廖育榮，　丁　丹，　柴　黎，　王朋云

(1. 裝備學(xué)院 光電裝備系, 北京 101416；　2. 裝備學(xué)院 研究生管理大隊, 北京 101416)

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基于手持終端的天基偵察信息戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用研究

廖育榮1，丁丹1，柴黎1，王朋云2

(1. 裝備學(xué)院 光電裝備系, 北京 101416；2. 裝備學(xué)院 研究生管理大隊, 北京 101416)

針對車載機動站天基信息應(yīng)用時效性、靈活性不足的問題，圍繞基于手持終端的遙感信息應(yīng)用開展研究。在對比國內(nèi)外手持終端衛(wèi)星應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于手持終端的中心分發(fā)和星地直通2種典型應(yīng)用模式，對比了其優(yōu)缺點，重點分析了星地直通應(yīng)用模式下的數(shù)據(jù)傳輸需求和能力。計算與仿真結(jié)果表明，基于手持終端的星地直通傳輸能力能夠滿足一線單兵戰(zhàn)術(shù)行動的信息量需求。

天基信息；戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用；手持終端；鏈路預(yù)算

當(dāng)前，作戰(zhàn)部隊獲取衛(wèi)星偵察信息的流程過于復(fù)雜，任務(wù)周期過長。作戰(zhàn)部隊需先向偵察衛(wèi)星管控部門提出申請，經(jīng)過多方會商后確定偵察任務(wù)，衛(wèi)星按照上述指令執(zhí)行偵察任務(wù)和數(shù)傳任務(wù)，衛(wèi)星接收站將接收信息轉(zhuǎn)發(fā)給情報處理部門進(jìn)行情報提取，最后通過通信網(wǎng)傳輸或文件交接的方式分發(fā)給作戰(zhàn)部隊。另一方面，各型車載機動站仍然存在體積龐大、系統(tǒng)復(fù)雜的問題，展開、撤收時間較長，且機動速度和機動范圍較為受限[1]，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境和態(tài)勢，不能滿足團(tuán)、營、連、排、單兵等級別的戰(zhàn)術(shù)需要。因此，亟須探索天基信息應(yīng)用的新手段、新模式，實現(xiàn)天基信息快速支援戰(zhàn)術(shù)行動。

本文以手持型終端為研究對象，探索天基信息直接、快速支援戰(zhàn)術(shù)行動的模式和能力。天基信息應(yīng)用設(shè)備的便攜化程度和智能化水平對作戰(zhàn)單元應(yīng)用天基信息的能力有重要影響，采用便于攜帶、易于操作、具有較強信息接收和處理能力的手持型終端，能夠適應(yīng)戰(zhàn)術(shù)行動時間突發(fā)、地點隨機、態(tài)勢多變的特點，提高部隊?wèi)?yīng)急作戰(zhàn)能力。此外，手持型的衛(wèi)星綜合應(yīng)用終端還可作為士兵的智能助手，提高戰(zhàn)場通信偵察、態(tài)勢感知和執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的能力?？梢灶A(yù)見，衛(wèi)星應(yīng)用終端的手持型設(shè)備將成為未來單兵戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的重要配置，更是突發(fā)條件下不可或缺的應(yīng)急裝備。

1　現(xiàn)狀及問題

1.1國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外基于手持終端的天基信息應(yīng)用典型代表包括奈特勇士(Nett Warrior)系統(tǒng)、藍(lán)軍跟蹤(Blue Force Tracking)系統(tǒng)[2]和SeeMe系統(tǒng)[3]等。這里重點介紹最具代表性的SeeMe系統(tǒng)中手持終端的應(yīng)用情況。

1) 終端形態(tài)。SeeMe項目的目標(biāo)是支持接近便簽簿尺寸的、安裝安卓操作系統(tǒng)的商用手持終端，能夠輸入感興趣目標(biāo)的經(jīng)緯度和時間，并附上ID標(biāo)識，也能夠接收、顯示并處理所得圖像。

2) 主要功能。SeeMe計劃旨在為單兵在遙遠(yuǎn)地帶和超視距條件下提供立即響應(yīng)式的天基戰(zhàn)術(shù)情報支持能力。從基層作戰(zhàn)部隊提出成像請求到分發(fā)圖像可在90 min內(nèi)完成，支持“即指即拍”。每顆SeeMe衛(wèi)星能同時支持10個并發(fā)地面用戶，從地面用戶通過手持設(shè)備向衛(wèi)星發(fā)出成像請求到接收圖像數(shù)據(jù)成功用時不超過90 min。在300 km軌道高度上，能夠獲取星下點分辨率優(yōu)于國家圖像解析度分級標(biāo)準(zhǔn)中的5級可見光圖像，對應(yīng)的地面分辨率為0.75～1.2 m。

1.2主要存在的問題

“十二五”以來，經(jīng)過高分等項目推動，國內(nèi)衛(wèi)星應(yīng)用手持終端已有一定發(fā)展，但與國外先進(jìn)水平相比仍有一定差距，主要體現(xiàn)在：

1) 直通衛(wèi)星能力較弱。國內(nèi)現(xiàn)有衛(wèi)星應(yīng)用手持終端大多依靠地面通信網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星信息，能夠直接接收衛(wèi)星偵察信息的手持式終端還沒有投入裝備使用。一線作戰(zhàn)人員遠(yuǎn)程機動衛(wèi)星應(yīng)用手段和應(yīng)急衛(wèi)星應(yīng)用手段不多，空間信息尚不能直達(dá)一線作戰(zhàn)單元。

2) 信息處理能力較弱。受限于處理平臺的規(guī)模和能力，國內(nèi)衛(wèi)星應(yīng)用終端的情報產(chǎn)品主要來自地面情報處理站，難以直接對天基信息進(jìn)行實時融合處理，對一線作戰(zhàn)單元的快速、實時保障能力不強，不能滿足信息化聯(lián)合作戰(zhàn)的需要。

2　應(yīng)用模式

基于手持終端的遙感信息應(yīng)用是一種特殊的應(yīng)用方式，具有易于配發(fā)部署、便于攜帶、應(yīng)用便捷的優(yōu)點，但同時也面臨著信號傳輸能力、信息處理能力受限的問題，因此設(shè)計如下2種適用于手持終端特點的應(yīng)用模式。

2.1中心分發(fā)應(yīng)用模式

中心分發(fā)應(yīng)用模式如圖1所示。戰(zhàn)地指揮所配備車載機動站，單兵配備手持終端。單兵通過手持終端的WEB頁面生成天基信息支援請求，并將請求發(fā)送到車載機動站，車載機動站完成任務(wù)規(guī)劃、指令上注、數(shù)據(jù)接收和情報生成，生成的情報產(chǎn)品通過通信鏈路分發(fā)至單兵手持終端。

圖1　中心分發(fā)應(yīng)用模式

根據(jù)分發(fā)方式不同，中心分發(fā)模式又可以分為常規(guī)模式和應(yīng)急模式。在常規(guī)模式下，信息的分發(fā)通過無線電臺、微波中繼、衛(wèi)星通信、野戰(zhàn)地域網(wǎng)、數(shù)據(jù)鏈等常用手段；在常規(guī)網(wǎng)絡(luò)失效的惡劣情況下，則利用應(yīng)急通信平臺作為中繼構(gòu)建接入網(wǎng)，可以利用臨近空間飛行器實現(xiàn)。

中心分發(fā)模式將車載機動站的數(shù)據(jù)接收、信息處理能力與手持終端的攜行能力靈活性結(jié)合，可有效延伸車載機動站的支援范圍。但是在戰(zhàn)場強對抗環(huán)境下，手持終端與車載機動站之間的通信鏈路極有可能被干擾，通信設(shè)施面臨較大威脅。雖然可以通過構(gòu)建應(yīng)急通信網(wǎng)的方式恢復(fù)通信鏈路，但這對應(yīng)急通信網(wǎng)的生存能力要求極高，空中中繼飛艇、中繼無人機等常見應(yīng)急通信平臺仍不能滿足要求。

2.2星地直通應(yīng)用模式

星地直通應(yīng)用模式如圖2所示。由偵察衛(wèi)星直接對一線單兵提供信息服務(wù)。整個應(yīng)用過程由衛(wèi)星與單兵手持終端直接交互完成，可不依托車載機動站、通信網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)天基信息的直接、快速獲取與應(yīng)用，達(dá)到空間信息精確支持一線作戰(zhàn)單元、提升戰(zhàn)術(shù)行動能力的效果，具有“直達(dá)現(xiàn)場、面向用戶、便捷高效”的特點。

圖2　星地直通應(yīng)用模式

這種方式鏈路簡潔、直接服務(wù)現(xiàn)場，但對衛(wèi)星和終端的要求均較高。一方面，由于手持終端難以負(fù)載大口徑天線和強處理平臺，因此要求星上具備較強的信號發(fā)射和在軌處理能力。星地直通應(yīng)用模式下，手持終端獲得運控中心授權(quán)，在一定時間、空間范圍內(nèi)向衛(wèi)星上傳指令，衛(wèi)星需具備星上自主任務(wù)規(guī)劃能力。另一方面，考慮到地面用戶類型多樣，既包括戰(zhàn)場上的單兵，也可能包括戰(zhàn)機、坦克等作戰(zhàn)單元，手持終端的設(shè)計應(yīng)采用“智能化終端+模塊化插件+個性化軟件”的思想，需具有較強的存儲與處理能力，適配多樣化的武器平臺和設(shè)備，滿足實戰(zhàn)化條件下多變的用戶需求，實現(xiàn)天基信息快速獲取、處理與應(yīng)用。隨著星上處理、星地傳輸、終端處理等水平的發(fā)展，這種模式將是未來的發(fā)展方向。

3　能力分析

在中心分發(fā)模式中，偵察衛(wèi)星與機動地面站之間的傳輸、機動地面站的信息處理以及機動地面站與手持終端之間的通信等技術(shù)都較為成熟。相比之下，更值得關(guān)注的是星地直通模式中的數(shù)據(jù)傳輸能力。所以本文重點針對星地直通模式中的數(shù)據(jù)傳輸問題，采用理論計算與仿真分析相結(jié)合的方法，分析基于手持終端的遙感信息應(yīng)用能力。

3.1需求分析

在無地面大型數(shù)據(jù)接收天線支持的條件下，利用手持終端接收的遙感圖像不能過分追求幅面大、內(nèi)容全、分辨率高，而要以夠用、可用為原則。就幅面而言，可借鑒美國SeeMe系統(tǒng)遙感圖像的大小，即5 km×5 km，能覆蓋戰(zhàn)場一線單兵在一定時間內(nèi)的活動范圍；就分辨率而言，考慮到當(dāng)前圖像處理算法的水平，1 m分辨率即可支持常見典型目標(biāo)(航母、橋梁、機場、道路等)的自動識別。因此，建議遙感圖像采用5 km×5 km幅面、1 m分辨率，數(shù)據(jù)壓縮比和產(chǎn)品生成系數(shù)分別選擇典型值1/4和1.2，數(shù)據(jù)接收時間設(shè)為30 s,以保證較好的用戶體驗，根據(jù)公式

數(shù)據(jù)大小 = 圖像面積 × 單位分辨率 ×單位像素點個數(shù) × 壓縮比 × 產(chǎn)品生成系數(shù)

可以得到常見類型遙感圖像(全色、多光譜、紅外和SAR)所需的數(shù)傳速率如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可知，遙感數(shù)傳速率達(dá)到1 Mbit/s，即可滿足一定質(zhì)量、幅面遙感圖像傳輸?shù)囊蟆?/p>

表1　遙感圖像數(shù)傳速率要求

3.2影響因素

依據(jù)文獻(xiàn)[4-5]，基于手持終端的數(shù)據(jù)傳輸能力主要受星上等效全向輻射功率(Equivalent Isotropic Radiated Power，EIRP)、空間傳輸損耗、大氣損耗、天線指向損耗、極化損耗、降雨衰減、地面接收天線增益、編碼增益、解調(diào)損失、解調(diào)門限(C/N0)等參數(shù)的影響。

1) 星上EIRP值。星上EIRP值主要取決于衛(wèi)星平臺功率水平、星上功率器件效率以及星上天線口徑等因素，本文參照美國TacSat2衛(wèi)星的水平，將星上EIRP值設(shè)定為31 dBW，波束角約16°，對應(yīng)的地面波束覆蓋半徑140 km左右，能夠提供較大的服務(wù)范圍。隨著星上功率水平和相關(guān)器件能力的發(fā)展，未來小衛(wèi)星平臺的EIRP值將得到提升，鏈路傳輸能力也將隨之得到增強。

2) 接收天線增益分析?；谑殖纸K端的特點，本文考慮采用2種天線形式，一種是全向桿狀天線，另一種是自跟蹤平板天線。(1)桿狀天線，為保證在衛(wèi)星仰角15°以上能夠進(jìn)行數(shù)傳接收，天線波束角需大于150°，10 GHz頻點條件下天線增益分布如表2所示。(2)平板天線，平板天線設(shè)計為14 cm×16 cm，增益仿真如圖3所示，10 GHz頻點條件下增益為22.47 dB。

表2　桿狀天線增益分布

圖3　平板天線增益仿真圖

3.3鏈路分析

根據(jù)上述分析，鏈路預(yù)算參數(shù)設(shè)定如下:軌道高度為400 km，工作頻率為10 GHZ，星上EIRP值為31 dBW，采用QPSK調(diào)制，目標(biāo)誤碼率為10-7;理論所需信噪比為11.5 dB，玻耳茲曼常量k為(1.380 658±0.000 012)×10-23J/K，空間大氣損耗、極化損耗以及解調(diào)損耗分別為0.3 dB、0.15 dB和2 dB。采用全向桿狀天線和自跟蹤平板天線的遙感數(shù)傳鏈路預(yù)算分別如表3和表4所示。全向桿狀天線增益低，在31 dBW的星上EIRP值條件下難以達(dá)到兆級數(shù)據(jù)率，但由于波束角度寬、覆蓋區(qū)域廣，因此適用于低速通信鏈路；平板天線面積較大、增益高、采用電掃的方式自動跟蹤衛(wèi)星，自跟蹤平板天線分別可達(dá)8 Mbit/s以上的數(shù)據(jù)速率，能夠滿足基本的遙感數(shù)傳需求。

當(dāng)然，在小衛(wèi)星平臺EIRP值充分提升的前提下，可以考慮手持終端只配備一副全向桿狀天線甚至內(nèi)置天線。因其體積小、重量輕、使用方便、可與終端進(jìn)行共形設(shè)計，利于手持終端的小型化、低功耗、低成本。在采用全向桿狀天線的前提下，不同數(shù)據(jù)率對遙感衛(wèi)星EIRP值的要求如圖4所示。采用全向桿狀天線，欲在15°仰角接收1 Mbit/s的數(shù)據(jù)率，要求遙感衛(wèi)星EIRP值達(dá)到40 dBW。

表3　采用全向桿狀天線時遙感鏈路計算表

表4　采用自跟蹤平板天線時遙感鏈路計算表

圖4　全向桿狀天線對遙感衛(wèi)星EIRP需求仿真圖

4　結(jié) 束 語

本文對基于手持終端的遙感信息應(yīng)用模式和能力進(jìn)行了初步研究，后續(xù)將深入研究基于手持終端的高效數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星測控、星地組網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)，以進(jìn)一步提高基于手持終端的遙感信息應(yīng)用能力。

References)

[1]于洋.美國陸軍定位導(dǎo)航與授時技術(shù)發(fā)展分析[J].衛(wèi)星應(yīng)用,2015(12)：32-33.

[2]湯亞鋒，于小紅，戴志廣.美軍藍(lán)軍跟蹤系統(tǒng)的發(fā)展及其啟示[J].裝備學(xué)院學(xué)報,2014，25(1): 61-64.

[3]張召才.美國深挖小衛(wèi)星潛力 欲提升軍事用天能力[J].衛(wèi)星應(yīng)用,2015(2)：37-44.

[4]國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.星-地數(shù)據(jù)傳輸鏈路的計算與標(biāo)定方法:GJB 5421—2005[S].北京：國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部,2005:1-9.

[5]國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.雷達(dá)電波傳播折射與衰減手冊:GJB/Z 87—97[S].北京：[出版者不詳],1997:28-42.

(編輯：李江濤)

Space-based Information Tactical Application Based on Hand-held Terminal

LIAO Yurong1，DING Dan1,CHAI Li1,WANG Pengyun2

(1. Department of Optical and Electronic Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China;2. Department of Graduate Management, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

To solve out the defects of application of space-based information for vehicle-mounted mobile stations like poor timeliness and insufficient flexibility, the paper conducts study around the remote sensing information application based on hand-held terminal. Based on the comparison of satellite applications at home and abroad, the paper has designed two typical application models: central distribution and satellite-ground direct connection based on the hand-held terminal, compares their advantages and disadvantages, analyses the data transmission requirements and capabilities in satellite -ground direct connection mode. Calculation and simulation results show that, ability of satellite -ground direct connection based on the hand-held terminal can meet the demand on information volume about front-line individual tactical action.

space-based information; tactical application; hand-held terminal; link budget

2016-05-21

國家級課題基金資助項目

廖育榮(1972-)，男，副教授，碩士，主要研究方向為航天工程。

V249.3

2095-3828(2016)05-0064-04

A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.05.014