效率高的离子推进器来平衡平流层风力,以保持平台的位置稳定。据报导,这种推进器采用离子为介质产生推进力,设备简单、效率高,因而平台所需的能量供给系统总重量只需4.9吨(含通信有效载荷1吨)。日本的平台采用3台螺旋桨推进器,平台所需能量由太阳能电池板及燃料电池等提供,总重量为11.2吨。ESA平台也采用螺旋桨推进器(设计平流层风速为25m/s),能量装置总重量为10.15吨。后两者所采用的推进器类型相同,平台能量估算也较相近。1998年SSI公司正式宣布,鉴于离子推进器技术尚不成熟,该公司设计的平台也决定采用螺旋桨推进器,气艇长度也增加至200m。

平台位置稳定问题

平流层中的气流随季节和地域而变化,夏季低纬度地区气流比较稳定,平均风速为10m/s~40m/s。平台将随风飘动,必须设法平衡风力作用使平台保持稳定,这是平流层平台和卫星的根本差别,也是轻于空气的气艇一直未能用于通信系统的基本原因。
对平流层位置稳定度的要求目前还没有确定。1997年SSI公司曾提出稳定度为±40m,这是很高的指标,实际上很难做到。如何对平台三维稳定度提出合理要求是一个必须研究的课题。对地面用户而言,平台位置变化对用户接收电平有直接影响,接收天线有效面积越大,方向性越好,则接收电平随平台位置变化也越大。在整体设计时对各个子系统的要求应合理安排,不能对某一指标(例如平台稳定度)要求过高。目前一般认为平台位置稳定度以几百米的量级计比较合适。日本计划于2005年前投入应用的平台,其稳定度暂定为±1 000m;2008年争取提高至±200m。

平流层通信的发展

实际上,在高空大气层建立有源或无源的通信平台早已不是一个新的想法。早在1960年美国的贝尔实验室(Bell Lab.)曾发射Echo号大型气球,利用它对信号的反射提供长距离电话服务。后来,美国国家宇航局(NASA,National Aeronautics Space Administration)的国家喷气推进实验室又计划采用由地面发射微波束供电的无人驾驶飞机构造平流层无线中继系统,但它存在微波传输的效率低、地面站的成本高以及大功率微波辐射对经过该空间的其他飞行物可能造成伤害等一系列问题。除此之外,加拿大的通信研究中心(CRC,Communication Research Center)、美国的NASA和日本的通信研究实验室(CRL,Communication Research Laboratory)都对平流层平台开展了许多研究,但由于当时对平流层平台的位置稳定和能源问题一直无法解决,所以有关平流层通信系统的研究也一直没能获得实质性进展。直到最近,由于高效率离子推进器的发明加上GPS技术的使用以及燃料电池性能的不断完善,建立平流层通信系统的规划重新引起了美国、日本等世界各国政府与研究者的重视和关注。美国的Sky Station Inc.已经向美国联邦通信委员会(FCC)申请了47/48GHz的600MHz频带作为平流层通信的上行和下行使用频率。该公司计划共发射250个平流层平台覆盖全球范围,为每个用户提供从64kbit/s到1Mbit/s的接入服务。在日本,成立了由邮政省与科学技术厅以及多个大型企业共同组成的平流层平台开发协会,通过了平流层通信的国家立项,并已提出了平流层无线系统的可行性报告,准备用长度达300m重量为30t的氦气充填飞艇组成平流层平台。允许有效载荷1t,需要消耗电能10kW。他们计划用50个平流层平台构成覆盖日本全国的空中通信网,5年后进入实用化阶段。美国的Angel公司则提出了用飞行器的高空遥控(HALO)网的结构及其操作的概念。飞行器是经过改装专门用来运载HALO网络中心部分的。它能运载大约1t重的物体在平流层飞行。这种飞行器实际上是用来提供无线商业服务的装备车。为了提供连续的服务,一队飞行器将轮流循环服务。每次在站上要工作约8小时。飞行器将保持工作站在海拔15.5km的高度,而它的空间形状像一个扭曲的圆环,标准直径小于14.8km。它的垂直仰角将大于20°,信号区域将覆盖约2000到3000km。韩国的一项关于平流层通信系统在技术上的可行性研究完成于1998年,它是由韩国信息和通信部提供资助,韩国的两个政府研究所和一个私人研究所参加了这项工作。目前的研究工作集中在国际标准化和平流层通信系统的关键技术的发展。在我国,平流层通信技术也已开始引起人们的重视和注意,从1998年开始,上海交通大学现代通信研究所平流层通信小组在上海市科委以及国家自然科学基金委的资助下开展了平流层通信的可行性预研以及平流层通信系统的关键技术研究。此外,国家信息产业部下属的平流层平台小组目前也在进行平流层平台的可行性预研工作以及小型平台的研制工作。

平台覆盖区及其应用

高空平台作为一个承载工具可以有各种应用,如通信、广播、遥感或科学探测等等。本文以通信为例介绍有关特点和问题。
平台通信业务的覆盖区域决定于覆盖区边缘至平台的仰角,仰角越小,覆盖区越大,但覆盖区内不同地点的用户至平台之间的距离差别也越大。SSI公司把平台视线所及的整个覆盖区分为市区、近郊区和远郊区,各区边缘至平台的仰角分别为θ=30°、10°和0°,各区半径分别为0、125和540km,每个覆盖区又分为700个蜂窝小区,三个覆盖区共有2 100个小区,按7个小区可重复使用同一个频率计算,频段再用率为300。在ITU所指定的47~48GHz频段中其可使用的频带为300MHz,按每赫兹1比特的调制效率计算,可提供150万个64kbit/s的实时信道。假定每个用户平均每天通话2.4小时,则一个平台可有600万个64kbit/s的数字电话用户,或150万个码率为256kbit/s的宽带用户,或18.75万个码率为2Mbit/s的E1用户。
日本提出一种把平流层系统与其它地面宽带系统(如美国ATM Fo-rum建议的“无线ATM系统”和日本的MMAC系统)相结合的方案。计划用100~200个平台构成一个覆盖日本全境的网格形网络,每个平台覆盖面积为40×40km2(划分为64个直径5km的蜂窝),相邻的平台用光通道相连,通信容量极大,鲁棒性也好,因为从信源至任何终端都可以有很多路由可供选择。这种网络的用途也很广,采用30GHz频段时,可以适用于144kbit/s的移动终端、32Mbit/s的便携式终端,或高于620Mbit/s的固定终端。他们认为:这种平台系统还可以实现通过无线接入直接把信息送达各种用户终端,解决“最后一公里”的问题,其价格远低于光纤到户,是一种具有极高竞争力的建设信息基础设施的新型通信体系。
1997年ITU通过把47GHz~48GHz频段、宽度为600MHz的频带分配给平台固定业务使用。这个频段的特点是波长短,天线尺寸小,但雨雪衰减大。目前美日有关机构都在努力争取ITU的2000年会议上能安排其它频段,如2、10、20、30GHz等供平台系统使用。

小结

平流层信息平台的营建是一个巨大的系统工程,涉及能源、材料、大气环境、和空气动力学(稀薄气体条件下的),以及平台的位置保持、姿态稳定等控制技术和放飞、回收等问题。平台的有效载荷是各种电子信息系统。与平台本身相比,信息技术比较成熟,但作为一种新的通信体制却仍有许多重要问题需深入研究。频段的确定是关键问题之一。此外电子系统如何与平台的能源、温度压力和保持稳定等支持系统相适应,如何与其它各种通信系统,如地面通信系统,卫星通信系统等相兼容,构成能互连互通互操作的信息基础设施,都是必须研究解决的问题。这些问题大多需要从基础研究着手,从理论上加以解决。
平台的建造也是一个实践性很强的项目,不少问题必须在实践中反复试验,不断改进,才能使系统更为完善。近几年来国外有关单位围绕平台的建造,投入了巨大的人力,物力,组织了几乎涉及全社会各方面的机构(包括科研,金融,制造厂商等),开展了范围广泛的多学科研究和多行业的协作配合,开发这个可用于通信的尚未开垦的“处女地”。
可以预期,这种新通信体系的建立已指日可待。我们可及早抓住机会,开展有关工作,争取这种新型的通信系统能早日应用,为中国信息基础建设增添一份力量。
$firstVoiceSent
- 来自原声例句
小调查
请问您想要如何调整此模块?

感谢您的反馈,我们会尽快进行适当修改!
进来说说原因吧 确定
小调查
请问您想要如何调整此模块?

感谢您的反馈,我们会尽快进行适当修改!
进来说说原因吧 确定