流星余跡通信的特點及其應用與發展綜述

軍民智融

流星余跡通信，又稱流星突發通信(MBC)，是利用離地面80～120km的高度上流星高速進入大氣層燃燒而形成的電離余跡對VHF電波的反射/散射作用而實現的一種超遠距離無線通信方式。

流星余跡通信因其傳輸信道的隨機出現、不可預測、不受核爆和太陽黑子影響等的特殊傳播機理，使其具有傳輸信道不易被摧毀、隱蔽性和保密性高、通信距離遠（可達2000km），特別是在核爆、太陽黑子爆發等惡劣環境下能夠不受影響的提供最低限度通信保障等突出優點，因此成為戰略應急通信中特別是核襲擊之後其他常規通信手段遭受強烈攻擊而失去效能時的一種優選通信保障手段。

流星余跡通信的機理及特點

1.機理

流星余跡通信是利用電離的流星余跡作為無線信號傳播媒質的一種通信手段。這些余跡存在於地球大氣層中距地面80～120km的高空，這個稍縱即逝的電離帶，可以對40~100MHz的電波有效地前向彎折傳輸，形成遠距離通信，通信距離最遠可達2000km。雖然每天產生數億個可應用的流星余跡，但是只有那些路徑幾何參數（高度和位置）合適的余跡才能用於維持地球上特定兩點的通信。能夠被利用的流星余跡必須滿足下面三個條件：

?在收發天線波束相交的公共體積內出現流星電離余跡，且高度位於80～120km範圍內；

?流星電離余跡的軸線與以發射機和接收機的位置為兩個焦點的橢球面相切；

?由此電離余跡反射或散射的電波到達接收點的場強高於接收機門限電平。

若電離余跡的軸線與以發、收兩站點為焦點的所有橢球面上含兩站點的任一橢圓相切，則發射波在其切點被該電離余跡反射。橢圓的性質決定了所有切點的入射角和反射角相等，因而任一切點的反射均可使兩站之間構成流星突發鏈路。流星突發通信路徑的幾何關係如圖1所示。

由於電離余跡這種通信媒質是隨機出現的，其持續時間和等待間隔均是隨機量，因此流星余跡通信是一種隨機突發的間斷的通信方式。也就是說，在地球上任意兩點，在某個位置能提供一個足夠合適的通信路徑的流星余跡不會總是存在的。

隨著電離余跡的擴散，電子密度下降，從余跡反射或散射的信號幅度隨時間按指數規律減小，當信號幅度減小到小於接收機門限時，就無法再進行通信。每個流星突發余跡的反射信號都會呈現這種指數衰減，因此流星突發通信是建立在對路徑的存在和路徑存在時間足夠長以能用於通信的概率統計上的。

2.特點

流星余跡通信具有以下突出特點：

（1）信道穩定可靠，特別是不受核爆、電離層擾動、太陽黑子爆發、磁暴、日凌等的影響。

流星余跡通信的傳輸介質始終存在，信道穩定可靠，且不受電離層擾動影響，核爆後仍能保持通信，可彌補衛星和短波通信的不足，是一種較理想的戰略應急通信手段。

（2）採用隨機突發方式，抗截獲、抗偵聽，安全性好。

流星余跡通信採用隨機突發方式，敵方很難對流星進行破壞、攻擊或干擾，因此具有良好的保密抗截獲能力。

另外，流星余跡通信具有「足跡」特性，其「足跡」是無線電波經流星突發余跡反射或散射而照到地面的一個有限覆蓋區，通常為一個狹長的馬蹄形，強信號區為約幾公里寬、幾十公里長的橢圓形。收端設備只有處於該「足跡」之內，才能收到發端站所發的信號，處於同一「足跡」內的多個收端站能同時收到同一突發余跡所反射或散射的發端信號；反之，則不能。因此，「足跡」的存在，使流星余跡這種通信方式具有天然的良好抗竊聽、抗干擾能力。

（3）支持全時域、全天候工作。

根據資料顯示，每天進入地球大氣層的偶發流星有1012之多，分布在全球各地上空，完全可以支持一年四季的通信。由於流星余跡出現在平流層的頂部，那裡沒有氣象的劇烈變化；並且流星余跡通信的使用頻段較低，在穿越大氣層底端時，雨雪對其沒有影響，因此能夠滿足全時域、全天候的使用要求。

（4）通信距離遠，單跳達2000km，加中繼則通信距離可更遠。

流星余跡發生在80～120km高空，其單跳通信距離最遠可達2000km，且可以進行中繼，滿足超遠距離通信要求。

（5）組網方式靈活，具有天然多址能力，1台主站可帶多至上千台從站終端。

流星余跡通信自身具有空分多址能力，支持一站與多站連接，在相應通信協議支持下，便於組成一種遠距離、稀路由網路。

（6）布設開通迅速，自主性強，不需藉助於空中轉發設備（如衛星、空中平台等）支持。

（7）可動中通，通信設備可搭載車輛、艦船、飛機等移動平台。

另外，流星余跡通信也具有通信持續時間短、傳輸容量小、背景電磁干擾高的固有局限。

國外流星余跡通信發展現狀

20世紀40年代，美國、前蘇聯和加拿大等國家利用雷達觀測流星時，發現利用流星余跡對超短波無線電波的反射和散射作用，可實現VHF電波的超遠距離傳輸。此後，上述各國為全面研究這種通信媒質的特性作了大量的工作。

20世紀50年代，加拿大在渥太華－阿瑟港、阿瑟港－哈利法斯之間建立了第一個流星余跡通信試驗系統JANET，取得了很大成功。這是一個點對點系統，兩站相距900km，工作頻率30～50MHz，發射功率500W，採用五單元八木天線，平均每分鐘傳34個字。同期，美國「波音」公司建立了西雅圖－華盛頓、波茲曼－蒙大拿之間的流星余跡試驗系統；前蘇聯建立了莫斯科－喀山、喀山－奧德隆之間的流星余跡試驗系統。上述試驗研究證實了流星余跡通信的使用價值。

20世紀60年代中葉，研製出了第一代流星余跡通信系統，採用調頻或脈幅調製的模擬體制，可以傳輸電傳報、等幅報等業務，主要用於系統試驗使用。如北約（NATO）司令部在JANET系統的基礎上建立了改進的COMET試驗系統。

20世紀70年代，國外相繼研製了不少全新的流星突發通信系統，並在軍用領域、民用領域以各種形式實用化。1975年，美國MCC公司研製出先進的MCC-500系列流星突發通信系統設備，並提供美軍使用。這一時期還陸續建立了一批民用流星突發通信系統，如美國西部的用來測報積雪厚度、氣溫和降雨量的水文數據傳輸網。

20世紀80年代世界各國廣泛開發流星突發通信設備，使之進一步實用化。美國國防部認識到「流星突發通信可能是軍用通信最豐富的資源之一」而高度重視，將其列入新的戰略通信手段，進行了多次在軍事應用方面的試驗研究，並制定了軍用技術規範。一些民用部門也採用流星突發通信系統來收集海上浮標數據、調度車輛、作商用衛星的備份等。這一時期湧現出一批製造商，如MCC公司、SRS公司、GTE公司等。同時，不少大學和有關機構也對這種通信媒質進行了深入研究。因此，這十年間，流星突發通信無論在理論研究、設備製造和線路建設諸方面都得到了飛躍發展。

20世紀90年代是流星突發通信全面發展的時期，技術開發和設計製造兩方面都有了突飛猛進的發展，應用更為廣泛。歐美出現了10家開發製造商或應用流星突發通信系統企業；美國、俄羅斯、日本等國在提高流星突發通信性能的關鍵技術或流星突發信道方面都作了深入研究，並獲得了顯著成果。俄羅斯與美國共同完成了流星通信和計算機模擬預測工作，為流星突發通信設備研製提供了科學依據。

到目前為止，流星余跡通信已在國外民用和軍用中得到了廣泛應用，先後建立了多個大型流星余跡通信網，主要用於應急通信、情報收集、信息發布、數據採集。具有代表性的通信網路有美國積雪探測系統、北美防空聯合司令部通訊網、空軍阿拉斯加空中指揮MBC系統、海軍海洋浮標測試試驗系統，以及蘇聯的多位置流星無線電標準比較系統等。美國在其最低限度基本應急通信網（MEECN）中納入了流星余跡通信手段，用於在險惡的戰爭條件下、特別是核襲擊條件下保證最低限度指揮控制通信。

其中，美國空軍是應用流星余跡通信最為廣泛的用戶：

（1）北美防空聯合司令部流星余跡通信網：該系統是由美國空軍建立的目前最大的軍用流星余跡通信網。主要用於為美國空軍阿拉斯加州地區空軍指揮部完成雷達導航指揮通信，彌補衛星通信在緊急情況下的通信資源不足問題以及作為受核攻擊後的應急通信手段使用。該系統由3個主站和20個從站組成，覆蓋美國2/3國土和加拿大安大略湖地區。其網路拓撲結構如圖2所示。

（2）阿拉斯加空中指揮（AAC）流星余跡通信系統：該系統是美國空軍建立的一個戰術級流星余跡通信網，主要用於雷達數據的傳輸。其主站位於埃爾多夫空軍基地的地域作戰控制中心（Regional Operations Control Center），13個高功率（10kW）從站位於阿拉斯加的遠程雷達站點，採用星狀組網方式，傳輸格式化的短消息，在戰時為作戰指控中心與雷達站之間提供一個不易受攻擊、頑存性強的應急通信系統，並作為衛星通信的備份。美國空軍認為該系統是一個在環境威脅較大的情況下可使用的重要通信手段之一。

流星余跡通信在艦船、浮標、飛機、移動車輛上均已投入實用。站型包括主站、從站、數據採集站、便攜站和無人值守終端站等，具有猝發速率可變、組網工作能力。這些設備採用了高階數字調製解調、高性能的信道編解碼、實時信道估計、弱信號檢測和雜訊抑制等先進技術，有效提高了流星余跡通信系統的傳輸容量。國外流星突發通信系統的發展及參數見下表：

流星余跡通信站的擴展應用

擴展流星余跡通信站使用功能，提升其使用價值可以考慮一站多模應用。多模應用的定義為一條確定的流星余跡通信鏈路，根據環境條件變化，可選擇流星余跡模式、對流層散射模式、Es層（偶發E層）模式三者之一，從而使該通信鏈路服務能力和使用價值顯增。各種模式通信能力介紹如下：

（1）對流層散射模式：除冬季幾天外，可以不間斷通信，從400km（或350km）到800km範圍內，速率從128kb/s到每秒數比特隨傳輸條件自動改變，直到每秒比特級速率。

（2）流星余跡模式：猝發通信，需要短則數秒，長則十數分鐘甚至更長的等待時間，但是其不論冬夏，每日可用。

（3）Es層模式：僅就我國情況，除冬季外，在600~1000km範圍內常有出現，持續時間每次數小時，間隔時間可長數十天，一經出現，流星余跡通信站可以進行話音甚至動圖業務的傳輸。

因此，可以利用對流層散射模式和Es層模式提高數據通過率，利用流星余跡模式保障重要信息一小時之內確保發出。應用多模式通信的鏈路兩站之間必須有信道傳播能力的識別判斷，和信道使用的通信波形的選定。若能如此，在電磁環境較好的我國西部地區，其應用價值相當可觀。

流星余跡通信的未來應用展望

隨著技術發展，流星余跡通信的信息等待時間縮短、內在抗干擾性能增強、快速架設攜帶型天線的應用以及特有的超遠距離傳輸能力，使得其應用日趨廣泛。美國作為流星余跡通信的應用大國，預計未來該手段的軍事應用和民用領域如下：

（1）襲擊後的恢復與重建：用於在評估剩餘的軍事、民用設施時作為輔助手段。

（2）熱點海域和邊遠地區的邊境監視：由於流星余跡通信可抗超視距干擾、抗截獲、低成本，因此適於作為邊境監視的通信手段。

（3）環境和生態的遠程感知：流星余跡通信適用於對自然、人為的潛在災害（如土壤濕度、酸雨、核泄露）等需要地面測量及預報的場合，可在人跡罕至的地區設置無人站，以監測環境信息。

（4）擴展的超視距戰場通信：在便攜站、車載站與空中平台之間需要抗干擾、隱蔽通信的場合，常規通信易於被偵收，流星余跡通信因其良好的抗干擾抗截獲性能以及超遠距離通信能力而成為一種有效手段。

（5）作為戰鬥無線電台使用：利用流星余跡通信鏈路上存在的其他傳播機制，預計在夏季流星余跡通信系統的工作頻率可擴展到30～300MHz，因此未來可作為戰鬥無線電台使用，既具有近程戰鬥網路電台的低功率、低重量、低成本的優點，又可用於擴展距離通信，減少被干擾或截獲的概率。

（6）長距離的國境內，緊急狀態下，時間統一信息（時統）的傳遞：如俄羅斯，數千平方公里的疆域內，在特殊情況下進行「對錶」，可用流星余跡通信實現，時間精度小於50ms。

結束語

由於流星余跡通信所具有的一系列突出優點，美軍已將其納入最低限度基本應急通信網（MEECN），用於提供最低的預警和國家最低限度的應急通信保障。特別是在美國空軍的應用最為廣泛，充分說明流星余跡通信是戰略應急通信中的一種必不可少的重要通信手段。

關於作者：

中國電子科技集團公司第五十四研究所陳瑋

66242部隊 郭利生

96275部隊 徐志平

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