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    临近空间飞行器应用及测控系统技术特征

    时间:2020-12-10 08:02:18 来源:雅意学习网 本文已影响 雅意学习网手机站

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      临近空间飞行器相对传统飞行器及人造卫星具有明显优势,弥补了两者之间的真空地带。本文对临近空间飞行器的应用前景进行了分析,并从测控系统专业角度对临近空间下测控系统技术特征进行了探讨。
      临近空间是高度在20~100km之间的空间区域,位于常规航天器轨道高度之下、常规航空器飞行高度之上。这片空域大气主要以水平运动,平均速度10m/s,空气干燥,水汽、杂质很少,基本没有云雨现象,温度保持平稳恒温,湿度接近于零,适于浮空器和采用吸气式动力的飞行器平稳飞行。
      临近空间飞行器是指能够在临近空间飞行以执行特定任务的飞行器,具有航天、航空技术融合的显著特点。相对于传统航空飞行器,临近空间飞行器的飞行高度更高、连续滞空时间更长、通信覆盖范围更广。相对于人造卫星(主要用于中继通信),基于临近空间飞行器的中继通信具备传输距离短、损耗小、延时小、所需发射功率低的优势,有利于实现宽带传输和通信终端小型化、低功耗化,并且临近空间飞行器更加机动灵活,可快速部署组网。
      目前,美国、俄罗斯、法国、以色列、日本、韩国等国也都投入大量的人力和经费积极开展临近空间飞行器的技术研究,主要代表有美国的“太阳神”无人机、“天鹰”(Aquila)无人机,英国的“西风”(Zephyr)无人机等。
      军事需求分析
      进入21世纪,阿富汗战争、伊拉克战争等一次次战争向世人深刻地展示了控制空间的重要性。控制空间已经成为占据未来高技术战争战略制高点的关键。临近空间区域作为人类刚刚涉足的领域,蕴含着巨大的军事应用价值。临近空间飞行器凭借其独特的优势可广泛应用于以下领域:
      通信中继平台
      临近空间飞行器配备通信装备后,有地面通信和卫星通信无法比拟的优势,尤其是低动态临近空间飞行器,具备覆盖范围大、发射功率低、管理维护简单、安全稳定的优点,既可作为军事信息网络各节点间的信息中继站,也可为地面、海上以及低空对象提供安全、高速的超视距通信能力。非静止轨道卫星一般周期性地重访目标区域,周期相对较长,临近空间飞行器却能够长时间悬停在目标区域上空,可实现直接覆盖,连续保障通信。
      侦察预警平台
      来战场环境下,临近空间飞行器作为通信和侦察平台,具备全天候、全天时工作能力,能方便快速地在特定时间、特定空域部署,其通信和侦察不受地形的限制,能够长时间持续工作,覆盖范围广。多个临近空间飞行器通过组网可向作战覆盖区域提供导航定位,由于距离优势,其信号强度要比卫星信号大得多,保密性也更好,进而提高了战场联合作战能力。另外,特别是综合运用红外探测、可见光成像和雷达预警等多种手段对作战热点区域的移动目标进行连续侦察和定位跟踪,以及实现对无人机、巡航导弹等隐身超低空飞行目标的早期预警,确保空间信息和侦察优势。
      电子对抗平台
      临近空间飞行器飞行高度居中,装载电子对抗设备后,一方面可以发射高强度的干扰信号,有效干扰敌地面、海面雷达和导航卫星,降低敌作战效能;另一方面也可以发射增强的卫星导航信号,提高卫星导航效率,甚至在卫星导航受到破坏时,可以利用临近空间飞行器组建新的独立于卫星的导航定位系统,临时为武器系统提供导航和定位数据。
      空间武器平台
      临近空间飞行器作为武器作战力量,可从飞机、舰艇等多种平台发射,响应快速,运行速度快,平时甚至可在临近空间驻留,战时从临近空间驻留平台发射,对敌高价值目标进行快速、精确的打击,对战争的胜负可起到至关重要的作用。美国X-51A临近空间飞行器试飞成功,验证了临近空间高超声速巡航导弹的可能,随着技术的不断发展,临近空间高动态飞行器将成为一种能在全球范围内快速到达并执行精确打击任务的利器,在未来战争中发挥巨大作用。
      运输补给平台
      由于临近空间具有高边疆、无国界的特点,在其中运行的临近空间飞行器又具有快捷、大载重量、航程远等优点,因此可作为新型运输工具,担负起战时空中运输舰的重任。临近空间飞行器可以很容易地避开敌防空火力,在更高的空域进行运输、补给,做到大范围、高机动投送,成为可移动的“战斗堡垒”;同时,巨型临近空间飞行器可将诸如宇宙飞船、人造卫星等航天器运抵预定高度并发射入轨,降低发射成本。
      科学试验基地
      目前,太空领域重要技术试验的一般方法是采用航天器搭载进行,存在的问题是搭载机会珍稀,费用巨大,风险较高,无法回收,演示试验效果受搭载航天器本身的功能限制。而临近空间由于其特殊的工作空域,成为连接大气层内外资源的纽带,可以提供更加接近于太空环境的真实条件。使用其作为搭载平台,很大程度上弥补了天基搭载平台的不足,具有费用低、范围广、设备可回收等优点。
      临近空间测控系统的技术特征
      测控系统在临近空间飞行器中的设计,与以往无人机测控、导弹测控、深空测控、卫星测控等比较,其设计要求极为不同。若设计中忽视测控系统需求分析,很容易造成测控系统难以符合飞行器运行要求。因此,实际设计中需从全程测控、多目标测控以及低仰角测控等角度进行分析。
      全程组网
      临近空间测控,其特征首先表现在“组网”方面,其主要测控系统运行中,呈现方式应以测控网形式为主,且在测控设计时主要考虑天基中继星组网、地基多站组网两方面内容,能够满足连续覆盖测控要求。以其中天基中继测控为例,其若能保持具有较大的覆盖率,便能实现多颗卫星组网目标。尽管实际设计中,对于天基靶场,将TDRSS、GPS系统共同引入其中,可起到连续测控的效果,但需注意TDRSS本身存在一定的延時问题,所以在未来设计中,应考虑将中继星作为天基测控的主体。再如地基接力测控方面,其技术特征主要表现为抗干扰测控的实现,但也包含较多不足之处,如组织实施较为复杂、布站多等。
      多目标测控
      随着临近空间领域的快速开拓,临近空间装备飞行器的种类、数量和可执行的任务类型在急剧增长。临近空间下多目标测控的特征主要体现在以下两个方面。
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