平流层通信

平流层通信（Ｓｔｒａｔｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｃｏｍ-ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）是一种迅速发展的新型信息体系，近两年来国外又有几家公司发表了他们的研究工作，日本还于１９９９年５月间召开了一次平流层平台系统研讨会——ＳＰＳＷ＇９９，介绍了他们的方案和计划。本文对平流层通信进行介绍，希望能引起各方面的重视，尽早在中国开展有关研究，以期对中国信息事业的发展有所裨益。

１ 平流层信息系统

    平流层信息系统一般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，配合各种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于各种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”，它的开发对未来通信发展具有极大的意义。

    平流层信息平台（一般高度为二十几公里）和通信卫星一样位于地球的上空，但它不属于卫星通信，因为按定义，“卫星是一个绕着另一个绝对质量占优势的物体运动，它的运动在初期而且以后，永远由那一个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，因为ＩＴＵ定义的空间站是一种位于某一目标，且该目标超过或可能超过地球大气主要范围的站。平流层通信也不应属于移动通信，因为它的大多数用户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），因为它的功能很像高山顶的一个转发站。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弄清楚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决定把可能分配给这种业务的４７ＧＨｚ／４８ＧＨｚ波段分配给ＨＡＰＳ使用。目前这个波段已被认为是平流层通信系统的主要频段，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。

２ 平流层信息平台研究骤然升温

     利用高空气球或气艇进行通信的想法由来已久，为什么最近几年骤然升温，一些发达国家竞相投资进行研究呢?

     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，卫星网络将是未来通信，特别是移动通信的主要手段。但科技人员早就知道，虽然同步通信卫星覆盖范围宽、通信容量大，能够传送大量的数据并组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，它不适用于把正在迅速兴起的“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，但地面用户终端的上行通道却很难拓宽，因为费用太高，一般用户，如小办公室或家庭办公室甚至中小企业都难以负担。在这种情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“随时随地在任何人之间互通信息”的个人通信的唯一可行方案，可把全球各处每个用户都连接起来。但是随着研究工作的深入开展，问题不断显露。这种系统不但费资巨大，组成及操作复杂，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。而且终端机的价格昂贵，技术上也具有较大风险。不少问题事先较难预料，只能在整个卫星星座组成、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，不可避免的一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情况下提出的。从理论上说，这种新型的通信体制基本上具有已有各种通信体制的优点，而没有它们的缺点。它的延时小、造价低，只用一个平台就可以独立地实现一个地区的通信，也可以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。当然要使这种系统付诸实用，也还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，有的在近期内也是可以解决的。因而，一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。这种情况我们应该重视。

３ 平流层通信系统及其特点

     平流层通信系统具有一些重要的特点：

（１）和卫星通信相比，平台与地面的距离分别是同步卫星、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，有利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。作为一个高空接力站时作用距离约为１ ０００ｋｍ，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。发射功率可显著减少。作为探测平台时，比一般高度为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，既适用于城市，也可用于海洋、山区，还可以迅速转移，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利用一般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。而且每个平台都可以独立运行，不像低轨通信卫星那样需发射几十甚至上百颗卫星并组成星座之后才能工作，因而建设周期短，初期投资少。一般端机价格很低，通信资费也可以不高于已有的公众电话。

（５）平台可以回收，不会像卫星那样失效后变成空间垃圾，有利于环境保护。此外，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，所使用频段一般也不受国际规定的限制，有利于研制开发适用于本国的产品。

４ 国外平流层通信研究概况

    利用气球、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经有很长的历史。这里只讨论近年来正在发展中的高空平台系统ＨＡＰＳ的情况。

    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）、大企业家和大投资商，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、京都大学和一些研究所外，不少大企业，如川崎重工、富士重工、日立、东芝、石川岛播磨重工等也都担负了研发任务，加、澳、法、英等国的一些航天、电子企业，如意大利的Ａｌｅｎｉａ、法国的Ｔｈｏｍｓｏｎ公司等也都积极参与。

    据报道，ＳＳＩ公司计划于２０００年夏季进行长度为１１０ｍ、直径２０ｍ的飞艇缩尺试验（高度７～１８ｋｍ），２００１年定型，２００２年推出第一代产品２０～３０台，２００５年前完成建立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年之前进行几次“小尺寸”试验，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主要参数。这几种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１７０ ０００ｍ３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接近；韩国设计的平台和重量都很小。这些平台虽然大都通过了可行性论证，但仍属“纸上谈兵”，目前还没有做成１∶１的样机，近两三年内主要工作是做小尺寸平台试验和主要部件与关键技术研究工作。现在来讨论哪一种设计比较合理为时尚早，但可以肯定：能量供应系统是一个决定性的因素。ＳＳＩ公司最初设计的平台采用效率高的离子推进器来平衡平流层风力，以保持平台的位置稳定。据报导，这种推进器采用离子为介质产生推进力，设备简单、效率高，因而平台所需的能量供给系统总重量只需４．９吨（含通信有效载荷１吨）。日本的平台采用３台螺旋桨推进器，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进器（设计平流层风速为２５ｍ／ｓ），能量装置总重量为１０．１５吨。后两者所采用的推进器类型相同，平台能量估算也较相近。１９９８年ＳＳＩ公司正式宣布，鉴于离子推进器技术尚不成熟，该公司设计的平台也决定采用螺旋桨推进器，气艇长度也增加至２００ｍ。

５ 平台位置稳定问题

    平流层中的气流随季节和地域而变化，夏季低纬度地区气流比较稳定，平均风速为１０ｍ／ｓ～４０ｍ／ｓ。平台将随风飘动，必须设法平衡风力作用使平台保持稳定，这是平流层平台和卫星的根本差别，也是轻于空气的气艇一直未能用于通信系统的基本原因。

     对平流层位置稳定度的要求目前还没有确定。１９９７年ＳＳＩ公司曾提出稳定度为±４０ｍ，这是很高的指标，实际上很难做到。如何对平台三维稳定度提出合理要求是一个必须研究的课题。对地面用户而言，平台位置变化对用户接收电平有直接影响，接收天线有效面积越大，方向性越好，则接收电平随平台位置变化也越大。在整体设计时对各个子系统的要求应合理安排，不能对某一指标（例如平台稳定度）要求过高。目前一般认为平台位置稳定度以几百米的量级计比较合适。日本计划于２００５年前投入应用的平台，其稳定度暂定为±１ ０００ｍ；２００８年争取提高至±２００ｍ。

６ 平台覆盖区及其应用

     高空平台作为一个承载工具可以有各种应用，如通信、广播、遥感或科学探测等等。本文以通信为例介绍有关特点和问题。

     平台通信业务的覆盖区域决定于覆盖区边缘至平台的仰角，仰角越小，覆盖区越大，但覆盖区内不同地点的用户至平台之间的距离差别也越大。ＳＳＩ公司把平台视线所及的整个覆盖区分为市区、近郊区和远郊区，各区边缘至平台的仰角分别为θ＝３０°、１０°和０°，各区半径分别为０、１２５和５４０ｋｍ，每个覆盖区又分为７００个蜂窝小区，三个覆盖区共有２ １００个小区，按７个小区可重复使用同一个频率计算，频段再用率为３００。在ＩＴＵ所指定的４７～４８ＧＨｚ频段中其可使用的频带为３００ＭＨｚ，按每赫兹１比特的调制效率计算，可提供１５０万个６４ｋｂｉｔ／ｓ的实时信道。假定每个用户平均每天通话２．４小时，则一个平台可有６００万个６４ｋｂｉｔ／ｓ的数字电话用户，或１５０万个码率为２５６ｋｂｉｔ／ｓ的宽带用户，或１８．７５万个码率为２Ｍｂｉｔ／ｓ的Ｅ１用户。

    日本提出一种把平流层系统与其它地面宽带系统（如美国ＡＴＭ Ｆｏ-ｒｕｍ建议的“无线ＡＴＭ系统”和日本的ＭＭＡＣ系统）相结合的方案。计划用１００～２００个平台构成一个覆盖日本全境的网格形网络，每个平台覆盖面积为４０×４０ｋｍ２（划分为６４个直径５ｋｍ的蜂窝），相邻的平台用光通道相连，通信容量极大，鲁棒性也好，因为从信源至任何终端都可以有很多路由可供选择。这种网络的用途也很广，采用３０ＧＨｚ频段时，可以适用于１４４ｋｂｉｔ／ｓ的移动终端、３２Ｍｂｉｔ／ｓ的便携式终端，或高于６２０Ｍｂｉｔ／ｓ的固定终端。他们认为：这种平台系统还可以实现通过无线接入直接把信息送达各种用户终端，解决“最后一公里”的问题，其价格远低于光纤到户，是一种具有极高竞争力的建设信息基础设施的新型通信体系。

    １９９７年ＩＴＵ通过把４７ＧＨｚ～４８ＧＨｚ频段、宽度为６００ＭＨｚ的频带分配给平台固定业务使用。这个频段的特点是波长短，天线尺寸小，但雨雪衰减大。目前美日有关机构都在努力争取ＩＴＵ的２０００年会议上能安排其它频段，如２、１０、２０、３０ＧＨｚ等供平台系统使用。

７ 小结

     平流层信息平台的营建是一个巨大的系统工程，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。平台的有效载荷是各种电子信息系统。与平台本身相比，信息技术比较成熟，但作为一种新的通信体制却仍有许多重要问题需深入研究。频段的确定是关键问题之一。此外电子系统如何与平台的能源、温度压力和保持稳定等支持系统相适应，如何与其它各种通信系统，如地面通信系统，卫星通信系统等相兼容，构成能互连互通互操作的信息基础设施，都是必须研究解决的问题。这些问题大多需要从基础研究着手，从理论上加以解决。

    平台的建造也是一个实践性很强的项目，不少问题必须在实践中反复试验，不断改进，才能使系统更为完善。近几年来国外有关单位围绕平台的建造，投入了巨大的人力，物力，组织了几乎涉及全社会各方面的机构（包括科研，金融，制造厂商等），开展了范围广泛的多学科研究和多行业的协作配合，开发这个可用于通信的尚未开垦的“处女地”。

    可以预期，这种新通信体系的建立已指日可待。我们可及早抓住机会，开展有关工作，争取这种新型的通信系统能早日应用，为中国信息基础建设增添一份力量。

（收稿日期：１９９９－０８－１５）

[摘要] 平流层通信是一种新型的信息体系，美、日、西欧、韩国先后成立机构开展相关研究，预计３～５年内将有系统投入应用。针对这种情况，文章对平流层通信的特点、目前的研究概况及主要技术进行了介绍，希望能引起各方面的重视。

[关键词] 平流层通信 飞艇 位置稳定度 覆盖区

[Abstract] Ｔｈｅ ｓｔｒａｔｏｓｐｈｅｒｉｃ ｃｏｍｍｕｎｉｃａ-ｔｉｏｎ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｂｙ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｓ ｉｎ ＵＳ，Ｊａｐａｎ，ｗｅｓｔ Ｅｕ-ｒｏｐｅ ａｎｄ Ｋｏｒｅａ．Ｉｔ ｉｓ ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ｔｈａｔ ｃｅｒｔａｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ｐｕｔ ｉｎｔｏ ｕｓｅ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｒｅｅ ｏｒ ｆｉｖｅ ｙｅａｒｓ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐ-ｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｐｒｅｓｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｍａｉｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒａｔｏｓｐｈｅｒｉｃ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｒａｗ ａｔｔｅｎｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｂｌｉｃ．

[Keywords] Ｓｔｒａｔｏｓｐｈｅｒｉｃ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ａｉｒｂｏａｔ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｖ-ｅｒａｇｅ