陳芳烈

小小的流星到底是何方“神圣”呢？現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，它們來自火星和木星軌道之間的小行星帶，以及彗尾物質(zhì)，或是宇宙塵埃。這些位于宇宙空間的被稱為流星體的小顆粒，在落入地球大氣層時(shí)，由于與大氣分子發(fā)生劇烈摩擦而燃燒發(fā)光。當(dāng)美麗的流星劃過靜寂的夜空時(shí)，你可否知道，它或許正在為完成人類所賦予的光榮使命而燃盡了自己，奉獻(xiàn)了一生呢？

什么是流星余跡

應(yīng)該說明的一點(diǎn)是，不是所有進(jìn)入大氣層的宇宙顆粒與微小塵埃都能形成流星。速度太慢、無法與大氣分子摩擦而產(chǎn)生電離的，以及體積過大、進(jìn)入大氣層概率很低的宇宙顆粒，都不能形成流星。一般來說，我們把質(zhì)量在10-7～103克、半徑在20微米到4厘米之間的宇宙顆粒稱為流星體。

流星體在以高速進(jìn)入地球大氣層后，會(huì)與大氣分子和原子發(fā)生劇烈碰撞而產(chǎn)生高溫，這使得從流星體中蒸發(fā)出眾多原子，它們的速度很快，具有相當(dāng)大的能量，在與周圍空氣的分子和原子相碰撞時(shí)，產(chǎn)生了電離現(xiàn)象。也就是說，流星體和空氣中的中性分子和原子被分離為正離子和電子，同時(shí)伴隨著強(qiáng)烈的發(fā)熱、發(fā)光現(xiàn)象。于是，我們便可在地面上觀察到“流星余跡”。

上述電離過程以及發(fā)光、發(fā)熱的現(xiàn)象，只有當(dāng)流星體穿越空氣密度達(dá)到一定程度的大氣層時(shí)才會(huì)發(fā)生，因此流星余跡多見于80～120千米高空。在流星體穿越這段空間時(shí)，會(huì)發(fā)光、發(fā)熱形成細(xì)長(zhǎng)的圓柱狀電離尾跡——流星余跡。流星余跡平均長(zhǎng)度約為25千米，最長(zhǎng)可達(dá)50千米。

根據(jù)流星強(qiáng)度和密度的不同，它可以分為偶發(fā)流星、火流星和流星雨。偶發(fā)流星是單個(gè)出現(xiàn)的流星，它的出現(xiàn)具有不可預(yù)測(cè)性，在方向和出現(xiàn)時(shí)間上也都具有隨機(jī)性，但它數(shù)目眾多，是后面我們將要講到的實(shí)現(xiàn)流星余跡通信的主力?；鹆餍鞘桥及l(fā)流星中體積較大、在進(jìn)入大氣后能發(fā)出像火龍般耀眼光芒的流星；流星雨即成群的流星，來源于彗星流星體。與偶發(fā)流星相比，它的出現(xiàn)機(jī)會(huì)較少，因而不可能成為流星余跡通信的主力。

稍縱即逝的“信使”

流星能夠反射無線電波的特性是1910年首次被發(fā)現(xiàn)的。雖然那時(shí)人們對(duì)其機(jī)理還沒有搞得十分清楚，但卻使人們想到利用它進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信的可能性。

在經(jīng)過深入研究后人們發(fā)現(xiàn)，流星的確能為人類傳遞信息。這是由于流星在進(jìn)入大氣層時(shí)因摩擦而發(fā)出大量的光和熱，它促使從流星體飛出的原子與空氣中的分子和原子碰撞，產(chǎn)生電離現(xiàn)象，形成了一條柱形的電離云，即流星余跡。這種電離云具有能反射無線電波的特性。如果某地面無線電發(fā)射站對(duì)準(zhǔn)流星余跡發(fā)射無線電波，那么經(jīng)它反射的無線電信號(hào)就會(huì)被遠(yuǎn)方的無線電接收站所接收，通信就此建立。

可能有人會(huì)提出這樣的疑問：流星不?？匆?，靠流星余跡來通信靠得住嗎？其實(shí)，據(jù)天文觀測(cè)，宇宙空間每天約有幾十億個(gè)（而不是幾個(gè)）流星像雨一樣掠過天空，最后墜落在地球大氣層里。這一事實(shí)便使流星余跡通信成為可能。盡管每小時(shí)都有上億個(gè)流星可以反射無線電波，擔(dān)負(fù)起建立兩地間通信的任務(wù)，但是，流星畢竟瞬息即逝，不適宜進(jìn)行需要連續(xù)傳遞信息的話音通信，而比較適合于進(jìn)行可以斷續(xù)進(jìn)行的通信。例如，一些氣候和環(huán)境條件十分惡劣的氣象站，不僅不便架設(shè)電話線，就連一般無線電裝置也受氣候影響而一籌莫展，它收集的氣象數(shù)據(jù)便可以通過流星余跡通信傳送到千里之外的氣象專家手里。發(fā)射信息的一方通過無線電發(fā)射機(jī)把要發(fā)的信息一份一份地發(fā)送出去后，經(jīng)過流星余跡的反射，被接收方的無線電接收機(jī)一份一份地接收下來，然后變換成連續(xù)的信息。

遠(yuǎn)程通信方式比較

通信距離超過500千米的遠(yuǎn)程通信，主要有衛(wèi)星通信、短波通信和流星余跡通信。這3種方式各有特點(diǎn)。

衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)無線電波，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)地球站之間的通信。它具有覆蓋面積大、傳輸距離遠(yuǎn)、頻帶寬、容量大、靈活機(jī)動(dòng)以及通信質(zhì)量好等一系列優(yōu)點(diǎn)，是目前擔(dān)負(fù)洲際通信和全球電視轉(zhuǎn)播的主力。但它的抗干擾能力、抗摧毀能力都較弱，且建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用較高。

短波通信是利用電離層所具有的反射電波的特性來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。它具有投資少、組網(wǎng)靈活、應(yīng)變能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但它易受太陽風(fēng)、太陽黑子活動(dòng)等自然因素的影響，也難以承受核爆炸條件下電離層受到破壞對(duì)通信造成的嚴(yán)重影響。

流星余跡通信利用的是“自然衛(wèi)星”——流星，不僅具有投資少、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低的特點(diǎn)，還不受外界惡劣條件的影響，具有抗干擾、抗摧毀的特點(diǎn)，即便發(fā)生核戰(zhàn)爭(zhēng)，它也能很快恢復(fù)通信。然而，流星的突發(fā)性和間歇性也限制了它在實(shí)時(shí)通信場(chǎng)合的應(yīng)用，而在應(yīng)急通信領(lǐng)域，它卻是游刃有余。

上面講到，由于流星余跡具有突發(fā)、間歇的性質(zhì)，因而流星余跡通信比較適合于小容量、無實(shí)時(shí)要求的場(chǎng)合。但流星余跡通信也有它的非凡個(gè)性，如具有大跨距、抗干擾、抗核爆、低截獲的特性。這使得它在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)條件下，當(dāng)指揮控制通信系統(tǒng)受到物理和電子攻擊時(shí)，成為保證最低限度應(yīng)急通信的重要手段。特別是一旦爆發(fā)核戰(zhàn)爭(zhēng)，各種常規(guī)通信手段都受到嚴(yán)重破壞的情況下，流星余跡通信就會(huì)發(fā)揮它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

在民用方面，應(yīng)急通信正在成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。從“9·11”等恐怖襲擊，到印度洋海嘯、汶川地震等突如其來的自然災(zāi)害，無不顯示建立應(yīng)急通信系統(tǒng)的重要性，而流星余跡通信作為衛(wèi)星通信的補(bǔ)充，可以在地面通信系統(tǒng)全部失靈的情況下發(fā)揮其重大作用。它還可以用于遠(yuǎn)程監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、自然災(zāi)害預(yù)警、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸管理、防汛指揮、氣象預(yù)報(bào)、極地和無人區(qū)通信以及孤島燈塔自動(dòng)控制等場(chǎng)合。

流星余跡的應(yīng)用突顯了人類的智慧。相信在不斷的技術(shù)完善中，流星余跡通信將會(huì)為人類做出更多的貢獻(xiàn)。

流星余跡通信的百年歷程

流星余跡通信從發(fā)現(xiàn)、發(fā)展到今天，已經(jīng)整整走過百年的歷程。

早在1910年，當(dāng)哈雷彗星的彗尾經(jīng)過地球時(shí)，就有一個(gè)叫皮卡德的美國(guó)人嘗試向流星雨發(fā)送信號(hào)，希望通過眾多流星雨的反射，在馬薩諸塞州接收到反射信號(hào)。可惜，由于當(dāng)時(shí)的流星雨太小，沒有得到有價(jià)值的結(jié)果。但這次試驗(yàn)卻說明，人們已經(jīng)開始關(guān)注流星余跡的特殊功能，探索利用流星余跡進(jìn)行通信的可能性。

1921年，美國(guó)一家名為“長(zhǎng)波傳輸局”的機(jī)構(gòu)在進(jìn)行電波觀測(cè)試驗(yàn)時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)流星群的出現(xiàn)與電波的接收之間存在明顯的關(guān)系。隨后，便有一些討論實(shí)現(xiàn)流星余跡通信可能性的論文發(fā)表，但大都是建立在鏡面反射的原理基礎(chǔ)上的，并未揭示流星反射電波的實(shí)質(zhì)。

不過，流星余跡可行性一經(jīng)提出，便推動(dòng)世界各國(guó)投入大量人力、物力進(jìn)行深入的觀測(cè)和研究活動(dòng)。1935年，美國(guó)人斯科萊特發(fā)現(xiàn)了流星余跡內(nèi)電子受激產(chǎn)生振蕩而反射電波的通信機(jī)理，從而揭示了流星余跡通信的本質(zhì)。這使得對(duì)于這種新的通信方式的研究達(dá)到一個(gè)新的高度。

在第二次世界大戰(zhàn)期間，流星余跡通信在戰(zhàn)爭(zhēng)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，也進(jìn)一步推動(dòng)了對(duì)它的研究。據(jù)說，在戰(zhàn)爭(zhēng)中英國(guó)的超高頻雷達(dá)曾利用流星余跡對(duì)電波的反射，成功地完成了對(duì)德國(guó)V2導(dǎo)彈的輔助識(shí)別。

20世紀(jì)五六十年代，流星余跡通信的研究進(jìn)入了活躍期。在這個(gè)階段，不僅深入地進(jìn)行有關(guān)流星余跡通信的理論研究，還搭建了若干實(shí)際通信系統(tǒng)。1953年，加拿大國(guó)防部完成的流星余跡突發(fā)系統(tǒng)，堪稱國(guó)外最早建成的流星余跡通信系統(tǒng)，是驗(yàn)證流星通信可行性的里程碑。在這個(gè)階段，美國(guó)空軍劍橋研究中心通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了流星余跡通信可應(yīng)用于移動(dòng)目標(biāo)；美國(guó)波音公司也取得了在陸地和海上進(jìn)行這類通信的初步成果。

經(jīng)歷了一段沉寂期之后，20世紀(jì)80年代，由于理論的成熟，技術(shù)和設(shè)備的進(jìn)步，在一系列事件的激勵(lì)下，流星余跡通信又大步向前了。美軍將其列為新的戰(zhàn)略通信手段，俄羅斯、日本等國(guó)也都加大了這方面的研究力度。20世紀(jì)90年代，基于各國(guó)的研究成果，建立了3種典型的流星余跡通信模型，使流星余跡通信的研究和實(shí)際應(yīng)用又邁出了歷史性的一步。我國(guó)早在20世紀(jì)70年代便著手建立第一代流星余跡通信系統(tǒng)，并在這方面始終與國(guó)際的最新進(jìn)展保持同步。

【責(zé)任編輯】龐 云endprint