论文部分内容阅读
摘要：系留气球系统按用途可分为基地站系留气球平台、高机动系留气球平台、礁岛系留气球平台等。结合不同的平台特点和气象要求，就如何做好阵地堪选进行探讨，以期望建立一套可靠、有效的阵地堪选体系，为系留气球系统更好地使用提供参考。
关键词：系留氣球；阵地；堪选
Discussion on Position Survey for Tethered Balloon System
GONG Chao，YU Lu-rong
（The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Hefei 230088，China）
Abstract：Tethered balloon system can be divided into base station tethered balloon platform，reef tethered balloon platform，etc.Combining with different platform features and meteorological requirements，this paper probes into how to do a good job in position selection，with a view to establishing a set of reliable and effective position selection system，and providing reference for the better use of tethered balloon system.
Key words：tethered balloon；position；survey
引言
系留气球系统属于无动力浮空器，其球体容积一般在数百到上万立方米之间，依靠球体内部所充轻质惰性气体——氦气提供上升浮力，用来保证气球升空后，能够悬停在一定高度。由于系留气球系统具有连续滞空时间长、使用成本低、任务载荷大、生存能力强等优点，特别适合空中长时间定点观测，广泛应用于光学侦察、气象探测、雾霾测量、通信中继、应急反恐、超低空目标预警等诸多领域。与其他浮空器一样，系留气球系统在使用过程中，对周围环境条件有着严格的要求，因此需要根据其自身特点，建立一套有针对性的、完善有效的阵地堪选措施，确保系留气球系统使用安全。
1 阵地堪选综合条件
阵地选择的科学性和合理性直接影响到系留气球及载荷效能的发挥。为保证气球载荷的安全性和提高装备的使用率，更好地满足任务需求，利用百度地图或高德地图、地理信息系统、国家地理信息服务平台等网络化的电子地理信息服务系统，可为系留气球阵地堪选提供多层面、多维度的信息资源。电磁干扰的强度可以通过计算机仿真技术进行模拟。为实现堪选阵地综合性能评价提供了有效手段，充分考虑综合条件对设备使用的影响后，阵地所在区域应满足的条件如图1所示。
图1 阵地所在区域应满足的条件
1.1 系留气球工作要求
（1）场地情况能满足系留气球工作需求。
（2）充分发挥载荷探测威力，能够覆盖主要探测区域和任务空间。
（3）满足空域管制要求，保证与航路、航线、飞行训练空域、机场和靶场的安全距离，避免因空域原因降低装备使用率；以阵地为中心，半径为气球最大升空高度的1.5倍、高度为气球最大升空高度的1.5倍的空域应划定为限制飞行区如图2。
图2 限制飞行区
（4）满足安全性要求，具有较强的生存能力，周围无重要设施和人员密集区等。
1.2 系留气球保障要求
相对于其他飞行器，系留气球有其自身的特点，如依靠净浮力升空、体积巨大、定点锚泊不易移动等特点。基于这些特点，要综合考虑生活和工作保障需求：水、电、通信、道路具备利用条件。水、电供应要求工作用水、电和生活水、电区分开来，在特殊情况下要有水、电供应的应急保障；阵地区域应有城镇等生活保障基础，利用百度地图或高德地图都可以浏览全球范围内任何一个地点的高清卫星照片，可以显示出该地区的道路、地形、建筑等信息。Google Maps是谷歌推出的Google Earth的姊妹篇，它可以被视为Google Earth的简化版，无需下载任何软件，只要访问网址maps.google.com就可以轻松浏览各地的卫星图片。在Google Earth中，通过输入经纬度值，调出点位周边地形图，应用其丰富的地形浏览功能对区域地形、交通、大型建筑、城镇分布等情况进行全方位分析，初步判断勘查区域情况，道路条件是否满足设备进出阵地、阵地架设、设备维修时所需重型工程车通过。
2阵地堪选方法
根据阵地的综合条件初步堪选完成后，应对电磁环境、场地的可用性、阵地的自然环境进行分析，综合评判预选阵地的可行性，阵地的选择，根据任务载荷探测威力，保证目标范围的准确掌握，直接作出准确的判断。
2.1系留气球载荷电磁干扰仿真计算
系留气球载荷发射功率、有效扫描半径非常大。为了防止或降低对其他无线通信以及人体辐射的影响，在阵地堪选的问题上要慎之又慎。需要协调和论证的问题主要分为3个方面：
（1）周边干扰对系留气球电气设备、导航设备、通信设备以及载荷的影响。
（2）载荷对人体辐射的影响。
（3）系留气球载荷对外界无线通信的影响。
2.1.1 周边电磁干扰对系留气球载荷的影响
由于系留气球电气设备、导航设备、通信设备以及载荷接收机的灵敏度较高，周边微弱的电磁干扰都可能对其造成影响，所以在进行阵地堪选时，需要对周边电磁环境进行仔细的勘查，并通过仿真计算确定电磁干扰对设备的影响程度。 干扰源主要分为固定干扰源和流动干扰源，需针对不同的干扰源采取适应的算法，依据干扰源产生的噪声特性建立准确的噪声模型；依据载荷雷达参数，建立计算载荷接收机可能接收到的瞬时噪声功率；通过仿真计算，确定系留气球设备以及载荷雷达的最小防护距离。
2.1.2 載荷雷达对人体辐射影响
依据GB 8702-88《电磁辐射防护规定》，对于公众照射，在一天24 h内，频率范围在30～3000 MHz，环境电磁辐射场的功率密度在任意6 min内的平均值应小于40 μW/cm?，环境电磁辐射功率为
（1）
式中， 为环境电磁辐射功率密度，单位为μW/cm?； 为发射机平均功率，单位为W； 为天线增益，单位为dB； 为天线与被测点距离，单位为m。
根据雷达参数计算出天线与被测点距离 ，即为设备阵地距离居民区的最小控制距离。
2.1.3 系留气球自身及载荷雷达对外界无线通信干扰计算
周围无线通信被干扰主要是对微波通信收信机输入的信号干扰。根据计算公式
（2）
式中， 为被干扰站收信机输入端雷达干扰信号的峰值电平，单位为dBm； 为雷达脉冲峰值功率，单位为dBm； 为雷达天线增益，单位为dBi； 为雷达馈线损耗，单位为dB； 为频偏损耗，单位为dB； 为干扰路径传输损耗，单位为dB； 为被干扰站在雷达站方向的天线增益，单位为dBi； 为被干扰站接收端馈线系统损耗，单位为dB； 为被干扰站天线在 角时的交叉极化去偶，单位为dB。
实际计算时，根据雷达参数、被干扰微波站天线的方向图等信息确定计算，得出是否会受干扰的结论。
2.2 系留气球及载荷场地的可用性
根据现场勘选计划，组织专家和技术人员到各预选阵地现场进行实地勘察，了解预选点的主要观察方向遮蔽、海拔高度、阵地面积以及地质、气象、水文、交通等情况；对阵地战术技术指标、环境进行测量，就阵地勘选建设相关问题到所在地政府及其相关部门走访调查征租用条件、地方区域规划、周边社会民情、保密条件等通过组项量化，获得阵地定量信息，由专家和技术人员评定。
2.3 系留气球及载荷阵地的自然环境
在满足作战要求的情况下，应综合考虑地质条件、地形条件、气象条件、自然灾害等最大限度提高装备使用度和安全性。
2.3.1 地质条件
地理位置应首先满足装备使用条件和安全防护建设要求；要综合考虑生活应避开冻土层、软地基、活火山、风口、落雷密集区；避开泥石流、滑坡、流沙、洪涝等易发地段。
2.3.2 地形条件
所选区域应能比较容易平整出半径不少于气球最大长度1.5倍的场地；为确保装备使用安全，以阵地平台中心为基点，半径为最大放飞高度区域内建筑物、高山等造成的遮蔽角应小于20°如图3。
图3 夹角示意图
2.3.3 气象条件
影响系留气球装备安全性和使用率的气象因素主要为大风、雷暴、降雪、冰雹以及沙尘暴，因此选择阵地时应重点考查气象条件。气球使用主要气象条件一般为：
（1）地面瞬时风速小于6 m/s的时机应较多。
（2）地面瞬时风速大于12 m/s的时机应较少。
（3）雷暴、冰雹、沙尘暴相对少。
（4）很少或没有暴风雪。
风场对系留气球的影响主要在于性能、载荷、结构和强度方面。从对流层开始至平流层底层，风场的变化随着季节、经纬度的变化，对应每个高度层的风速、风向都发生变化，在阵地堪选时除了要考虑最大常值风外，风速、风向变化（诸如大气湍流、风切变）也不应忽视。
雷电对系留气球的危害是多方面的。雷电产生高达数万伏甚至几十万伏的冲击电压，可毁坏变压器、断路器等电器设备，二次放电的火花也可能引起火灾；绝缘的损坏，如高压窜入低压可造成严重的触电事故；巨大的雷电流流入地下会在雷击点及其连接的金属部分产生极高的对地电压，可直接导致接触电压或跨步电压的触电事故。因而阵地堪选时应避开雷电多发区。
降雪及冻雨会堆积在气球表面，对气球的安全运行构成了巨大隐患：一方面会增加球体重量，使停泊在地面系留装置上的气球与地面障碍物碰撞而损坏球体；另一方面会破坏气球的气动外形，导致球体飞行阻力增加，飞行稳定性下降，危及系统安全。要通过除冰雪措施保证气球系统安全。
综上所述，在各种恶劣气象条件中，风场、雷暴、降雪、冻雨以及沙尘暴会对装备安全性产生影响。大风不仅对装备带来灾难性后果，还会危及阵地周边人员与建筑的安全，造成次生灾难事故。所以气象分析中将风的影响作为重点分析对象。
在阵地选择时，最好应搜集预选阵地10年以上的气象信息，综合分析并对比，最后确定最优阵地。
2.3.4 自然灾害
对系留气球影响巨大的自然灾害有台风、地震、海啸、火山爆发、泥石流等，根据中国气象网查询最近20年来所选阵地区域的自然灾害情况，在堪选阵地时要尽量避开此区域，以免对系留气球设备造成重大损失。
3 结束语
系留气球越来越多地被应用于军事和民事等领域。本文对系留气球阵地堪选遇到的地域因素、气象因素及其影响进行了分析，确定了系留气球在阵地堪选时会受到电磁环境、地理位置、空域情况、气象条件这几种主要因素的影响；然后根据系留气球使用的特点并给出系留气球阵地堪选适宜性的工程建议。
参考文献
[1]刘鹏，盛怀杰，廖明飞.浮空器优势分析及其军事应用[J].飞航导弹，2011（9）：84-87.
[2]李淑华，黄晓刚，刘平.复杂电磁环境下雷达抗干扰技术研究[J].现代雷达，2013，35（4）：1-5，9.
作者简介：龚 超（1980-），男，河南驻马店人，现为中国电子科技集团公司第三十八所飞行试验部工程师，主要研究方向为浮空器总体设计。
喻庐荣（1990-），男，安徽合肥人，现为中国电子科技集团公司第三十八所飞行试验部助理工程师，主要研究方向为浮空器总体设计。
（作者单位：中国电子科技集团公司第三十八研究所）
关键词：系留氣球；阵地；堪选
Discussion on Position Survey for Tethered Balloon System
GONG Chao，YU Lu-rong
（The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Hefei 230088，China）
Abstract：Tethered balloon system can be divided into base station tethered balloon platform，reef tethered balloon platform，etc.Combining with different platform features and meteorological requirements，this paper probes into how to do a good job in position selection，with a view to establishing a set of reliable and effective position selection system，and providing reference for the better use of tethered balloon system.
Key words：tethered balloon；position；survey
引言
系留气球系统属于无动力浮空器，其球体容积一般在数百到上万立方米之间，依靠球体内部所充轻质惰性气体——氦气提供上升浮力，用来保证气球升空后，能够悬停在一定高度。由于系留气球系统具有连续滞空时间长、使用成本低、任务载荷大、生存能力强等优点，特别适合空中长时间定点观测，广泛应用于光学侦察、气象探测、雾霾测量、通信中继、应急反恐、超低空目标预警等诸多领域。与其他浮空器一样，系留气球系统在使用过程中，对周围环境条件有着严格的要求，因此需要根据其自身特点，建立一套有针对性的、完善有效的阵地堪选措施，确保系留气球系统使用安全。
1 阵地堪选综合条件
阵地选择的科学性和合理性直接影响到系留气球及载荷效能的发挥。为保证气球载荷的安全性和提高装备的使用率，更好地满足任务需求，利用百度地图或高德地图、地理信息系统、国家地理信息服务平台等网络化的电子地理信息服务系统，可为系留气球阵地堪选提供多层面、多维度的信息资源。电磁干扰的强度可以通过计算机仿真技术进行模拟。为实现堪选阵地综合性能评价提供了有效手段，充分考虑综合条件对设备使用的影响后，阵地所在区域应满足的条件如图1所示。
图1 阵地所在区域应满足的条件
1.1 系留气球工作要求
（1）场地情况能满足系留气球工作需求。
（2）充分发挥载荷探测威力，能够覆盖主要探测区域和任务空间。
（3）满足空域管制要求，保证与航路、航线、飞行训练空域、机场和靶场的安全距离，避免因空域原因降低装备使用率；以阵地为中心，半径为气球最大升空高度的1.5倍、高度为气球最大升空高度的1.5倍的空域应划定为限制飞行区如图2。
图2 限制飞行区
（4）满足安全性要求，具有较强的生存能力，周围无重要设施和人员密集区等。
1.2 系留气球保障要求
相对于其他飞行器，系留气球有其自身的特点，如依靠净浮力升空、体积巨大、定点锚泊不易移动等特点。基于这些特点，要综合考虑生活和工作保障需求：水、电、通信、道路具备利用条件。水、电供应要求工作用水、电和生活水、电区分开来，在特殊情况下要有水、电供应的应急保障；阵地区域应有城镇等生活保障基础，利用百度地图或高德地图都可以浏览全球范围内任何一个地点的高清卫星照片，可以显示出该地区的道路、地形、建筑等信息。Google Maps是谷歌推出的Google Earth的姊妹篇，它可以被视为Google Earth的简化版，无需下载任何软件，只要访问网址maps.google.com就可以轻松浏览各地的卫星图片。在Google Earth中，通过输入经纬度值，调出点位周边地形图，应用其丰富的地形浏览功能对区域地形、交通、大型建筑、城镇分布等情况进行全方位分析，初步判断勘查区域情况，道路条件是否满足设备进出阵地、阵地架设、设备维修时所需重型工程车通过。
2阵地堪选方法
根据阵地的综合条件初步堪选完成后，应对电磁环境、场地的可用性、阵地的自然环境进行分析，综合评判预选阵地的可行性，阵地的选择，根据任务载荷探测威力，保证目标范围的准确掌握，直接作出准确的判断。
2.1系留气球载荷电磁干扰仿真计算
系留气球载荷发射功率、有效扫描半径非常大。为了防止或降低对其他无线通信以及人体辐射的影响，在阵地堪选的问题上要慎之又慎。需要协调和论证的问题主要分为3个方面：
（1）周边干扰对系留气球电气设备、导航设备、通信设备以及载荷的影响。
（2）载荷对人体辐射的影响。
（3）系留气球载荷对外界无线通信的影响。
2.1.1 周边电磁干扰对系留气球载荷的影响
由于系留气球电气设备、导航设备、通信设备以及载荷接收机的灵敏度较高，周边微弱的电磁干扰都可能对其造成影响，所以在进行阵地堪选时，需要对周边电磁环境进行仔细的勘查，并通过仿真计算确定电磁干扰对设备的影响程度。 干扰源主要分为固定干扰源和流动干扰源，需针对不同的干扰源采取适应的算法，依据干扰源产生的噪声特性建立准确的噪声模型；依据载荷雷达参数，建立计算载荷接收机可能接收到的瞬时噪声功率；通过仿真计算，确定系留气球设备以及载荷雷达的最小防护距离。
2.1.2 載荷雷达对人体辐射影响
依据GB 8702-88《电磁辐射防护规定》，对于公众照射，在一天24 h内，频率范围在30～3000 MHz，环境电磁辐射场的功率密度在任意6 min内的平均值应小于40 μW/cm?，环境电磁辐射功率为
（1）
式中， 为环境电磁辐射功率密度，单位为μW/cm?； 为发射机平均功率，单位为W； 为天线增益，单位为dB； 为天线与被测点距离，单位为m。
根据雷达参数计算出天线与被测点距离 ，即为设备阵地距离居民区的最小控制距离。
2.1.3 系留气球自身及载荷雷达对外界无线通信干扰计算
周围无线通信被干扰主要是对微波通信收信机输入的信号干扰。根据计算公式
（2）
式中， 为被干扰站收信机输入端雷达干扰信号的峰值电平，单位为dBm； 为雷达脉冲峰值功率，单位为dBm； 为雷达天线增益，单位为dBi； 为雷达馈线损耗，单位为dB； 为频偏损耗，单位为dB； 为干扰路径传输损耗，单位为dB； 为被干扰站在雷达站方向的天线增益，单位为dBi； 为被干扰站接收端馈线系统损耗，单位为dB； 为被干扰站天线在 角时的交叉极化去偶，单位为dB。
实际计算时，根据雷达参数、被干扰微波站天线的方向图等信息确定计算，得出是否会受干扰的结论。
2.2 系留气球及载荷场地的可用性
根据现场勘选计划，组织专家和技术人员到各预选阵地现场进行实地勘察，了解预选点的主要观察方向遮蔽、海拔高度、阵地面积以及地质、气象、水文、交通等情况；对阵地战术技术指标、环境进行测量，就阵地勘选建设相关问题到所在地政府及其相关部门走访调查征租用条件、地方区域规划、周边社会民情、保密条件等通过组项量化，获得阵地定量信息，由专家和技术人员评定。
2.3 系留气球及载荷阵地的自然环境
在满足作战要求的情况下，应综合考虑地质条件、地形条件、气象条件、自然灾害等最大限度提高装备使用度和安全性。
2.3.1 地质条件
地理位置应首先满足装备使用条件和安全防护建设要求；要综合考虑生活应避开冻土层、软地基、活火山、风口、落雷密集区；避开泥石流、滑坡、流沙、洪涝等易发地段。
2.3.2 地形条件
所选区域应能比较容易平整出半径不少于气球最大长度1.5倍的场地；为确保装备使用安全，以阵地平台中心为基点，半径为最大放飞高度区域内建筑物、高山等造成的遮蔽角应小于20°如图3。
图3 夹角示意图
2.3.3 气象条件
影响系留气球装备安全性和使用率的气象因素主要为大风、雷暴、降雪、冰雹以及沙尘暴，因此选择阵地时应重点考查气象条件。气球使用主要气象条件一般为：
（1）地面瞬时风速小于6 m/s的时机应较多。
（2）地面瞬时风速大于12 m/s的时机应较少。
（3）雷暴、冰雹、沙尘暴相对少。
（4）很少或没有暴风雪。
风场对系留气球的影响主要在于性能、载荷、结构和强度方面。从对流层开始至平流层底层，风场的变化随着季节、经纬度的变化，对应每个高度层的风速、风向都发生变化，在阵地堪选时除了要考虑最大常值风外，风速、风向变化（诸如大气湍流、风切变）也不应忽视。
雷电对系留气球的危害是多方面的。雷电产生高达数万伏甚至几十万伏的冲击电压，可毁坏变压器、断路器等电器设备，二次放电的火花也可能引起火灾；绝缘的损坏，如高压窜入低压可造成严重的触电事故；巨大的雷电流流入地下会在雷击点及其连接的金属部分产生极高的对地电压，可直接导致接触电压或跨步电压的触电事故。因而阵地堪选时应避开雷电多发区。
降雪及冻雨会堆积在气球表面，对气球的安全运行构成了巨大隐患：一方面会增加球体重量，使停泊在地面系留装置上的气球与地面障碍物碰撞而损坏球体；另一方面会破坏气球的气动外形，导致球体飞行阻力增加，飞行稳定性下降，危及系统安全。要通过除冰雪措施保证气球系统安全。
综上所述，在各种恶劣气象条件中，风场、雷暴、降雪、冻雨以及沙尘暴会对装备安全性产生影响。大风不仅对装备带来灾难性后果，还会危及阵地周边人员与建筑的安全，造成次生灾难事故。所以气象分析中将风的影响作为重点分析对象。
在阵地选择时，最好应搜集预选阵地10年以上的气象信息，综合分析并对比，最后确定最优阵地。
2.3.4 自然灾害
对系留气球影响巨大的自然灾害有台风、地震、海啸、火山爆发、泥石流等，根据中国气象网查询最近20年来所选阵地区域的自然灾害情况，在堪选阵地时要尽量避开此区域，以免对系留气球设备造成重大损失。
3 结束语
系留气球越来越多地被应用于军事和民事等领域。本文对系留气球阵地堪选遇到的地域因素、气象因素及其影响进行了分析，确定了系留气球在阵地堪选时会受到电磁环境、地理位置、空域情况、气象条件这几种主要因素的影响；然后根据系留气球使用的特点并给出系留气球阵地堪选适宜性的工程建议。
参考文献
[1]刘鹏，盛怀杰，廖明飞.浮空器优势分析及其军事应用[J].飞航导弹，2011（9）：84-87.
[2]李淑华，黄晓刚，刘平.复杂电磁环境下雷达抗干扰技术研究[J].现代雷达，2013，35（4）：1-5，9.
作者简介：龚 超（1980-），男，河南驻马店人，现为中国电子科技集团公司第三十八所飞行试验部工程师，主要研究方向为浮空器总体设计。
喻庐荣（1990-），男，安徽合肥人，现为中国电子科技集团公司第三十八所飞行试验部助理工程师，主要研究方向为浮空器总体设计。
（作者单位：中国电子科技集团公司第三十八研究所）