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      瑞見——投資人說:散射通信

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      發布時間:2022-07-08

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      本期內容提要:

      散射通信是指利用大氣層中傳播媒介的不均勻性(“公共散射體”)對電磁波產生的散射作用進行的超視距通信。散射通信不受核爆、極光等因素影響,可跨越海灣、無人煙地區等區域,且保密性強、通信穩定,是軍用通信中不可缺少的重要手段。


      散射通信是指利用大氣層中傳播媒介的不均勻性(“公共散射體”)對電磁波產生的散射作用進行的超視距通信。散射通信不受核爆、極光等因素影響,可跨越海灣、無人煙地區等區域,且保密性強、通信穩定,是軍用通信中不可缺少的重要手段。美國、俄羅斯等國一直在持續不斷的發展散射通信技術、更新散射裝備,散射通信已成為各國戰略、戰區及戰術通信網中不可或缺的重要通信手段,而中國散射通信系統多作為軍用支援保障性裝備。其具備建設投入小、組網靈活、后期維護費用低、抗干擾等特點。

      (一)散射通信基本原理
      散射通信是指利用大氣層中傳播媒介的不均勻性(“公共散射體”)對電磁波產生的散射作用進行的超視距通信。
      而地球大氣層又按其特性不同可分為若干個區間。從地球表面至高度為15公里左右的大氣空間稱為對流層;從15到60公里的空間稱為平流層;從60到400公里的空間稱為電離層;一般來說,對流層、電離層、平流層以及流星余跡等都能利用它們介質的不均勻性進行散射傳播。
      以對流層散射通信為例,照射到對流層中的電磁波,在遇到湍流、氣旋、云團等不均勻介質時會向著各個方向散射,其中超斜前方向射去的電磁波是能夠達到很遠的地方(300-2000千米)。當遠處高靈敏的接收機,將散射出來的微弱電磁波接收下來,從而實現了通信。

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      (二)散射通信分類及技術特點

      根據散射媒介的不同,散射通信可分為對流層散射通信、電離層散射通信、流星余跡通信。

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      1. 對流層散射通信

      對流層散射通信在三種散射通信中應用最為廣闊。對流層處在大氣層中的最底層,它的上界高都約為15千米,其中分布著大量的空氣漩渦和云團等,它們大小不同,形狀各異,而且不斷發生變化。當超短波、微波等電磁波輻射到這些不均勻介質時,就會產生散射。
      對流層散射通信常用的頻段為0.2~5吉赫,通信容量較大,單跳距離在100-300千米,最遠可達1000千米??蓚鬏旊娫?、電報、圖像、數據等信息。 

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      2. 電離層散射通信

      利用距離地面高都75~90千米的電離層介質中的不均勻體對超短波的散射或反射作用進行的超視距通信。電離層散射通信和對流層散射通信有許多共同之處,如前向散射、信號衰落等。
      電離層的高都比對流層高,其單跳距離比對流層散射通信遠,通常為1000~2000千米。為減少電波穿過電離層,電離層散射通信只能在較低頻率(30~60兆赫)工作,通常容量比對流層散射通信小,傳輸頻帶很窄,只有2~3千赫左右,加之電離層散射通信使用的頻段上頻譜已很擁擠,只能傳輸電報和低速數據。
      在場景應用上,電離層散射通信可以作為短波通信的替補方案,尤其是對于北極地區的通信具有重要的意義。短波通信,是通過在大氣層中電離層的折射來實現通信的。而通常的短波通信,當電離層出現不正常的騷動時,正常的短波通信將受到破壞,在某些情況下會使通信路線完全中斷。但在此期間,由于電離層的電子密度不均勻性加大,電離層散射作用反而會增強,尤其是在較高的工作頻率上。因此,電離層散射通信路線可靠性高,特別是在北極地區,短波通信常常受到干擾,在此情況下,如果采用電離層散射通信將可實現穩定可靠的通信。此外,由于晝夜、季節的變化對電離層散射傳播的損耗印象不大,因而散射通信設備可以在固定頻率上工作,不必像短波通信那樣要晝夜更換工作頻率。因此,設備可以簡化,使用比較方便。
      3. 流星余跡散射通信
      流星余跡散射通信是利用流星穿過大氣層形成的短暫電離余跡對超短波的反射和散射作用而實現的遠距離快速無線電通信技術。
      流星是以每秒幾十公里的速度進入地球大氣層的物體,它的經過出現在離地面80至120公里的高空。由于流星進入大氣層的速度很高,它在運動過程中會和大氣層分子間劇烈地摩擦而發熱。當流星質量較大時,進入大氣層不致全部被燒毀,將剩下的部分落在地面而形成隕石;而較小的流星將在大氣中燒毀而被蒸發,當流星粒子便成為氣體狀態時,分解出大量的離子,而形成柱狀的電離余跡。起初余跡不大,但由于擴散作用,體積很快地增加,留下一個長達十余公里的電離余跡,也就是所謂的流星余跡。每條這樣的余跡都能持續幾毫秒至幾秒的時間。當無線電波在傳播路徑上碰到這種電離空氣柱時,電波就會被它散射。
      由于流星余跡的存留時間短,消失塊(1-2秒內),為此要求發射出去的信號預先存儲在記憶設備內,一旦出現電離余跡時,此信號就以快速地方式發射出去。常用的通信工程頻率為30-60兆赫,實用數據率為每秒2~4.8千比特。所以這種通信持續方式極短,實時性差,只能傳送數據,此外需要還需要采用存儲器等使設備較復雜。
      但同時,比起電離層散射通信,流星余跡散射有以下優勢:

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      在應用場景方面,由于它的優點突出,通信可靠度也比較高,因而在一定場合下具有很大的實用價值。美國在七十年代開始,將流星余跡通信應用于軍事、水文和氣象等方面的數據傳輸網。例如,波音電子公司研制了應用于極區的保密軍用流星余跡通信設備,最大通信距離在1900公里。此外,目前已研制了一種把流星余跡和電離層散射相結合的混合式通信系統,它兼有兩種通信方式具有的特點,而充分發揮設備的效能。

      (三)散射通信發展趨勢
      1. 散射通信發展簡史
      (1)散射通信國際發展歷程
      20世紀三十年代,隨著雷達技術的發展,發現了電磁波的超視距傳播現象,隨后進行了大量的傳播試驗;1950年在大量試驗的傳播試驗的基礎上,總結產生了散射傳播理論;1955年美國最先實現的散射通信技術的實用化,從散射設備的實用化至今,基本上經歷了以下4個階段。
      階段1:固定散射站,多工作在L/S頻段,傳輸容量一般小于2Mbps,天線口徑基本在10米左右,發射功率在10kW甚至更高,單站值班和維護人員約20人。固定散射站主要用于構建遠程骨干網,單跳通信距離在200km左右;
      固定式對流層散射通信設備,通常是一部大型設備。它采用大功率發射機、高增益天線和低噪聲接收機,來克服傳輸過程中的大量損耗;采用分集接收或新的調制和解調技術來解決信號衰落問題。天線方面,采用高效率饋源的拋物面天線,其口徑可達三、四十米。

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      20世紀80年代,衛星通信技術得到發展,逐漸替代了對流層散射通信技術的部分功能,除高緯度同步軌道衛星覆蓋不佳的地區外,1吉赫茲以下頻段的對流層散射通信站開始被逐漸關閉。

      階段2:機動散射站,傳輸容量在2Mbps左右,每站由2~3輛車組成,主要用于遠程機動通信保障,單跳通信距離一般在150km以下,多用于戰區通信;
      對于移動式散射通信設備,首先,發射機的發射功率較小,一般為1千瓦或幾百瓦量級,因此設備的體積小重量輕,便于運輸或車載。其次,要求設備架設迅速,建立通信快,還要便于拆除。要有專門的天線瞄準器,以便當站址改動時,盡快溝通線路,實現正常通信。

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      階段3:單車單站,在階段2的基礎上,利用單輛越野卡車上實現了天線、通信設備、供電等一體化設計,機動能力進一步提升。其最高傳輸容量支持20Mbps;

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      階段4:單天線散射戰,相繼出現了以DART-T為代表的戰術型散射裝備,在本階段更加注重設備的小型化、模塊化以及多模式通信一體化設計。設備體積更小、重量更輕,可通過小型越野車進行承載或者人工背負,在戰場快速部署中使用更加靈活。

      (2)我國散射通信發展歷程
      中國從50年代中期開始研制對流層散射通信設備。60年代中期著手建設試驗線路。70年代開始研究數字對流層散射通信設備,相繼建成了數條實驗線路。80年代已研制出固定式和可搬移式對流層散射通信設備,建立了軍用散射路線。
      目前,隨著通信技術的不斷進步,散射通信將采用新的調制解調技術和編碼技術,以獲得最佳的分集效果,將數字通信的頻率得以提高;同時將研究開發各種自適應技術,以適應信道的變化。
      2. 未來技術發展趨勢
      從美、俄等國的散射通信技術最新進展來看,散射通信設備的發展更加注重戰術部署下的應用,以“小型化、多?;?,高帶寬”來適應未來信息數字化戰場高機動性和高效性的需求,散射技術發展未來趨勢可總結如下幾點:
      (1)小型化
      “大功率發射機、大口徑天線、高山建設”是傳統散射通信不能回避的三個問題 ,但這都是現代機動作戰所不能適應的。隨著天線小型化、固態功放和數字通信技術的進步,散射設備小型化已成為可能,單兵智能化、背負式散射通信電臺已經在研制中。
      (2)擴展工作頻段
      現役大部分散射設備的工作頻段大都在5 GHz 以下,目前美國已有X頻段和Ku頻段的散射設備,更高工作頻段的設備意味更多的工作頻譜,更小的設備體積和天線尺寸,高頻段的設備在戰術部署中使用更加靈活。
      (3)與其它通信模式的一體化設計
      ①微波散射一體化
      微波散射一體化,能夠同時兼有微波傳輸和散射傳輸的功能,當通信距離為視距時,可采用視距微波鏈路;當距離超出視距或者尚未超出視距,但是中間有山丘等障礙物遮擋,可采用散射鏈路,用這種一體化設備組件野戰通信網,可以大大增強通信網的機動性和抗毀能力。
      ②散射衛星一體化
      美軍的DART-T雙模式、全頻段、可重新配置戰術終端,具有散射和衛星兩種工作模式,適用于快速部署、快速反應及應急通信、指揮中心與機動部隊之間建立大范圍快速移動的戰術中繼鏈路、邊境監視、島島或內陸通信等。配有1面2.4米天線(典型),最高傳輸速率可達100Mbps,具有散射/繞射/視距/衛星多種工作波形。
      與其他通信模式的一體化設計的散射通信裝備可以在戰場實現既定任務目標的同時,減少通信裝備的種類、降低操作維護人員的工作難度。
      (五)各國散射通信應用場景

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