52 平流层通信技术及其在军事通信中的应用前景 2002．3
总第 70期
平流层通信技术及其在军事通信中的应用前景
刘俊杰 王 翔
(海军成都军代室，610041)
摘 要 本文简要介绍了平流层通信的典型系统、性能特点及平流通信特殊的优点，并提出了与其相关的关
键技术 ，最后对其在军事通信中的应用前景进行了简单探讨。
关键词 平流层通信 典型系统 军事通信
Teetmology of Sh薯“ p c Cl0Ⅱ哪硼JIli∞60ns a硼 Its Appii~ on PI1晒l，ed
in~_ditm-y C nInuni∞60璐
，
Wang
(Cher du Naval Deputy Office，Cheng(h】，610041)
A6s ：qlais paper introduces t cal stratospheric communications and its performances，and prD its key technology
Application prospect in military communications is also discussed．
， typical system，military eonmmnications
1997年 1月，Sky Station International Ine．在 Inc．会议上，提出“平流层电信业务”(stratospheric telrounicailon
service简称 )的建议文件，受到国际电联和一些国家电信部门的高度评价。普遍认为空中平台通信是继
6o年代卫星通信、七十年代光纤通信和八十年代蜂窝通信发明以来通信技术的又一重大突破。
平流层(Stratosphere) 称同温层，是指地面上空对流层顶(离地约 17～18Kin)到离地约 50Km高的大气
层，其间空气较为稳定，大气呈平流运动，且风向基本保持不变，在海拔 20～25Kin高度范围内风速最小。在
该层内安放气球或飞艇，在其下部吊仓内设置空中无线转发设备——高空平台站(HAPS，H曲 Altitude Plat—
form Station)，并使其天线辐射覆盖地面上一定范围的区域 ，就能实现包括手机在内的地面站间或地面通信网
间通过地面交换局进行的无线电通信。平流层利用一个设置在距地面约 21Kin高度的物理平台，可以实现
地面覆盖半径约 500km的廉价。高密度、大容量的宽带通信。SSI公司打算在地球上空“固定”安置 ~-．50个充
氦飞艇，构筑平流层通信平台，并由地面几千个控制和交换中心支撑，可以实现覆盖全球 9o％以上的人口。
平流层通信具有地面通信和卫星通信二者的优点，互为补充，构成三足鼎立的三维通信体系，将对全球
通信网的普及，对个人通信业务的兴起，对宽带视频业务的发展有着特别重要的意义，给发展中国家加速发
展信息通信提供了极好的机遇。
1 平流通信的系统结构和性能特点
1．1 典型 系统
平流层通信的典型系统如图一。该典型系统是一个供高密度地区应用的系统，它由以下三大部分组成：
①一个或多个利用位置保持技术定点于平流层中固定位置的高通信平台。平台上设备包括具有转发功
能的处理器，一个多波束聚束天线和一到二个单波束天线。聚束天线在其覆盖区的地面上形成很多小区，用
于与地面用户直接联系，使空间上相互分隔的用户可以复用信道；单波束天线用于与地面基站和移动交换中
心联系，使系统可以通过地面交换中心实现交换转接，也可由此接入其它陆地通信系统；在需要时还可通过
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52 平流层通信技术及其在军事通信中的应用前景
平流层通信技术及其在军事通信中的应用前景
刘俊杰王翔
(海军成都军代室，61似1)
总第 70期
摘 要 本文简要介绍了平流层通信的典型系统、性能特点及平流通信特殊的优点，并提出了与其相关的关
键技术，最后对其在军事通信中的应用前景进行了简单探讨。
关键词平流层通信典型系统军事通信
T创业nOI吨y of str现"抖阳ic communi臼伽~ and Its API埠i四DOO pr咽严"
in Mllitary Communica幽幽
μu , Wang Xúu尊
(α阳明u Naval DeputyαEce ， Chengdu , 61仅)41)
Abstract: 11ùs 阴阳 introduces typical stra阳phericα>mmunications and its 严IÍormar陇白， and pro阳帽 its key teclmology .
Appliωtion prospect in militaIy α>mrnlUll叫回国 is also discu眉00.
K咿削础 z 跑回值p如lCωmmunications ， typical sy~阳n ， militaIy αlIllIIllUUω且ons
1997 年 1 月， Sky Station International Inc. 在Inc.会议上，提出"平流层电信业务"归国tωpheric telrounicaÜ∞
servICe 简称引到的建议文件，受到国际电联和一些国家电信部门的高度评价。普遍认为空中平台通信是继
ω年代卫星通信、七十年代光纤通信和八十年代蜂窝通信发明以来通信技术的又一重大突破。
平流层(S国t(陷phere)又称同温层，是指地面上空对流层顶(离地约 17 - 18Km)到离地约 50Km高的大气
层，其间空气较为稳定，大气呈平流运动，且风向基本保持不变，在海拔 20- 25Km高度范围内风速最小。在
该层内安放气球或飞艇，在其下部吊仓内设置空中无线转发设备一一高空平台站(HAPS，因阱Altitude Plat-
fonn Station) ，并使其天线辐射覆盖地面上一定范围的区域，就能实现包括手机在内的地面站间或地面通信网
间通过地面交换局进行的无线电通信。平流层利用一个设置在距地面约 21Km高度的物理平台，可以实现
地面覆盖半径约 5∞km 的廉价。高密度、大容量的宽带通信。 SSI 公司打算在地球上空"固定"安置 250 个充
氮飞艇，构筑平流层通信平台，并由地面几千个控制和交换中心支撑，可以实现覆盖全球 90%以上的人口。
平流层通信具有地面通信和卫星通信二者的优点，互为补充，构成三足鼎立的三维通信体系，将对全球
通信网的普及，对个人通信业务的兴起，对宽带视频业务的发展有着特别重要的意义，给发展中国家加速发
展信息通信提供了极好的机遇。
1 平流通信的系统结构和性能特点
1. 1 典型系统
平流层通信的典型系统如图一。该典型系统是一个供高密度地区应用的系统，它由以下三大部分组成:
①一个或多个利用位置保持技术定点于平流层中固定位置的高通信平台。平台上设备包括具有转发功
能的处理器，一个多波束聚束天线和一到二个单波束天线。聚束天线在其覆盖区的地面上形成很多小区，用
于与地面用户直接联系，使空间上相互分隔的用户可以复用信道;单波束天线用于与地面基站和移动交换中
心联系，使系统可以通过地面交换中心实现交换转接，也可由此接人其它陆地通信系统;在需要时还可通过
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总第 7O期
海 军 工 程 大 学 电 子 工 程 学 院 学 报
H UU GONCCHENG DAXUE DIANZI GONCCHENG Xl肛Y1IAN XUEBAO 53
另一单波束天线与另一个 FLAPS系统进行空中中继链接，实现更大地域范围内的通信；
②一个或多个地面交换控制站；
③大量的可以提供宽带 [ntemet入口及可视电话业务和个人便携式移动通信设备(如手机等1的用户入
口终端。
此系统将作为一种固定业务中的高密度系统运作，它能向城市或其它高密度地区的固定站提供很高的
通信容量。
1．2 性能特点
1．2．1 工作频率范围
为满足通信带宽的需求，HAPS的工作频率一般选在毫米波段。例如，IrrU—R SG9会议为 Sky Station In—
temational Inc．建议的频带为上行47．2～47．5GHZ，下行47．9～48．2GHz。
由于无线电波的传播特性与地面的大气和气候的状况有关，不同频率的电波所受的影响不同，因此不同
气候环境条件的地区可能会选用不同的工作频率。例如，日本就选择了在降雨较多地区使用的 28～3lGI-lz
频段(上行31．0～31．3GHz，下行 27．5～28．35GHz)，并得到了WRC一00的认可。
根据不同的使用条件，HAPS的工作频率也可以选择在 Ku波段或 L波段上。
1．2．2 空中站高度
为保证具有一定重量和体积的 HAPS在平流层中可靠驻留，尽量选择风速相对较小 、空气浮‘千 嗣对较大
的平流层的底部区域，一般 HAPS的定位高度选取在海拔20～25Km。
1．2．3 传播损耗
从空中站到地面站的电波传播损耗主要为自由空间传播损耗，受大气和地面环境条件变化的影响小：
其路径损耗与距离的关系为每十倍距离损耗增大20dB。而陆地路径损耗是随大气和环境条件变化的随机
变量，距离增大十倍时路径损耗增大约 40dB。对 HAPS来说，离地面 23Kin公里处的 HAPS到其正下方地向
上的路径损耗与地面移动通信系统从基站到半径为 2Krn的蜂窝小区边缘处的路径损耗相当。这使 I-LA．PS系
统在一定的地面覆盖范围内为地面终端使用低增益天线(如便携手机)创造了有利条件。
1．2．4 覆盖范围
HAPS的覆盖范围可以用地面天线的最小仰角来界定。与陆地通信系统相比，由于 I-LM~S的天线高度比
陆地通信系统的基站天线要高的多，因此覆盖范围大是其明显优势。当最小工作仰角为 10 时，对于海拔
高度23Km处的HAPs来说，其最大覆盖半径 130Km；而对于陆地移动通信系统天线塔的高度为 100m时．其
最大覆盖半径不到600m。
2 平流层通信的关键技术
·平流层大气环境和电波传播；
·平流层天空站空气动力学；
·平流层信息天空站的材料和能源；
·平流层信息天空站的位姿测控；
·平流层天空站通信的体制和应用；
·平流层天空站通信的网络配置；
·平流层天空站通信的多址方式；
·平流层天空站通信的工作频段；
·平流层天空站通信系统集成和仿真。
3 平流层通信优点
‘ 费用很低——天空站可自行升空、移动并定点，可进行地面维修、回收、更新和再部署，因此空间平台的
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2α)2 .3
总第 70 期
海军工程大学电子工程学院学报
H气UùC-; GO:'-lGCHENG DAXUE DlA飞Zl GONGCf由可G XUEYUAN XUEBAO
另一单波束天线与另一个 HA自系统进行空中中继链接，实现更大地域范围内的通信;
②一个或多个地面交换控制站;
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①大量的可以提供宽带Intemet 入口及可视电话业务和个人便携式移动通信设备(如手机等)的用户入
口终端。
此系统将作为一种固定业务中的高密度系统运作，它能向城市或其它高密度地区的固定站提供很高的
通信容量。
性能特点
1. 工作频率范围
为满足通信带宽的需求， HAPS 的工作频率一般选在毫米波段。例如，盯V - R SG9 会议为 Skv Station In-
temational Inc. 建议的频带为上行 - ，下行 - 48. 2GHz。
由于无线电攘的传播特性与地面的大气和气候的状况有关，不同频率的电波所受的影响不同，因此不同
气候环境条件的地区可能会选用不同的工作频率。例如，日本就选择了在降雨较多地区使用的 28-31GHz
频段(上行 - ，下行 - 28. 35GHz) ，并得到了 WRC- ∞的认可。
根据不同的使用条件，HA囚的工作频率也可以选择在 Ku 波段或 L波段上。
1. 空中站高度
为保证具有一定重量和体积的 HAPS 在平流层中可靠驻留，尽量选择风速相对较小空气浮于?何叶较大
的平流层的底部区域，一般 HA囚的定位高度选取在海拔 20 - 25Kmo
1. 传播损耗
从空中站到地面站的电波传播损耗主要为自由空间传播损耗，受大气和地面环境条件变化的影时小二
其路径损耗与距离的关系为每十倍距离损耗增大 20dB。而陆地路径损耗是随大气和环境条件变化的随机
变量，距离增大十倍时路径损耗增大约 40dB。对 HAPS 来说，离地面 23Km公里处的 HAPS 到其正下方地回
上的路径损耗与地面移动通信系统从基站到半径为 2Km 的蜂窝小区边缘处的路径损耗相当 C 这使且APS 系
统在一定的地面覆盖范围内为地面终端使用低增益天线(如便携手机)创造了有利条件。
1. 2 .4 覆盖范围
HAPS 的覆盖范围可以用地面天线的最小仰角来界定。与陆地通信系统相比，由于且四S 的天线高度比
陆地通信系统的基站天线要高的多，因此覆盖范围大是其明显优势。当最小工作仰角为 10ζ 时，对于海拔
高度 23Km处的 HA归来说，其最大覆盖半径 130Km;而对于陆地移动通信系统天线塔的高度为 W.)m 时.其
最大覆盖半径不到制m。
2
3
平流层通信的关键技术
·平流层大气环境和电波传播;
.平流层天空站空气动力学;
·平流层信息天空站的材料和能源;
.平流层信息天空站的位姿测控;
·平流层天空站通信的体制和应用;
.平流层天空站通信的网络配置;
·平流层天空站通信的多址方式;
.平流层天空站通信的工作频段:
·平流层天空站通信系统集成和仿真。
平流层通信优点
·费用很低一一天空站可自行升空、移动并定点，可进行地面维修、回收、更新和再部署，因此空间平台的
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总第 70期
制造、发射、维护、回收的费用只不过是卫星的1／10，用户终端的费用仅有100—200美元，有可能把电信业务
费用普遍降低一个数量级，为世界各地的用户提供每分钟费用仅几美分的WWW业务及便携式可视电视业
务。
·容量很大——天空站定点高度能实现较高的频率复用，用作因特网接口可向l5亿多个64kbit／s数字通
信用户提供优质服务，或者向3．75亿个用户提供256kbit／s的视听业务，有可能较现有系统容量提高一个数
量级。
·适用性广——既适合于城市人口密集区，也适合于农村人口稀少区，既适合固定业务，也适合于移动业
务：既适合于窄带业务，也适合于宽带业务。
·提供业务快——空间平台一旦定点，无需部署全球信息基础设备或平台星座，即可向其服务区提供优
质服务。
、
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网络景蛀
图一 平流层通信典型系统示意图
4 平流层通信在军事通信上的应用前景
由于平流层通信的突出特点，在军事上特别适合海上和山区等边缘地带的通信，尤其是应付突发事件和
局部战争，在所需地面设备较少的情况下，可快速部署通信平台，在战场上空迅速建立起空中信息收集和交
换通道。由于它的系统架设和展开远较卫星简便，成本也低得多，对实现一定战区范围内的移动通信特别合
适。但系统的空中平台和平台设备载荷在战争状态下的抗毁性是一个较大的问题。因此军用平流层通信系
统的研究工作应该与其抗毁性研究同时开展，力求实现一个适合于战争环境的使用通信系统。
参考文献
1．何非常主编 军事通信——现代战争的神经网络 北京 国防工业出版社2000．02
2．Technical and Operation Characteristics for the ed Service Usms High Altitude Platform Stations in the Frequea~ Ran 18—32GHz
rid—R Doe．9B，耶 MP／l1一E．2O∞ ．9．
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54 平流层通信技术及其在军事通信中的应用前景
总第 70期
制造、发射、维护、回收的费用只不过是卫星的 1110，用户终端的费用仅有 1∞ -2∞美元，有可能把电信业务
费用普遍降低一个数量级，为世界各地的用户提供每分钟费用仅几美分的 www业务及便携式可视电视业
务。
·容量很大一一天空站定点高度能实现较高的频率复用，用作因特网接口可向 15 亿多个 64kbit/s 数字通
信用户提供优质服务，或者向 亿个用户提供 256kbit/s 的视听业务，有可能较现有系统容量提高一个数
量级。
·适用性广一一既适合于城市人口密集区，也适合于农村人口稀少区，既适合固定业务，也适合于移动业
务:既适合于窄带业务，也适善于宽带业务。
·提供业务快一一空间平台一旦定点，无需部署全球信息基础设备或平台星座，即可向其服务区提供优
质服务。
同蜡系踵
陆地移动用户
图一 平流层通信典型系统示意图
4 平流层通信在军事通信上的应用前景
由于平流层通信的突出特点，在军事上特别适合海上和山区等边缘地带的通信，尤其是应付突发事件和
局部战争，在所需地面设备较少的情况下，可快速部署通信平台，在战场上空迅速建立起空中信息收集和交
换通道。由于它的系统架设和展开远较卫星简便，成本也低得多，对实现一定战区范围内的移动通信特别合
适。但系统的空中平台和平台设备载荷在战争状态下的抗毁性是一个较大的问题。因此军用平流层通信系
统的研究工作应该与其抗毁性研究同时开展，力求实现一个适合于战争环境的使用通信系统。
参考文献
1.何非常主编军事通信一一现代战争的神经网络北京 国防工业出版社却见.02
2. T，回hnical and 句冗rationαJaraCteristiωfor the Fixed Service Using High Altitude Platfonn Stations in the FJ叫uency Range 18 - 32GHz.
口'u - R Doc. 9BfTEMPfl1 - E. 2纵刀 .9.
