平流层高空平台通信系统调研报告

平流层通信是指用位于平流层的高空平台电台(HighAltitudePlatformStations,HAPS)替代卫星作为基站的通信，平台高度距地面17km~22km。能够用充氦飞艇、气球或飞机作为安置转发站的平台。若其高度在20km，则能够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，能够实现覆盖全球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。平流层信息系统普通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，配合多个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在多个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”，它的开发对将来通信发展含有极大的意义。平流层信息平台（普通高度为二十几公里）和通信卫星同样位于地球的上空，但它不属于卫星通信，由于按定义，“卫星是一种绕着另一种绝对质量占优势的物体运动，它的运动在早期并且后来，永远由那一种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，由于ＩＴＵ定义的空间站是一种位于某一目的，且该目的超出或可能超出地球大气重要范畴的站。平流层通信也不应属于移动通信，由于它的大多数顾客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），由于它的功效很像高山顶的一种转发站。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搞清晰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决定把可能分派给这种业务的４７ＧＨｚ／４８ＧＨｚ波段分派给ＨＡＰＳ使用。现在这个波段已被认为是平流层通信系统的重要频段，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，卫星网络将是将来通信，特别是移动通信的重要手段。但科技人员早就懂得，即使同时通信卫星覆盖范畴宽、通信容量大，能够传送大量的数据并构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，它不合用于把正在快速兴起的“通信计算机”和骨干网连接起来，提供实时、交互的宽带业务；平流层信息平台研究骤然升温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，卫星网络将是将来通信，特别是移动通信的重要手段。但科技人员早就懂得，即使同时通信卫星覆盖范畴宽、通信容量大，能够传送大量的数据并构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，它不合用于把正在快速兴起的“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，但地面顾客终端的上行通道却很难拓宽，由于费用太高，普通顾客，如小办公室或家庭办公室甚至中小公司都难以负担。在这种状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“随时随处在任何人之间互通信息”的个人通信的唯一可行方案，可把全球各处每个顾客都连接起来。但是随着研究工作的进一步开展，问题不停显露。这种系统不仅费资巨大，构成及操作复杂，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。并且终端机的价格昂贵，技术上也含有较大风险。不少问题事先较难预料，只能在整个卫星星座构成、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，不可避免的某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状况下提出的。从理论上说，这种新型的通信体制基本上含有已有多个通信体制的优点，而没有它们的缺点。它的延时小、造价低，只用一种平台就能够独立地实现一种地区的通信，也能够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。固然要使这种系统付诸实用，也尚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，有的在近期内也是能够解决的。因而，某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。这种状况我们应当重视。（１）和卫星通信相比，平台与地面的距离分别是同时卫星、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，有助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。作为一种高空接力站时作用距离约为１０００ｋｍ，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。发射功率可明显减少。作为探测平台时，比普通高度为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，既合用于都市，也可用于海洋、山区，还能够快速转移，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运用普通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。并且每个平台都能够独立运行，不像低轨通信卫星那样需发射几十甚至上百颗卫星并构成星座之后才干工作，因而建设周期短，早期投资少。普通端机价格很低，通信资费也能够不高于已有的公众电话。（５）平台能够回收，不会像卫星那样失效后变成空间垃圾，有助于环保。另外，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，所使用频段普通也不受国际规定的限制，有助于研制开发合用于本国的产品。国外平流层通信研究概况运用气球、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的状况。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）、大公司家和大投资商，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、京都大学和某些研究所外，不少大公司，如川崎重工、富士重工、日立、东芝、石川岛播磨重工等也都肩负了研发任务，加、澳、法、英等国的某些航天、电子公司，如意大利的Ａｌｅｎｉａ、法国的Ｔｈｏｍｓｏｎ公司等也都主动参加。据报道，ＳＳＩ公司计划于２０００年夏季进行长度为１１０ｍ、直径２０ｍ的飞艇缩尺实验（高度７～１８ｋｍ），２００１年定型，２００２年推出第一代产品２０～３０台，２００５年前完毕建立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年之迈进行几次“小尺寸”实验，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重要参数。这几个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１７００００ｍ３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靠近；韩国设计的平台和重量都很小。这些平台即使大都通过了可行性论证，但仍属“纸上谈兵”，现在还没有做成１∶１的样机，近两三年内重要工作是做小尺寸平台实验和重要部件与核心技术研究工作。现在来讨论哪一种设计比较合理为潮流早，但能够必定：能量供应系统是一种决定性的因素。ＳＳＩ公司最初设计的平台采用效率高的离子推动器来平衡平流层风力，以保持平台的位置稳定据报导，这种推动器采用离子为介质产生推动力，设备简朴、效率高，因而平台所需的能量供应系统总重量只需４．９吨（含通信有效载荷１吨）。日本的平台采用３台螺旋桨推动器，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动器（设计平流层风速为２５ｍ／ｓ），能量装置总重量为１０．１５吨。后两者所采用的推动器类型相似，平台能量估算也较相近。１９９８年ＳＳＩ公司正式宣布，鉴于离子推动器技术尚不成熟，该公司设计的平台也决定采用螺旋桨推动器，气艇长度也增加至２００ｍ。小结平流层信息平台的营建是一种巨大的系统工程，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。