平流层信息平台－转

中国工程院第三次院士大会学术报告汇编  
1997年7月  
平 流 层 信 息 平 台  
童志鹏 吴佑寿  
摘 要：平流层静止平台是继光纤与卫星后又一个重大技术突破，具有巨大军民应用前景。本文介绍平台的发展、应用及其存在的难点，并提出对策的几点意见。
关键词：平流层 气球 通信  
正文 1.引言
平流层信息平台是指在平流层高度(约20～40公里高空)能长驻空(5～10年)、准静止、可装载一定规模有效载荷的高空平台(HAAP─High Altitude Aeronautical Plaftorm)。这个平台和卫星平台与地面系统相比，具有二者的长处，又避免各自的短处，拥有显著的优势：
(1)平台与地面的距离只有卫星高度的1/1800(高轨)、1/400(中轨)、1/40(低轨)，自由空间衰耗分别减少65,52,32dB，延迟减少到0.5ms，有利于广域通信终端的小型化、宽带化和毫米波化，特别是40GHz以上的波段。
(2)与地面平台相比，高空平台的作用距离远，覆盖区域大，其无线信道衰落按Ricean特性(20dB/10倍程)而地面系统按Rayleigh衰落特性，市区达50dB/10倍程。作为接力通信一个中继接点，距离比 地面系统增加20倍，达1000公里。作为独立移动通信基站，覆盖范围可达56万KM2，通信容量可供6万个64kb/s数字电信用户使用。作为探测平台，对低空目标的探测距离比10,000公尺的机载雷达远70%，比系统气球雷达远3倍。
(3)机动灵活，既适用于城市，也适用于山区、沙漠、海洋，能迅速部署于自然灾害地区。信资费低，一条2Mb/s信道每分钟只有几个美分，用户端机费100-200美元。
（4）造价低，通信资费便宜，平台成本只有卫星平台的1/10，通信资费低，一条2Mb/s信道每分钟只有几个美分，用户端机费100-200美元。
(5)有利于环境保护，不需要昂贵的火箭发射，可以回收利用， 不会像卫星那样，失效后变成空中垃圾污染太空。
(6)平台位于国境上空，主权、管理权、使用权属于本国。
平流层平台的开发与运用将使它成为21世纪的信息基础结构重要成员,是继卫星和光纤后的又一重大突破。
2.国际发展情况
美国、以色列和日本是现今从事高空平台研究的三个国家，美国军方花大力气发展重于空气的高空平台，著名的高空间谍飞机(U-2， SR-71)都工作在平流层，近年来在发展高空长航时无人机上取得重大进展。美预研局正在进行一项称为空载通信节点(ACN)的计划，工作于18KM高空，通信载荷400Kg，驻空时间42小时，耗资9000万美元，计划在本世纪末完成。以色列正在从事一项称为旋星(Rotorstor)的无人可控机计划。
对于轻于空气的高空平台最雄心勃勃的计划是美国SSI公司(Sky station International)提出来的。SSI公司是1995年由美前国务卿喷气动力专家黑格将军发起成立的，当时决定采用1994年洛杉机加州大学等离子物理系的Alfred Wong博士发明的电晕离子推进器 (Corona Ion Engine)，其推进力为10mN/W，N是力的单位牛顿，SSI设计的平台需要100N平均推力和1600N的峰值推力以平衡风力的作用，因此需要平均功率 10KW、峰值功率160KW。目前太阳能电池效率为 200W/Kg，因此，用于推进器的太阳能电池板重量为1000Kg。约占有 效载荷的20%。考虑到太阳能电池每天有效工作时间为 8小时，其他 16小时的电力供应一般通过储能装置/燃料电池来解决。
SSI公司的平台参数见表一：┏━━━━━━━━━━┯━━━━━━━━━━━┓┃工作高度 │23km ┃┠──────────┼───────────┨┃工作高度上浮力 │62g/m3 ┃┠──────────┼───────────┨┃飞艇容积 │170000m3 ┃┠──────────┼───────────┨┃工作高度上的总浮力 │12.5T ┃┠──────────┼───────────┨┃飞艇最大直径 │50m ┃┠──────────┼───────────┨┃飞艇最大长度 │150m ┃┠──────────┼───────────┨┃飞艇表面积 │22260m2 ┃┠──────────┼───────────┨┃蒙皮重量 │5.628T ┃┠──────────┼───────────┨┃有效载荷 │4.912T ┃┠──────────┼───────────┨┃离子推进器效率 │10MN/W ┃┠──────────┼───────────┨┃工作频率 │47.2-47.5GHz(下行) ┃┃ │S47.9-48.2GHz(上行) ┃┗━━━━━━━━━━┷━━━━━━━━━━━┛
平流层稳定平台要在空中保持位置不随风飘流摆动，需用推进器 的推力抵消其影响。在平流层高度18-24Km内平均风速为10m/s，最大 为40m/s，风向每年大部分时间不变，但每年发生西→东，东→西变 化二次，抵消风力对平台影响所需的推力为F=1/2CpPAV2，其中P为空 气密度=0.015kg/m3，是海平面百分之几，Cp为阻滞系数=0.015，A是 截面积，V是风速。平台依靠由GPS支持的自动控制装置和推进器，来 保持平台位置固定，预计在三维空间的误差保持在40米以内，各个方 位天线偏差不大于0.1度。
平台使用无源及有源两种热控制，使平台内部温度变化保持在几 度以内，从而为负荷提供了一个保护环境。考虑到长期使用可能造成 的储气舱的破损、太阳能板的效率下降以及平台结构疲劳，平流层通 信平台的寿命预期在10年以上。平台可以落地回收，检修后再利用不 会造成空间垃圾。
平台采用多气囊结构，防止因某一点的破坏而造成飞艇迅速减压。 支持系统提供进一步的措施，以防止发生不可控制的下降。所有的平 流层平台的使用需经特定的航空机构认可。
除美国外，日本邮电省正在从事一项高空平台计划(高度20KM， 以太阳能/燃料电池为能源)，计划2003年完成。
3.应用
3.1 高空平台具有广泛的应用前景：
(1)民用
通信：固定与移动通信；全运动视频电话；高速数据通信，因特 网。
电视：广播电视，远程诊断，远程教育，视频会议
监视：森林火警；200哩岸边渔区；走私贩毒拦截；海洋、大气 污染监督；灾害监测。
科学试验：大气与气候研究。
(2)军用
军用通信：野战通信，海面通信，边境通信，战区通信。
远程侦察：合成空径雷达，逆合成空径雷达，光电、红外侦察。
情报：电子情报、通信情报。
导航、定位、空中交通管制
预警：巡航导弹、弹道导弹预警。
电子战
3.2 SSI公司设计的平流层通信系统(STS)
Sky Station公司设计的STS是一种可提供64kb/s至155Mb/s全数 字双工传输信道、可供因特网组网之用，构成一种空中因特网。该公 司副总裁Rothblatt认为：这是一种“Killer Application”(杀手“ 锏”!)，市场需求旺盛，也可作为发展中国家建立公共交换电话网的 骨干网，是填平发展中国家与先进国家电信设施鸿沟的价廉物美的电 信系统。
表2是STS可提供的各种业务简表。
表2 STS的各种业务┏━━━━━━━━━━━━━━━━┯━━━━━━━━━━┓┃数字电话传真和电子邮件 │64Kb/s ┃┠────────────────┼──────────┨┃全活动可视电话业务 │256Kb/s ┃┠────────────────┼──────────┨┃高速Web Surfing,Web TV和文件转移│512Kb/s～1.5Mb/s ┃┠────────────────┼──────────┨┃E1,0C3局域网、城域网和广域网 │2.048Mb/s～155Mb/s ┃┗━━━━━━━━━━━━━━━━┷━━━━━━━━━━┛
通过平流层中继站可以和地面移动电话或膝上PC直接收发信息， 也可通过网关地面站和公共交换电话网(PSTN)连接到蜂窝或台式电话 机或数据库，或世界各地的WWW网。STS的移动电话和膝上PC只需 100mW的发射功率。这样STS可能成为一种低成本、高速的数字接入系 统。
一个高度为23Km的平流层中继平台可以覆盖半径为550Km的地面 区域，覆盖面积达95万平方公里。STS把它分成三个覆盖区，如表3所 示,每个覆盖区各划分为700蜂窝，总共有2100个六边形蜂窝，频率再 用率为300。按0.1爱尔兰设计，可提供约600万个64Kb/s用户，或约 18万个E1用户使用。
将若干个STS互相联结，还可以构成类似于地面微波接力通信的 空中接力体系。SSI公司认为：在全世界建立250个STS中继平台，就 可以构成环绕全球的STS网。计划中的第一个STS将于1999年建于纽约， 然后以每周一个STS的速度逐步扩展，构成全球的STS空中通信骨干网， 预计2005年完成。
表3 地面区域参数表┏━━━━━━━━┯━━━━┯━━━━┯━━━━┯━━┓┃ 区 域 │地缘半径│每个蜂窝│用户终端│边缘┃┃ │ │小区面积│天线增益│仰角┃┠────────┼────┼────┼────┼──┨┃城市覆盖区(UAC) │40Km │7.2Km2 │3dBi │30°┃┠────────┼────┼────┼────┼──┨┃市郊覆盖区(SAC) │125Km │63Kmm2 │23dBi │10°┃┠────────┼────┼────┼────┼──┨┃乡村覆盖区(RAC) │546Km │130m2 │36dBi │0° ┃┗━━━━━━━━┷━━━━┷━━━━┷━━━━┷━━┛
4.难点与风险
高空平台的概念并不是最近提出来的，早在1972年，美国就在军 事项目中进行概念探索，洛克希德公司于1982年完成可行性研究，平 台试验飞行一直在进行中，但是迄今尚无一个可演示的平台出现，这 是什么原因呢?
4.1 平流层大气环境数据需要进一步丰富、充实、细化和补充国际上对平流层的在气环境已经进行了相当研究、积累了大量数据，但对阵风数据，如延续数分钟至数小时的数据尚不足，存在着瞬 时信息流中断的风险。
我国上空的数据基本空白，如风场、大气密度分析、臭氧层和紫 外线辐射参数、电磁波，尤其是47GHz与激光传输衰落特性等。
4.2 平流层平台的囊体材料，太阳能电池基板材料及飞艇结构材料等 有待性能提高与突破。
这些材料要求做到强度高、漏氦率低，质量轻(250g/m2)，抗紫 外线、高能粒子辐射、抗迎光面与背光面的巨大温差引起的热疲劳与 老化，解决与太阳能电池板的超轻、超薄、高强度焊接与散热问题。
4.3 高效、可靠，长驻空的储能装置尚未解决平台需要能储存几百千瓦的电能供日落与晚间使用，目前比能最 高的燃料电池(1Kw-hr/Kg)不能长时可靠工作，可长期多次充放电的 锂离子电池能满足长时可靠工作需要，但比能较低(100-150W-hr/Kg) 重量过大，因此难以满足需要。
4.4 平台的位置保持、姿态稳定与推进技术尚待开发平台是一个庞大、柔性、漂浮钝体，工作在低密度空气环境中， 其位置保持、姿态稳定与推进技术不能移用航天、航空的成熟技术， 必须在载荷需求的牵引下，研究和开发优化的技术。
4.5 开发与高空平台环境相匹配的任务电子系统平台的有效载荷是任务电子系统的实施，必须与平台的能源、动 力、温度、压力、保稳等支持系统相适应，必须与地面系统以及其他 如卫星系统相兼容，从而构成能互连互操作的综合信息基础结构，以 完成使命与任务要求。解决以上难点，不少需要从基础性研究着手，积极安排有关科研 院所、学校开展有关的研究与论证，以及在民用与军用各方面的应用 研究。同时也应充分利用我国改革开放环境，与外商与国外研究机构 接触，探讨技术合作与引进的可能性。
5.小结
平流层平台概念的新生是信息革命继续深入的结果，一方面信息 基础设施的发展要求扩大无线宽带容量，要求容纳2003年可能的3亿 因特网用户及其高速万维网的冲浪要求，另方面又要填平发达国家与 发展中国家的信息鸿沟，提供性能价格比可承受的服务。平流层平台 一经提出，就受到各方面的热烈欢迎。信息技术、材料技术、能源技 术、推进技术、控制技术等的进步与会聚为平台的实现打下了基础， 尽管当前还存在这个和那个问题，可以相信，这些问题都将得到克服， 一颗可与卫星和光纤相比拟的新星将在地平线上升起。
让我们抓住历史机遇迎接挑战，为这个跨世纪的重大突破作出应有的贡献中国工程院第三次院士大会学术报告汇编  
1997年7月  
平 流 层 信 息 平 台  
童志鹏 吴佑寿  
摘 要：平流层静止平台是继光纤与卫星后又一个重大技术突破，具有巨大军民应用前景。本文介绍平台的发展、应用及其存在的难点，并提出对策的几点意见。
关键词：平流层 气球 通信  
正文 1.引言
平流层信息平台是指在平流层高度(约20～40公里高空)能长驻空(5～10年)、准静止、可装载一定规模有效载荷的高空平台(HAAP─High Altitude Aeronautical Plaftorm)。这个平台和卫星平台与地面系统相比，具有二者的长处，又避免各自的短处，拥有显著的优势：
(1)平台与地面的距离只有卫星高度的1/1800(高轨)、1/400(中轨)、1/40(低轨)，自由空间衰耗分别减少65,52,32dB，延迟减少到0.5ms，有利于广域通信终端的小型化、宽带化和毫米波化，特别是40GHz以上的波段。
(2)与地面平台相比，高空平台的作用距离远，覆盖区域大，其无线信道衰落按Ricean特性(20dB/10倍程)而地面系统按Rayleigh衰落特性，市区达50dB/10倍程。作为接力通信一个中继接点，距离比 地面系统增加20倍，达1000公里。作为独立移动通信基站，覆盖范围可达56万KM2，通信容量可供6万个64kb/s数字电信用户使用。作为探测平台，对低空目标的探测距离比10,000公尺的机载雷达远70%，比系统气球雷达远3倍。
(3)机动灵活，既适用于城市，也适用于山区、沙漠、海洋，能迅速部署于自然灾害地区。信资费低，一条2Mb/s信道每分钟只有几个美分，用户端机费100-200美元。
（4）造价低，通信资费便宜，平台成本只有卫星平台的1/10，通信资费低，一条2Mb/s信道每分钟只有几个美分，用户端机费100-200美元。
(5)有利于环境保护，不需要昂贵的火箭发射，可以回收利用， 不会像卫星那样，失效后变成空中垃圾污染太空。
(6)平台位于国境上空，主权、管理权、使用权属于本国。
平流层平台的开发与运用将使它成为21世纪的信息基础结构重要成员,是继卫星和光纤后的又一重大突破。
2.国际发展情况
美国、以色列和日本是现今从事高空平台研究的三个国家，美国军方花大力气发展重于空气的高空平台，著名的高空间谍飞机(U-2， SR-71)都工作在平流层，近年来在发展高空长航时无人机上取得重大进展。美预研局正在进行一项称为空载通信节点(ACN)的计划，工作于18KM高空，通信载荷400Kg，驻空时间42小时，耗资9000万美元，计划在本世纪末完成。以色列正在从事一项称为旋星(Rotorstor)的无人可控机计划。
对于轻于空气的高空平台最雄心勃勃的计划是美国SSI公司(Sky station International)提出来的。SSI公司是1995年由美前国务卿喷气动力专家黑格将军发起成立的，当时决定采用1994年洛杉机加州大学等离子物理系的Alfred Wong博士发明的电晕离子推进器 (Corona Ion Engine)，其推进力为10mN/W，N是力的单位牛顿，SSI设计的平台需要100N平均推力和1600N的峰值推力以平衡风力的作用，因此需要平均功率 10KW、峰值功率160KW。目前太阳能电池效率为 200W/Kg，因此，用于推进器的太阳能电池板重量为1000Kg。约占有 效载荷的20%。考虑到太阳能电池每天有效工作时间为 8小时，其他 16小时的电力供应一般通过储能装置/燃料电池来解决。
SSI公司的平台参数见表一：┏━━━━━━━━━━┯━━━━━━━━━━━┓┃工作高度 │23km ┃┠──────────┼───────────┨┃工作高度上浮力 │62g/m3 ┃┠──────────┼───────────┨┃飞艇容积 │170000m3 ┃┠──────────┼───────────┨┃工作高度上的总浮力 │12.5T ┃┠──────────┼───────────┨┃飞艇最大直径 │50m ┃┠──────────┼───────────┨┃飞艇最大长度 │150m ┃┠──────────┼───────────┨┃飞艇表面积 │22260m2 ┃┠──────────┼───────────┨┃蒙皮重量 │5.628T ┃┠──────────┼───────────┨┃有效载荷 │4.912T ┃┠──────────┼───────────┨┃离子推进器效率 │10MN/W ┃┠──────────┼───────────┨┃工作频率 │47.2-47.5GHz(下行) ┃┃ │S47.9-48.2GHz(上行) ┃┗━━━━━━━━━━┷━━━━━━━━━━━┛
平流层稳定平台要在空中保持位置不随风飘流摆动，需用推进器 的推力抵消其影响。在平流层高度18-24Km内平均风速为10m/s，最大 为40m/s，风向每年大部分时间不变，但每年发生西→东，东→西变 化二次，抵消风力对平台影响所需的推力为F=1/2CpPAV2，其中P为空 气密度=0.015kg/m3，是海平面百分之几，Cp为阻滞系数=0.015，A是 截面积，V是风速。平台依靠由GPS支持的自动控制装置和推进器，来 保持平台位置固定，预计在三维空间的误差保持在40米以内，各个方 位天线偏差不大于0.1度。
平台使用无源及有源两种热控制，使平台内部温度变化保持在几 度以内，从而为负荷提供了一个保护环境。考虑到长期使用可能造成 的储气舱的破损、太阳能板的效率下降以及平台结构疲劳，平流层通 信平台的寿命预期在10年以上。平台可以落地回收，检修后再利用不 会造成空间垃圾。
平台采用多气囊结构，防止因某一点的破坏而造成飞艇迅速减压。 支持系统提供进一步的措施，以防止发生不可控制的下降。所有的平 流层平台的使用需经特定的航空机构认可。
除美国外，日本邮电省正在从事一项高空平台计划(高度20KM， 以太阳能/燃料电池为能源)，计划2003年完成。
3.应用
3.1 高空平台具有广泛的应用前景：
(1)民用
通信：固定与移动通信；全运动视频电话；高速数据通信，因特 网。
电视：广播电视，远程诊断，远程教育，视频会议
监视：森林火警；200哩岸边渔区；走私贩毒拦截；海洋、大气 污染监督；灾害监测。
科学试验：大气与气候研究。
(2)军用
军用通信：野战通信，海面通信，边境通信，战区通信。
远程侦察：合成空径雷达，逆合成空径雷达，光电、红外侦察。
情报：电子情报、通信情报。
导航、定位、空中交通管制
预警：巡航导弹、弹道导弹预警。
电子战
3.2 SSI公司设计的平流层通信系统(STS)
Sky Station公司设计的STS是一种可提供64kb/s至155Mb/s全数 字双工传输信道、可供因特网组网之用，构成一种空中因特网。该公 司副总裁Rothblatt认为：这是一种“Killer Application”(杀手“ 锏”!)，市场需求旺盛，也可作为发展中国家建立公共交换电话网的 骨干网，是填平发展中国家与先进国家电信设施鸿沟的价廉物美的电 信系统。
表2是STS可提供的各种业务简表。
表2 STS的各种业务┏━━━━━━━━━━━━━━━━┯━━━━━━━━━━┓┃数字电话传真和电子邮件 │64Kb/s ┃┠────────────────┼──────────┨┃全活动可视电话业务 │256Kb/s ┃┠────────────────┼──────────┨┃高速Web Surfing,Web TV和文件转移│512Kb/s～1.5Mb/s ┃┠────────────────┼──────────┨┃E1,0C3局域网、城域网和广域网 │2.048Mb/s～155Mb/s ┃┗━━━━━━━━━━━━━━━━┷━━━━━━━━━━┛
通过平流层中继站可以和地面移动电话或膝上PC直接收发信息， 也可通过网关地面站和公共交换电话网(PSTN)连接到蜂窝或台式电话 机或数据库，或世界各地的WWW网。STS的移动电话和膝上PC只需 100mW的发射功率。这样STS可能成为一种低成本、高速的数字接入系 统。
一个高度为23Km的平流层中继平台可以覆盖半径为550Km的地面 区域，覆盖面积达95万平方公里。STS把它分成三个覆盖区，如表3所 示,每个覆盖区各划分为700蜂窝，总共有2100个六边形蜂窝，频率再 用率为300。按0.1爱尔兰设计，可提供约600万个64Kb/s用户，或约 18万个E1用户使用。
将若干个STS互相联结，还可以构成类似于地面微波接力通信的 空中接力体系。SSI公司认为：在全世界建立250个STS中继平台，就 可以构成环绕全球的STS网。计划中的第一个STS将于1999年建于纽约， 然后以每周一个STS的速度逐步扩展，构成全球的STS空中通信骨干网， 预计2005年完成。
表3 地面区域参数表┏━━━━━━━━┯━━━━┯━━━━┯━━━━┯━━┓┃ 区 域 │地缘半径│每个蜂窝│用户终端│边缘┃┃ │ │小区面积│天线增益│仰角┃┠────────┼────┼────┼────┼──┨┃城市覆盖区(UAC) │40Km │7.2Km2 │3dBi │30°┃┠────────┼────┼────┼────┼──┨┃市郊覆盖区(SAC) │125Km │63Kmm2 │23dBi │10°┃┠────────┼────┼────┼────┼──┨┃乡村覆盖区(RAC) │546Km │130m2 │36dBi │0° ┃┗━━━━━━━━┷━━━━┷━━━━┷━━━━┷━━┛
4.难点与风险
高空平台的概念并不是最近提出来的，早在1972年，美国就在军 事项目中进行概念探索，洛克希德公司于1982年完成可行性研究，平 台试验飞行一直在进行中，但是迄今尚无一个可演示的平台出现，这 是什么原因呢?
4.1 平流层大气环境数据需要进一步丰富、充实、细化和补充国际上对平流层的在气环境已经进行了相当研究、积累了大量数据，但对阵风数据，如延续数分钟至数小时的数据尚不足，存在着瞬 时信息流中断的风险。
我国上空的数据基本空白，如风场、大气密度分析、臭氧层和紫 外线辐射参数、电磁波，尤其是47GHz与激光传输衰落特性等。
4.2 平流层平台的囊体材料，太阳能电池基板材料及飞艇结构材料等 有待性能提高与突破。
这些材料要求做到强度高、漏氦率低，质量轻(250g/m2)，抗紫 外线、高能粒子辐射、抗迎光面与背光面的巨大温差引起的热疲劳与 老化，解决与太阳能电池板的超轻、超薄、高强度焊接与散热问题。
4.3 高效、可靠，长驻空的储能装置尚未解决平台需要能储存几百千瓦的电能供日落与晚间使用，目前比能最 高的燃料电池(1Kw-hr/Kg)不能长时可靠工作，可长期多次充放电的 锂离子电池能满足长时可靠工作需要，但比能较低(100-150W-hr/Kg) 重量过大，因此难以满足需要。
4.4 平台的位置保持、姿态稳定与推进技术尚待开发平台是一个庞大、柔性、漂浮钝体，工作在低密度空气环境中， 其位置保持、姿态稳定与推进技术不能移用航天、航空的成熟技术， 必须在载荷需求的牵引下，研究和开发优化的技术。
4.5 开发与高空平台环境相匹配的任务电子系统平台的有效载荷是任务电子系统的实施，必须与平台的能源、动 力、温度、压力、保稳等支持系统相适应，必须与地面系统以及其他 如卫星系统相兼容，从而构成能互连互操作的综合信息基础结构，以 完成使命与任务要求。解决以上难点，不少需要从基础性研究着手，积极安排有关科研 院所、学校开展有关的研究与论证，以及在民用与军用各方面的应用 研究。同时也应充分利用我国改革开放环境，与外商与国外研究机构 接触，探讨技术合作与引进的可能性。
5.小结
平流层平台概念的新生是信息革命继续深入的结果，一方面信息 基础设施的发展要求扩大无线宽带容量，要求容纳2003年可能的3亿 因特网用户及其高速万维网的冲浪要求，另方面又要填平发达国家与 发展中国家的信息鸿沟，提供性能价格比可承受的服务。平流层平台 一经提出，就受到各方面的热烈欢迎。信息技术、材料技术、能源技 术、推进技术、控制技术等的进步与会聚为平台的实现打下了基础， 尽管当前还存在这个和那个问题，可以相信，这些问题都将得到克服， 一颗可与卫星和光纤相比拟的新星将在地平线上升起。
让我们抓住历史机遇迎接挑战，为这个跨世纪的重大突破作出应有的贡献