系留氣球系統(tǒng)陣地堪選探討

龔超 喻廬榮

摘要：系留氣球系統(tǒng)按用途可分為基地站系留氣球平臺(tái)、高機(jī)動(dòng)系留氣球平臺(tái)、礁島系留氣球平臺(tái)等。結(jié)合不同的平臺(tái)特點(diǎn)和氣象要求，就如何做好陣地堪選進(jìn)行探討，以期望建立一套可靠、有效的陣地堪選體系，為系留氣球系統(tǒng)更好地使用提供參考。

關(guān)鍵詞：系留氣球；陣地；堪選

Discussion on Position Survey for Tethered Balloon System

GONG Chao，YU Lu-rong

（The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Hefei 230088，China）

Abstract：Tethered balloon system can be divided into base station tethered balloon platform，reef tethered balloon platform，etc.Combining with different platform features and meteorological requirements，this paper probes into how to do a good job in position selection，with a view to establishing a set of reliable and effective position selection system，and providing reference for the better use of tethered balloon system.

Key words：tethered balloon；position；survey

引言

系留氣球系統(tǒng)屬于無(wú)動(dòng)力浮空器，其球體容積一般在數(shù)百到上萬(wàn)立方米之間，依靠球體內(nèi)部所充輕質(zhì)惰性氣體——氦氣提供上升浮力，用來(lái)保證氣球升空后，能夠懸停在一定高度。由于系留氣球系統(tǒng)具有連續(xù)滯空時(shí)間長(zhǎng)、使用成本低、任務(wù)載荷大、生存能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合空中長(zhǎng)時(shí)間定點(diǎn)觀測(cè)，廣泛應(yīng)用于光學(xué)偵察、氣象探測(cè)、霧霾測(cè)量、通信中繼、應(yīng)急反恐、超低空目標(biāo)預(yù)警等諸多領(lǐng)域。與其他浮空器一樣，系留氣球系統(tǒng)在使用過(guò)程中，對(duì)周?chē)h(huán)境條件有著嚴(yán)格的要求，因此需要根據(jù)其自身特點(diǎn)，建立一套有針對(duì)性的、完善有效的陣地堪選措施，確保系留氣球系統(tǒng)使用安全。

1 陣地堪選綜合條件

陣地選擇的科學(xué)性和合理性直接影響到系留氣球及載荷效能的發(fā)揮。為保證氣球載荷的安全性和提高裝備的使用率，更好地滿足任務(wù)需求，利用百度地圖或高德地圖、地理信息系統(tǒng)、國(guó)家地理信息服務(wù)平臺(tái)等網(wǎng)絡(luò)化的電子地理信息服務(wù)系統(tǒng)，可為系留氣球陣地堪選提供多層面、多維度的信息資源。電磁干擾的強(qiáng)度可以通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行模擬。為實(shí)現(xiàn)堪選陣地綜合性能評(píng)價(jià)提供了有效手段，充分考慮綜合條件對(duì)設(shè)備使用的影響后，陣地所在區(qū)域應(yīng)滿足的條件如圖1所示。

圖1 陣地所在區(qū)域應(yīng)滿足的條件

1.1 系留氣球工作要求

（1）場(chǎng)地情況能滿足系留氣球工作需求。

（2）充分發(fā)揮載荷探測(cè)威力，能夠覆蓋主要探測(cè)區(qū)域和任務(wù)空間。

（3）滿足空域管制要求，保證與航路、航線、飛行訓(xùn)練空域、機(jī)場(chǎng)和靶場(chǎng)的安全距離，避免因空域原因降低裝備使用率；以陣地為中心，半徑為氣球最大升空高度的1.5倍、高度為氣球最大升空高度的1.5倍的空域應(yīng)劃定為限制飛行區(qū)如圖2。

圖2 限制飛行區(qū)

（4）滿足安全性要求，具有較強(qiáng)的生存能力，周?chē)鸁o(wú)重要設(shè)施和人員密集區(qū)等。

1.2 系留氣球保障要求

相對(duì)于其他飛行器，系留氣球有其自身的特點(diǎn)，如依靠?jī)舾×ι?、體積巨大、定點(diǎn)錨泊不易移動(dòng)等特點(diǎn)?；谶@些特點(diǎn)，要綜合考慮生活和工作保障需求：水、電、通信、道路具備利用條件。水、電供應(yīng)要求工作用水、電和生活水、電區(qū)分開(kāi)來(lái)，在特殊情況下要有水、電供應(yīng)的應(yīng)急保障；陣地區(qū)域應(yīng)有城鎮(zhèn)等生活保障基礎(chǔ)，利用百度地圖或高德地圖都可以瀏覽全球范圍內(nèi)任何一個(gè)地點(diǎn)的高清衛(wèi)星照片，可以顯示出該地區(qū)的道路、地形、建筑等信息。Google Maps是谷歌推出的Google Earth的姊妹篇，它可以被視為Google Earth的簡(jiǎn)化版，無(wú)需下載任何軟件，只要訪問(wèn)網(wǎng)址maps.google.com就可以輕松瀏覽各地的衛(wèi)星圖片。在Google Earth中，通過(guò)輸入經(jīng)緯度值，調(diào)出點(diǎn)位周邊地形圖，應(yīng)用其豐富的地形瀏覽功能對(duì)區(qū)域地形、交通、大型建筑、城鎮(zhèn)分布等情況進(jìn)行全方位分析，初步判斷勘查區(qū)域情況，道路條件是否滿足設(shè)備進(jìn)出陣地、陣地架設(shè)、設(shè)備維修時(shí)所需重型工程車(chē)通過(guò)。

2陣地堪選方法

根據(jù)陣地的綜合條件初步堪選完成后，應(yīng)對(duì)電磁環(huán)境、場(chǎng)地的可用性、陣地的自然環(huán)境進(jìn)行分析，綜合評(píng)判預(yù)選陣地的可行性，陣地的選擇，根據(jù)任務(wù)載荷探測(cè)威力，保證目標(biāo)范圍的準(zhǔn)確掌握，直接作出準(zhǔn)確的判斷。

2.1系留氣球載荷電磁干擾仿真計(jì)算

系留氣球載荷發(fā)射功率、有效掃描半徑非常大。為了防止或降低對(duì)其他無(wú)線通信以及人體輻射的影響，在陣地堪選的問(wèn)題上要慎之又慎。需要協(xié)調(diào)和論證的問(wèn)題主要分為3個(gè)方面：

（1）周邊干擾對(duì)系留氣球電氣設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備、通信設(shè)備以及載荷的影響。

（2）載荷對(duì)人體輻射的影響。

（3）系留氣球載荷對(duì)外界無(wú)線通信的影響。

2.1.1 周邊電磁干擾對(duì)系留氣球載荷的影響

由于系留氣球電氣設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備、通信設(shè)備以及載荷接收機(jī)的靈敏度較高，周邊微弱的電磁干擾都可能對(duì)其造成影響，所以在進(jìn)行陣地堪選時(shí)，需要對(duì)周邊電磁環(huán)境進(jìn)行仔細(xì)的勘查，并通過(guò)仿真計(jì)算確定電磁干擾對(duì)設(shè)備的影響程度。

干擾源主要分為固定干擾源和流動(dòng)干擾源，需針對(duì)不同的干擾源采取適應(yīng)的算法，依據(jù)干擾源產(chǎn)生的噪聲特性建立準(zhǔn)確的噪聲模型；依據(jù)載荷雷達(dá)參數(shù)，建立計(jì)算載荷接收機(jī)可能接收到的瞬時(shí)噪聲功率；通過(guò)仿真計(jì)算，確定系留氣球設(shè)備以及載荷雷達(dá)的最小防護(hù)距離。

2.1.2 載荷雷達(dá)對(duì)人體輻射影響

依據(jù)GB 8702-88《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》，對(duì)于公眾照射，在一天24 h內(nèi)，頻率范圍在30～3000 MHz，環(huán)境電磁輻射場(chǎng)的功率密度在任意6 min內(nèi)的平均值應(yīng)小于40 μW/cm?，環(huán)境電磁輻射功率為

（1）

式中， 為環(huán)境電磁輻射功率密度，單位為μW/cm?； 為發(fā)射機(jī)平均功率，單位為W； 為天線增益，單位為dB； 為天線與被測(cè)點(diǎn)距離，單位為m。

根據(jù)雷達(dá)參數(shù)計(jì)算出天線與被測(cè)點(diǎn)距離 ，即為設(shè)備陣地距離居民區(qū)的最小控制距離。

2.1.3 系留氣球自身及載荷雷達(dá)對(duì)外界無(wú)線通信干擾計(jì)算

周?chē)鸁o(wú)線通信被干擾主要是對(duì)微波通信收信機(jī)輸入的信號(hào)干擾。根據(jù)計(jì)算公式

（2）

式中， 為被干擾站收信機(jī)輸入端雷達(dá)干擾信號(hào)的峰值電平，單位為dBm； 為雷達(dá)脈沖峰值功率，單位為dBm； 為雷達(dá)天線增益，單位為dBi； 為雷達(dá)饋線損耗，單位為dB； 為頻偏損耗，單位為dB； 為干擾路徑傳輸損耗，單位為dB； 為被干擾站在雷達(dá)站方向的天線增益，單位為dBi； 為被干擾站接收端饋線系統(tǒng)損耗，單位為dB； 為被干擾站天線在 角時(shí)的交叉極化去偶，單位為dB。

實(shí)際計(jì)算時(shí)，根據(jù)雷達(dá)參數(shù)、被干擾微波站天線的方向圖等信息確定計(jì)算，得出是否會(huì)受干擾的結(jié)論。

2.2 系留氣球及載荷場(chǎng)地的可用性

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘選計(jì)劃，組織專家和技術(shù)人員到各預(yù)選陣地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地勘察，了解預(yù)選點(diǎn)的主要觀察方向遮蔽、海拔高度、陣地面積以及地質(zhì)、氣象、水文、交通等情況；對(duì)陣地戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)、環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，就陣地勘選建設(shè)相關(guān)問(wèn)題到所在地政府及其相關(guān)部門(mén)走訪調(diào)查征租用條件、地方區(qū)域規(guī)劃、周邊社會(huì)民情、保密條件等通過(guò)組項(xiàng)量化，獲得陣地定量信息，由專家和技術(shù)人員評(píng)定。

2.3 系留氣球及載荷陣地的自然環(huán)境

在滿足作戰(zhàn)要求的情況下，應(yīng)綜合考慮地質(zhì)條件、地形條件、氣象條件、自然災(zāi)害等最大限度提高裝備使用度和安全性。

2.3.1 地質(zhì)條件

地理位置應(yīng)首先滿足裝備使用條件和安全防護(hù)建設(shè)要求；要綜合考慮生活應(yīng)避開(kāi)凍土層、軟地基、活火山、風(fēng)口、落雷密集區(qū)；避開(kāi)泥石流、滑坡、流沙、洪澇等易發(fā)地段。

2.3.2 地形條件

所選區(qū)域應(yīng)能比較容易平整出半徑不少于氣球最大長(zhǎng)度1.5倍的場(chǎng)地；為確保裝備使用安全，以陣地平臺(tái)中心為基點(diǎn)，半徑為最大放飛高度區(qū)域內(nèi)建筑物、高山等造成的遮蔽角應(yīng)小于20°如圖3。

圖3 夾角示意圖

2.3.3 氣象條件

影響系留氣球裝備安全性和使用率的氣象因素主要為大風(fēng)、雷暴、降雪、冰雹以及沙塵暴，因此選擇陣地時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考查氣象條件。氣球使用主要?dú)庀髼l件一般為：

（1）地面瞬時(shí)風(fēng)速小于6 m/s的時(shí)機(jī)應(yīng)較多。

（2）地面瞬時(shí)風(fēng)速大于12 m/s的時(shí)機(jī)應(yīng)較少。

（3）雷暴、冰雹、沙塵暴相對(duì)少。

（4）很少或沒(méi)有暴風(fēng)雪。

風(fēng)場(chǎng)對(duì)系留氣球的影響主要在于性能、載荷、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度方面。從對(duì)流層開(kāi)始至平流層底層，風(fēng)場(chǎng)的變化隨著季節(jié)、經(jīng)緯度的變化，對(duì)應(yīng)每個(gè)高度層的風(fēng)速、風(fēng)向都發(fā)生變化，在陣地堪選時(shí)除了要考慮最大常值風(fēng)外，風(fēng)速、風(fēng)向變化（諸如大氣湍流、風(fēng)切變）也不應(yīng)忽視。

雷電對(duì)系留氣球的危害是多方面的。雷電產(chǎn)生高達(dá)數(shù)萬(wàn)伏甚至幾十萬(wàn)伏的沖擊電壓，可毀壞變壓器、斷路器等電器設(shè)備，二次放電的火花也可能引起火災(zāi)；絕緣的損壞，如高壓竄入低壓可造成嚴(yán)重的觸電事故；巨大的雷電流流入地下會(huì)在雷擊點(diǎn)及其連接的金屬部分產(chǎn)生極高的對(duì)地電壓，可直接導(dǎo)致接觸電壓或跨步電壓的觸電事故。因而陣地堪選時(shí)應(yīng)避開(kāi)雷電多發(fā)區(qū)。

降雪及凍雨會(huì)堆積在氣球表面，對(duì)氣球的安全運(yùn)行構(gòu)成了巨大隱患：一方面會(huì)增加球體重量，使停泊在地面系留裝置上的氣球與地面障礙物碰撞而損壞球體；另一方面會(huì)破壞氣球的氣動(dòng)外形，導(dǎo)致球體飛行阻力增加，飛行穩(wěn)定性下降，危及系統(tǒng)安全。要通過(guò)除冰雪措施保證氣球系統(tǒng)安全。

綜上所述，在各種惡劣氣象條件中，風(fēng)場(chǎng)、雷暴、降雪、凍雨以及沙塵暴會(huì)對(duì)裝備安全性產(chǎn)生影響。大風(fēng)不僅對(duì)裝備帶來(lái)災(zāi)難性后果，還會(huì)危及陣地周邊人員與建筑的安全，造成次生災(zāi)難事故。所以氣象分析中將風(fēng)的影響作為重點(diǎn)分析對(duì)象。

在陣地選擇時(shí)，最好應(yīng)搜集預(yù)選陣地10年以上的氣象信息，綜合分析并對(duì)比，最后確定最優(yōu)陣地。

2.3.4 自然災(zāi)害

對(duì)系留氣球影響巨大的自然災(zāi)害有臺(tái)風(fēng)、地震、海嘯、火山爆發(fā)、泥石流等，根據(jù)中國(guó)氣象網(wǎng)查詢最近20年來(lái)所選陣地區(qū)域的自然災(zāi)害情況，在堪選陣地時(shí)要盡量避開(kāi)此區(qū)域，以免對(duì)系留氣球設(shè)備造成重大損失。

3 結(jié)束語(yǔ)

系留氣球越來(lái)越多地被應(yīng)用于軍事和民事等領(lǐng)域。本文對(duì)系留氣球陣地堪選遇到的地域因素、氣象因素及其影響進(jìn)行了分析，確定了系留氣球在陣地堪選時(shí)會(huì)受到電磁環(huán)境、地理位置、空域情況、氣象條件這幾種主要因素的影響；然后根據(jù)系留氣球使用的特點(diǎn)并給出系留氣球陣地堪選適宜性的工程建議。

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作者簡(jiǎn)介：龔 超（1980-），男，河南駐馬店人，現(xiàn)為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八所飛行試驗(yàn)部工程師，主要研究方向?yàn)楦】掌骺傮w設(shè)計(jì)。

喻廬榮（1990-），男，安徽合肥人，現(xiàn)為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八所飛行試驗(yàn)部助理工程師，主要研究方向?yàn)楦】掌骺傮w設(shè)計(jì)。

（作者單位：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所）