高動態(tài)臨近空間飛行器海上組網(wǎng)測控方案設計*

李宇波，周 純，楊維維，朱利偉

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰214431)

1 引言

臨近空間通常是指地球表面以上20～100 km高度之間的空域，該空域高于普通航空飛行器的最大高度而又低于軌道飛行器的最低高度[1]，兼具航空航天的空間特點。臨近空間飛行器按飛行速度可分為低動態(tài)臨近空間飛行器和高動態(tài)臨近空間飛行器兩大類，前者包括高空氣球、飛艇、高空/超高空長航時無人機等，主要用于對地觀測、通信中繼等;后者包括高超音速飛行器、亞軌道飛行器、火箭/組合巡航型飛行器等，主要用作遠程快速機動平臺。

為驗證高動態(tài)臨近空間飛行器性能，一般需進行飛行驗證試驗，要求測控系統(tǒng)提供測控支持，獲取飛行試驗數(shù)據(jù)，對飛行器進行必要控制。與航天測控任務相比，高動態(tài)臨近空間飛行器測控特點主要歸納為四個方面，即全程測控、多目標測控、高動態(tài)測控和長時間“黑障區(qū)”測控。

高動態(tài)臨近空間飛行器飛行試驗一般可采用陸基多站接力測控、中繼衛(wèi)星天基測控、陸?？找惑w化測控等模式。陸基多站接力測控模式優(yōu)點是陸上站眾多，且可使用車載站沿航區(qū)靈活布置，較好滿足高動態(tài)臨近空間飛行器測控需求;存在不足在于該模式僅適用于陸上飛行試驗，不能滿足海上飛行試驗尤其是遠程飛行試驗測控要求。天基測控模式具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速率高、調度靈活等優(yōu)點，同時還可以有效降低使用成本，但是，也存在測控手段單一、“黑障區(qū)”測控存在跟蹤丟失風險[2]、目標機動段存在跟蹤丟失風險[3]以及對終端設備要求高等不足。陸?？找惑w化測控模式可以滿足高動態(tài)臨近空間飛行器海上飛行試驗的需求，但是需要有海島站、遠洋靶場、遠程測量飛機等提供支持，目前這些條件受限。

我國高動態(tài)臨近空間飛行器飛行試驗主要采用陸基多站接力測控模式。隨著技術發(fā)展，后續(xù)將開展高動態(tài)臨近空間飛行器海上飛行試驗，現(xiàn)有測控模式將不能適應，亟需開展新的測控模式研究。目前，國內(nèi)相關研究側重于測控需求與技術特征分析，對高動態(tài)臨近空間飛行器海上測控系統(tǒng)建設尚無公開論述。本文綜合考慮測控需求及測量船、臨近空間飛艇各自優(yōu)勢，提出一種海上組網(wǎng)測控新模式，并進行具體方案設計。

2 海上組網(wǎng)測控模式設想

由于高動態(tài)臨近空間飛行器飛行高度低，當進入海上段飛行時，若僅依靠測量船進行測控，則需要的測量船數(shù)量較多(例如參加遠程飛行試驗時進行全程測控約需要11艘測量船)，使用成本較高。為既實現(xiàn)全程測控，又減少測量船數(shù)量，可借鑒國外將臨近空間飛艇作為信息獲取與數(shù)據(jù)中繼平臺的思路，將測量船與臨近空間飛艇結合起來進行高動態(tài)臨近空間飛行器測控。

2.1 臨近空間飛艇在信息獲取與數(shù)據(jù)中繼方面應用情況

臨近空間飛艇飛行高度一般在20～50 km，載荷能力可以達到2000 kg以上，適合于作為遠距離信息獲取與數(shù)據(jù)中繼平臺。美國洛馬公司研發(fā)的高空長航時驗證艇，長152 m，直徑48 m，有效載荷約2000 kg，可在20 km高空飛行一個月以上，對直徑1200 km圓形區(qū)域進行監(jiān)視并實時將監(jiān)視數(shù)據(jù)傳至地面。

美國海軍也在開展高空機載中繼與路由器飛行器(High Altitude Airborne Relay and Router，HAARR)項目研究[4]，用于不同單元之間的通信。HAARR可以從艦船上出發(fā)，依靠電機和飛艇后部兩個螺旋槳進行機動，留空時間30天，留空高度21 km。HAARR從艦船上出發(fā)一個月后返回，由另外一艘HAARR替換。

2.2 海上組網(wǎng)測控模式

測量船具有作業(yè)范圍廣、綜合測控通信能力強、機動靈活等特點，臨近空間飛艇具有覆蓋范圍大、滯空時間長、配置靈活等特點，為解決高動態(tài)臨近空間飛行器海上測控對測量船數(shù)量需求較多的難題，可考慮將測量船與臨近空間飛艇的優(yōu)勢結合起來進行海上組網(wǎng)測控，組成如圖1所示，具體設想如下:

(1)相對跟蹤目標飛行軌跡，臨近空間飛艇布于前方，測量船布于后方，兩者搭接對跟蹤目標進行測控，并在兩者對目標同時可見的弧段內(nèi)形成備份。1艘測量船、1艘飛艇形成一個海上測控組合，根據(jù)跟蹤目標飛行距離不同，可靈活配置相應數(shù)量的測控組合;

(2)鑒于臨近空間飛艇尺寸不宜過大，載荷能力有限，可考慮先搭載遙測、光學測量設備，在有余量情況下再加裝遙控、外測設備;

(3)測量船與臨近空間飛艇可見，由測量船為飛艇提供下行通信路由支持[5]，與采用衛(wèi)星通信相比，可有效降低飛艇搭載通信設備的尺寸與重量;

(4)可采用測量船安裝相控陣天線、飛艇安裝小口徑拋物面天線(利于增大天線波束)的方式進行多目標測控，必要時還可以采取測量船、飛艇分別跟蹤不同目標的方式進行測控;

(5)當目標處于“黑障區(qū)”時，可采用測量船脈沖雷達(采用反射式跟蹤方式)、光學設備及飛艇光學設備進行測量;

(6)由測量船作為飛艇的釋放及回收平臺。任務前，測量船根據(jù)要求將飛艇在相應海域釋放，并進行測量船與飛艇間跟蹤與通信聯(lián)試;任務后，測量船再駛回飛艇所在海域，進行飛艇回收。

圖1 海上組網(wǎng)測控模式示意圖Fig.1 Maritime networking TT＆C mode diagram

2.3 海上組網(wǎng)測控模式的優(yōu)勢

與陸基多站接力測控模式相比，海上組網(wǎng)測控模式可滿足海上飛行試驗尤其是遠程飛行試驗的測控要求。與天基測控模式相比，海上組網(wǎng)測控模式的優(yōu)勢主要有:

(1)信號傳輸路徑損失小。中繼衛(wèi)星與跟蹤目標間距離在36 000 km甚至以上，飛艇與跟蹤目標間距離最大約2000 km，信號傳輸路徑損失減小25 dB以上，可大大提高接收信號質量;

(2)對跟蹤目標搭載終端設備要求低。飛艇對目標進行測控時，由于信號強度大，可直接接收其對地測控信號，不需要在目標上新安裝測控終端;

(3)測控手段多樣?？删C合利用脈沖雷達、統(tǒng)一測控設備、光學設備對跟蹤目標進行測量，且具備“黑障區(qū)”測量能力;

(4)目標機動段測量能力強。一般情況下，當跟蹤目標采用全向測控天線時，由于測量船、飛艇接收跟蹤目標信號存在較大余量，可適應目標姿態(tài)變化時信號增益變化，實現(xiàn)對目標連續(xù)跟蹤。

3 海上組網(wǎng)測控方案設計

3.1 測量船對高動態(tài)臨近空間飛行器跟蹤范圍計算分析

圖2中，θ1為自測量船至跟蹤目標的地心角(可用于表示測量船對目標的覆蓋范圍半徑)，E為最低跟蹤仰角，re為地球半徑，h為目標飛行高度，則

圖2 測量船對跟蹤目標覆蓋范圍示意圖Fig.2 Cover range of TT＆C ship to tracking target

目標飛行高度與測量船覆蓋范圍半徑對應關系見圖3。據(jù)圖3分析，目標飛行高度越高，測量船對目標覆蓋范圍越大。另外，測量船最低跟蹤仰角選擇越小，其對目標覆蓋范圍也越大，但為了確保對目標進行外彈道測量和遙控，一般選擇最低跟蹤仰角7°對應的覆蓋范圍開展測控方案設計。

圖3 目標飛行高度與測量船覆蓋范圍半徑對應關系Fig.3 Relationship between flight altitude of target and cover radius of TT＆C ship

3.2 飛艇對高動態(tài)臨近空間飛行器跟蹤范圍計算分析

圖4 中，θ2為自飛艇至跟蹤目標的最大地心角(可用于表示飛艇對目標的覆蓋范圍半徑，取飛艇至跟蹤目標的測量線與地表相切)，re為地球半徑，h1為飛艇飛行高度，h2為目標飛行高度，則

圖4 飛艇對跟蹤目標覆蓋范圍示意圖Fig.4 Cover range of airship to tracking target

當飛艇、跟蹤目標取不同飛行高度時，飛艇對跟蹤目標覆蓋范圍半徑變化關系見圖5。

圖5 目標飛行高度與飛艇覆蓋范圍半徑對應關系Fig.5 Relationship between flight altitude of target and cover radius of airship

據(jù)圖5分析，目標飛行高度越高，飛艇對目標覆蓋范圍越大;提升飛艇飛行高度，也可以提高對目標的覆蓋范圍。

3.3 海上組網(wǎng)測控方案設計

3.3.1 近中程高動態(tài)臨近空間飛行器海上組網(wǎng)測控方案設計

對于飛行高度50 km以下的高動態(tài)臨近空間飛行器，根據(jù)美國X－43、X－51技術驗證試驗情況，其飛行距離一般選擇在1000～2000 km。對于此類任務，選擇飛艇高度20 km、跟蹤目標飛行高度20 km、目標飛行距離2000 km(對應地心角約18.0°)時，飛艇對跟蹤目標覆蓋范圍半徑約為地心角9.0°，測量船對跟蹤目標、飛艇的仰角7°覆蓋范圍半徑均為地心角3.3°，計算分析需要1艘飛艇、2艘測量船進行測控。具體部署時，可將飛艇布于飛行軌跡前段進行長弧段測量，并為測量船1跟蹤提供引導;測量船1與飛艇搭接測量，并為飛艇提供通信支持;測量船2布于目標落區(qū)附近，與測量船1搭接進行末段和落點測量，兩船之間通信采用衛(wèi)星通信，具體見圖6。

圖6 測量船與飛艇部署關系示意圖Fig.6 Disposition of TT＆C ship and airship

3.3.2 遠程高動態(tài)臨近空間飛行器海上組網(wǎng)測控方案設計

對于飛行高度約100 km的高動態(tài)臨近空間飛行器，由于要執(zhí)行全球范圍內(nèi)遠程快速打擊任務，其飛行距離要求能覆蓋半個地球，即地心角180°左右。對于此類任務，選擇飛艇高度為20 km時，飛艇對跟蹤目標的覆蓋范圍半徑約為地心角14.6°，測量船對跟蹤目標的仰角7°覆蓋范圍半徑約為地心角8.7°，測量船對飛艇的仰角7°俯瞰范圍約為地心角3.3°，計算分析共需要6艘飛艇、7艘測量船進行全程測控，具體示意見圖7。其中，6艘飛艇與6艘測量船形成6個測控組合，搭接進行航區(qū)測量;測量船7布于目標落區(qū)附近，與測量船6搭接進行末段和落點測量。這種部署方式可充分利用飛艇、測量船各自的測控優(yōu)勢，將飛艇、測量船組合成一個海空一體化的測控網(wǎng)，滿足此類型高動態(tài)臨近空間飛行器全程飛行的測控要求。

圖7 多船、多飛艇組網(wǎng)測控示意圖Fig.7 Networking TT＆C using multiple TT＆C ships and airships

實際情況下，在部分弧段有陸上站(首區(qū)站、海外站)可用時，也可用陸上站代替部分測量船。

4 海上組網(wǎng)測控關鍵技術分析

4.1 動平臺寬帶數(shù)據(jù)傳輸技術

為降低飛艇通信載荷重量，選擇將飛艇獲取的測量數(shù)據(jù)發(fā)送至測量船由測量船代傳至任務中心。通常情況下，飛艇接收到的遙測數(shù)據(jù)、數(shù)傳數(shù)據(jù)、光學圖像數(shù)據(jù)量較大，需要進行寬帶傳輸，而飛艇、測量船都屬于動平臺，需開展海－空動平臺之間的寬帶數(shù)據(jù)傳輸技術研究。在現(xiàn)階段，可以考慮利用飛機、大型無人機搭載通信載荷開展相關試驗，積累技術經(jīng)驗。

4.2 高動態(tài)目標捕獲跟蹤技術

測量船、飛艇在對高動態(tài)臨近空間飛行器測控時，目標在天線波束內(nèi)駐留時間短，給角度捕獲和跟蹤帶來較大困難，后續(xù)需結合測控頻段選擇、引導捕獲策略設計等開展研究，并可通過跟蹤搭載測控信標/應答機的飛機、無人機開展相關試驗。

4.3 長時間“黑障區(qū)”跟蹤技術

對于在臨近空間長期飛行的高動態(tài)飛行器，其“黑障區(qū)”測量手段主要包括光學測量和雷達測量。目前，對于目標長時間處于“黑障區(qū)”時的目標特性變化、穩(wěn)定跟蹤方法等尚缺乏研究。后續(xù)可結合參加航天器陸上、海上再入飛行任務時積累試驗數(shù)據(jù)，并開展相關技術驗證工作。

4.4 大型飛艇的釋放與回收技術

臨近空間飛艇體積較大，測量船尚缺乏飛艇海上釋放與回收經(jīng)驗，需開展必要的技術研究。同時，也可以考慮探索利用無人島嶼釋放、回收大型飛艇的可行性。

5 結束語

利用測量船與臨近空間飛艇開展海上組網(wǎng)測控具有測控手段多樣、設備配置簡單、通信保障方便、部署靈活機動的特點，可以滿足高動態(tài)臨近空間飛行器飛行試驗全程測控、多目標測控、高動態(tài)測控、長時間“黑障”區(qū)測控的需求，對我國后續(xù)開展高動態(tài)臨近空間飛行器海上測控系統(tǒng)建設是一種有益的探索。同時，這種測控模式在傳統(tǒng)的航天測控任務中也可應用，有助于提高測控弧段覆蓋率，提升測控系統(tǒng)完成任務的可靠性，具有廣闊的應用前景。

本文主要從理論分析層面進行了高動態(tài)臨近空間飛行器海上組網(wǎng)測控的方案設計，動平臺寬帶數(shù)據(jù)傳輸、高動態(tài)目標捕獲跟蹤、長時間“黑障區(qū)”跟蹤、大型飛艇的釋放與回收等一系列關鍵技術后續(xù)還有待進一步開展研究。

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