流星突發(fā)通信的現(xiàn)狀及展望

胡大璋

（中國電波傳播研究所，青島 266071）

技術(shù)研究

流星突發(fā)通信的現(xiàn)狀及展望

胡大璋

（中國電波傳播研究所，青島 266071）

本文論述了流星和流星余跡的物理特性，分析了流星突發(fā)通信特點，介紹了國外和國內(nèi)流星突發(fā)通信的現(xiàn)狀，展望了我國流星突發(fā)通信前景。

流星突發(fā)通信；流星余跡

1 引言

流星突發(fā)通信（Meteor Burst Communication）是一種以流星余跡為媒體的通信體制，簡稱MBC。MBC起源很早，1930年人們就知道流星能夠反射無線電波，但是由于流星出現(xiàn)的概率低，又是間歇式，所以對流星通信沒有引起足夠的重視，直到1952年美國史坦福大學(xué)研究所、美國國家標準局等單位開始研究MBC問題，建立MBC試驗系統(tǒng)“JANET”。1965年以后，西歐和美國又建立了“COMET”，“SrarCom”，“SNOTEL”等MBC系統(tǒng)。這時，微波和衛(wèi)星等通信體制已得到充分地發(fā)展，人們又回頭開發(fā)MBC，重新認識它的價值。人們發(fā)現(xiàn)MBC對于遠距離（特別是人類不易達到的地區(qū)）、數(shù)據(jù)傳輸速率較低、保密要求較強的通信系統(tǒng)，具有良好的使用價值。20世紀90年代以后，美國建立現(xiàn)代MBC演示系統(tǒng)，此后美國國防部把MBC列為十大通信系統(tǒng)之一。近十幾年，國外大力發(fā)展MBC，進行大量MBC試驗和理論研究，研制出多種MBC設(shè)備、創(chuàng)建以MBC設(shè)備為主的通信公司、MBC已成為一種有特殊功能的通信體制。

MBC工作于VHF超高頻段（40-60MHz），目前該頻率資源利用率最低（電離層高頻通信頻率在它的下方；超短波頻率在它的上方），從頻率資源開發(fā)角度看，利用40-60MHz超高頻做MBC是最有價值的。MBC本身開發(fā)利用了大自然的流星資源。

MBC傳播距離遠，單跳距離達2 000千米，組網(wǎng)后可實現(xiàn)全國通信、洲際通信，還可以達到特別難達到的地區(qū)（如海島、深山等）。與微波或衛(wèi)星通信體制相比，相同的通信距離它的成本最低，架設(shè)簡單，使用方便，間歇式通信方式，特別適用于遠距離的低速數(shù)據(jù)通信。另外，MBC的截獲概率極低，最適合保密通信，具有很好的軍事應(yīng)用的價值。

2 流星和流星余跡

2.1 流星

流星是宇宙空間物質(zhì)碎片和塵埃，它們與太陽系其他小行星、彗星一樣，環(huán)繞著太陽運動。天文觀察得到流星的軌道類似于行星，流星的軌道在一個狹長的橢圓軌道。據(jù)估計，每天大約有1 000億顆流星進入地球大氣層。前蘇聯(lián)第三顆人造衛(wèi)星的測壓傳感器測量表明，對一晝夜落入大氣中的流星質(zhì)量、半徑和平均流星數(shù)進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)流星的質(zhì)量與每天進入大氣層的流星數(shù)目成反比，若以M表示流星的質(zhì)量（克），N表示流星質(zhì)量大于M的流星數(shù)，那么，它們之間有如下關(guān)系：

流星的質(zhì)量M范圍從10-5到105克，對應(yīng)的平均流星數(shù)N從108到顆102顆。流星分為驟雨流星與零星流星兩大類：

驟雨流星（shower meteor）是許多速度相同的流星所組成的流星群體，它們沿著明確的軌道圍繞太陽運轉(zhuǎn)。對于地球上的觀察者來說，它們好象是從天空同一點發(fā)射出來的小火球，就仿佛下驟雨一般，非常壯觀，又稱“流星雨”。驟雨流星只占用于通信的流星總數(shù)的小部分。

零星流星（sporadic meteors）是那些沿任意軌道圍繞太陽運行的單個流星，占用于通信的流星總數(shù)的大部分。它們出現(xiàn)的時間與次數(shù)是隨機的，不象流星星群那樣可預(yù)測到，它們均勻地分布在天空中，但是主要集中在地球繞太陽的軌道橢圓面的周圍。

2.2 流星余跡

當(dāng)流星與地球相遇時，流星闖入了地球大氣層，相對地球的運動速度達12～72千米/秒。高速運動的流星與大氣層的空氣劇烈摩擦，隨著流星深入到大氣的稠密區(qū)（海拔高度120～80千米），摩擦更加劇烈，鐵、鈣等物質(zhì)開始融化、蒸發(fā)，物質(zhì)的原子獲得極大的熱運動速度，以致激起周圍大氣的電離，隨著流星的運動，在流星的尾部形成圓柱形電離氣柱，稱之為“流星余跡”。流星余跡形成后，初始半徑僅幾厘米，隨后流星余跡的體積迅速擴大，在擴散過程中，流星余跡內(nèi)電子密度下降，直至流星余跡消失。一般擴散過程持續(xù)十分之幾秒到幾秒，巨大的流星余跡，持續(xù)時間達數(shù)分鐘，其電離氣柱直徑達幾百米，流星余跡的長度達幾千米，巨大的流星可以用肉眼看見。

流星余跡作為電波傳播媒體，它具有突發(fā)性，可借助流星余跡媒體實現(xiàn)通信。

2.3 流星的統(tǒng)計特性

流星觀察結(jié)果表明：中等緯度地區(qū)，零星流星流晝夜變化大致呈正弦形式，以本地時間計算，六點鐘有最大值，十八點有最小值，最大值與最小值之比的平均值為4∶1。驟雨流星出現(xiàn)概率比較復(fù)雜，若把它考慮進去，晝夜變化曲線會更復(fù)雜，而且存在著逐日變化。

零星性流星流季節(jié)變化也呈正弦形式，在北半球七月有最大值，二月有最小值，最大值與最小值之比的平均值也為4∶1。陣雨型流星余跡出現(xiàn)概率比較復(fù)雜，若把它考慮進去，季節(jié)變化曲線也會復(fù)雜。

一般地說，赤道地區(qū)流星流出現(xiàn)的概率大；兩極地區(qū)流星流出現(xiàn)的概率小。對于全世界所有地區(qū)、不同時間的流星率、流星余跡方向統(tǒng)計目前還不完善，需要進一步研究。

3 國外MBC的研究現(xiàn)狀

20世紀90年代美國積極發(fā)展MBC技術(shù)，進行了“現(xiàn)代MBC演示試驗”，它是對現(xiàn)代MBC概念性論證，此前還進行了海洋信息傳輸、SNOTER（雪場觀察）；西歐也進行了JANET，COMET，StarCom系統(tǒng)；其他國家也進行一些流星突發(fā)通信系統(tǒng)試驗。MBC在臺風(fēng)、沙塵暴、雷暴、冰雪暴、泥石流、地震、森林火災(zāi)、水文、海洋、公路的管理和控制領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，在軍事上有較大的應(yīng)用潛力。國際電信聯(lián)盟（ITU）專門為“流星突發(fā)傳播的通信”提出建議（Recommendation ITU-R PL-843）[1]。可見國際上極其重視發(fā)展流星突發(fā)通信技術(shù)。西方國家MBC的研究簡要介紹如下：

3.1 現(xiàn)代MBC演示試驗

上世紀90年代，美國國防現(xiàn)代研究計劃局（DARPA）支撐一個現(xiàn)代MBC的演示研究[2]。從紐約州的維羅納和南卡羅萊納州之間建立了1 100千米全雙工流星散射鏈路。該系統(tǒng)采用寬帶相控陣天線技術(shù)，天線波束指向每日時間函數(shù)的流星熱點（hot-spots）。在每個站采用了四個7單元的八木天線陣作為發(fā)射和接收天線。在夏季，這條鏈路達到每秒幾千比特平均數(shù)據(jù)通過率。這個大功率鏈路的每個端點用電話線連接到維吉里亞洲的阿林頓演示站。演示鏈路的兩個端點的數(shù)字、聲音、圖像和電子郵件的傳輸情況。另外，還配備含GPS接收機和移動流星通信車，汽車位置信息傳輸?shù)? 100千米鏈路的每個端點，在阿林頓站顯示車輛的地理信息系統(tǒng)。

3.2 JANET系統(tǒng)

JANET是加拿大國防部無線電物理研究所早期研究項目，在渥太華到阿瑟港之間1 500千米的距離上，用50MHz頻率進行試驗，采用5單元八木天線。平均傳輸速率60字/分，出現(xiàn)流星時，以1 300字/分傳輸速率，從而使流星通信初次得到成功。

3.3 COMET系統(tǒng)

COMET是荷蘭到法國南部之間約1 000千米距離上進行通信試驗，頻率為36和39MHz，發(fā)射功率為200瓦，發(fā)收天線為5單元八木天線。數(shù)據(jù)傳輸率為1 700字/分（2 000波特）。通信試驗表明，早晨通信效果好，傍晚差，日變化呈正弦型；年變化是6月份為最好，12月份為最差。

3.4 海洋信息傳輸

1959年，波音公司在西雅圖至海洋上浮標傳輸海洋信息，工作距離約900千米，頻率為50MHz，功率為600瓦，浮標站平時不發(fā)射信號，一旦在適當(dāng)?shù)奈恢贸霈F(xiàn)了流星余跡，浮標站按照來自于西雅圖的信號指令，將儲存好的數(shù)據(jù)已3 500比特的傳輸速率發(fā)射。由于體制先進，數(shù)據(jù)傳輸可靠，證實了MBC的使用價值。

3.5 SNOTER系統(tǒng)

SNOTER系統(tǒng)是1997年美國雪場數(shù)據(jù)自動傳輸系統(tǒng)。MBC從美國愛達荷州到猶它州的OREGON，大量的遙測數(shù)據(jù)通過MBC傳輸。類似的系統(tǒng)還可以用于水文氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)、公路信息管理。

3.6 StarCom系統(tǒng)

StarCom系統(tǒng)是西歐建立流星通信和超短波通信結(jié)合系統(tǒng)，近距離采用超短波視距通信，遠距離采用流星突發(fā)通信。

3.7 南極流星通信

日本在南極的中山站與昭和站之間進行流星通信，得到一些初步的數(shù)據(jù)。

4 國對MBC我信道的研究

我國MBC發(fā)展較遲，上世紀西方發(fā)展MBC時，我們正發(fā)展衛(wèi)星、微波通信、光纖通信產(chǎn)業(yè)，所以MBC通信照顧不到，除部隊曾購買少量國外MBC產(chǎn)品試用外，無重大進展，直到21世紀，國家開始注意MBC，部分研究所開始做一些MBC基本理論和MBC設(shè)備研究，但規(guī)模小，進展不顯著。由于需求不明，國內(nèi)還沒有MBC商業(yè)公司。

中國電波傳播研究在21世紀初，根據(jù)MBC的需要，進行一個試探研究，研制了實驗用的“流星探測儀”，建設(shè)一條MBC實驗鏈路、對MBC信道特性進行了一系列研究[4]。

4.1 流星探測儀

“流星探測儀”的功能用于測量流星余跡通信信道特性，包括流星余跡信道強度與時間延遲的分布特性。它的工作頻段設(shè)計為35到60MHz，發(fā)射功率為1千瓦級、天線增益為13dB、接收機靈敏度為-120dBm、由GPS時標校準綜合頻率源，使收發(fā)兩站的信號得到精確同步（同步精度為0.1微妙），專用接口與計算機連接，用軟件控制探測儀的地址工作程序?！傲餍翘綔y儀”的原理框圖如圖1所示。

圖1 流星探測儀原理框圖

圖2 2003年8月12日流星余跡信道參數(shù)日變化

4.2 MBC信道特性測量

2013年中國電波傳播研究所在青島至新鄉(xiāng)600千米鏈路進行MBC信道特性實測。圖2給出了日觀測的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。給出“流星達到率”、“可用時間比”、“平均持續(xù)期”、“最大持續(xù)期”一日每個小時的統(tǒng)計值，以及當(dāng)日的“持續(xù)期分布密度”和“持續(xù)期累計分布”統(tǒng)計值。

4.2.1 流星到達率

流星達到率（Meteor Rate，MR）定義為單位時間突發(fā)信號大于某門限電平的流星數(shù)，即

式中，T為觀察時期；N為在T時期內(nèi)觀察到的突發(fā)流星數(shù)。由圖2.1看出：流星達到率從每分鐘幾次到十幾次。

4.2.2 可用時間比

可用時間比（Duty Cyc le，DC）定義為突發(fā)信號持續(xù)期之和與總觀察時間的比值，即

式中，T為觀察時期；τi為第i個突發(fā)流星信號的持續(xù)期（單位為秒）。由圖2.2看出：可用時間比從百分之幾到百分之幾十。

4.2.3 平均持續(xù)期

平均持續(xù)期τ（Average Duration，AD）定義為持續(xù)期的平均值，即

式中，N為觀察時期內(nèi)突發(fā)信號流星數(shù)；τi為第i個突發(fā)流星信號的持續(xù)期（單位為秒）。由圖2.3看出：平均持續(xù)期幾百毫秒。

4.2.4 最大持續(xù)期

最大持續(xù)期（Maximum Duration，MD）定義為持續(xù)期的平均值，即

式中，Max(x)是對x求最大值；τi為第i個突發(fā)流星信號的持續(xù)期（單位為秒）。由圖2.4看出：持續(xù)期幾十秒到幾百秒。

4.2.5 持續(xù)期分布密度

持續(xù)期分布密度（D istribu tion Density o f Du ration，DDD）p(τi)與DD有如下關(guān)系：

式中，△τi為第i個持續(xù)期間隔；N為最大持續(xù)期段；ni(τi，τi+△τi)為第i個持續(xù)期段(τi，τi+△τi)突發(fā)流星信號數(shù)；分母表示總流星數(shù)；其結(jié)果表示歸一化的持續(xù)期分布密度。

4.2.6 持續(xù)期累積分布

持續(xù)期累積分布（Cumulative Distribution of Duration，CDD）p(τ＞τk)定義為突發(fā)流星信號的持續(xù)期大于某特定持續(xù)期τk的突發(fā)流星信號的累積數(shù)，即

式（7）中，分母為總流星數(shù)，稱為歸一化的持續(xù)期累積分布。所有MBC信道特性研究成果為我國MBC系統(tǒng)的設(shè)計提供依據(jù)。

另外，對于MBC的一些關(guān)鍵技術(shù)突發(fā)通信內(nèi)的信息粘連技術(shù)，采用擦除插入方法，自適應(yīng)傳輸速率技術(shù)、自適應(yīng)天線技術(shù)、糾錯編碼技術(shù)也進行一些研究。

5 展望

隨著微電子器件（低價的固態(tài)器件）、數(shù)字信號處理技術(shù)、相控陣天線技術(shù)的發(fā)展，MBC的技術(shù)信能會得到很多提高，大量的短突發(fā)信道得應(yīng)用。展望21世紀，MBC在下面幾個方面會有美好的發(fā)展前景。

（1）核戰(zhàn)爭條件下戰(zhàn)略性通信網(wǎng)。首先，在未來戰(zhàn)爭中，幾乎所有現(xiàn)代通信系統(tǒng)，如互聯(lián)網(wǎng)、微波視距、衛(wèi)星通信、短波超視距通信、有線通信等將隨著載體被破壞而無法通信，而流星流星余跡是一種宇宙現(xiàn)象，相當(dāng)于一個“永恒衛(wèi)星”，在核戰(zhàn)爭時具有極強核生存（nuclear surviavbility）能力；第二，由于MBC采用突發(fā)信道技術(shù)，具有優(yōu)良的抗截獲（intercept resistance）、抗堵塞（jam resistance）和保密（cryption）能力，組網(wǎng)后，也不像手機，互聯(lián)網(wǎng)易被黑客破壞；第三，MBC造價低，無需像衛(wèi)星通信那樣昂貴的發(fā)射費用；第四，MBC可以裝載在移動車上，易于移動，架設(shè)方便，具有流動隱蔽性能，特別適于戰(zhàn)爭環(huán)境。由于MBC具有諸多重大的軍事優(yōu)勢，所以它是急通戰(zhàn)略性通信網(wǎng)理想形式。西方國家擬將以MBC方式，建立的最小特別緊急通信網(wǎng)MEECN（the Minimum Essential Emergency Communication Network），作為國家特別緊急的通信手段[2]。

（2）災(zāi)害應(yīng)急通信網(wǎng)。中國地域遼闊，人口眾多，各種災(zāi)害（如地震、泥石流、颶風(fēng)、海嘯、山洪、森林火災(zāi)）頻繁發(fā)生，傳統(tǒng)通信方式受到限制。流星余跡通信卻受干擾較小，也特別適合于惡劣環(huán)境下通信。所以建立全國災(zāi)害應(yīng)急通信網(wǎng)可廣泛地用于氣象、地震、水文、交通、救生等全國災(zāi)害信息預(yù)報、救援、管理、傳遞的應(yīng)用。

（3）智能移動流星通信系統(tǒng)?，F(xiàn)代電子發(fā)展，特別是高速微電子器件、天線定向掃描技術(shù)、大功率發(fā)射器件、低噪聲接收機器件，流星余跡信道修正技術(shù)，有望提高MBC系統(tǒng)整體性能，使之建成具有優(yōu)秀性能的“智能移動流星通信系統(tǒng)”，將應(yīng)用于更多領(lǐng)域。

6 結(jié)束語

我國在流星突發(fā)通信起步晚，MBC技術(shù)發(fā)展不快，社會關(guān)注、信息交流、商業(yè)運作不夠，所以在本文中研討，對于我國MBC的發(fā)展是有益的。

[1] Recommendation ITU-RPL-843,“Communication by meteor brush propagation”,ITU-R RECOMM ENDATION,1994 PL Series Volume Propagation In Ionized Media,PP258.

[2] R. I. Desourdi,Jr,“Advanced meteor burst communication”,AIAA-99-0507.

[3] C.S.Wilkins，”Erasure insertion methods for meteor burst communication system with fixed and variable rate coding”，IEEE Transactions on Communications, vol. 45, pp. 625-628, June 1997.

[4] 胡大璋，劉云．流星余跡信道研究．電波科學(xué)學(xué)報，第22卷增刊，2003年月.

Status and Outlook for the Meteor Burst Communication

Hu Dazhang
（China Research Institute of Radiowave Propagation, Qingdao,266071）

This paper discusses the physical properties for meteor and meteor trail. Analyzes the characteristic of meteor burst communication. Introduces the status of meteor burst communication on foreign and on inland. Outlook on my future of meteor burst communication.

Meteor Burst Communication; Meteor Trail

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.09.001

TN 91

A

1672-7274（2014）09-0001-05

胡大璋，男，1940年6月生，湖北武漢人，中國電波傳播研究所研究員，享受國務(wù)院政府特殊經(jīng)貼。從事電波傳播研究工作。國際無線電科學(xué)聯(lián)盟（URSI）中國委員會委員。