基于手持终端的天基侦察信息战术应用研究

廖育荣，　丁　丹，　柴　黎，　王朋云

(1. 装备学院 光电装备系, 北京 101416；　2. 装备学院 研究生管理大队, 北京 101416)



基于手持终端的天基侦察信息战术应用研究

廖育荣1，丁丹1，柴黎1，王朋云2

(1. 装备学院 光电装备系, 北京 101416；2. 装备学院 研究生管理大队, 北京 101416)

针对车载机动站天基信息应用时效性、灵活性不足的问题，围绕基于手持终端的遥感信息应用开展研究。在对比国内外手持终端卫星应用发展现状的基础上，设计了基于手持终端的中心分发和星地直通2种典型应用模式，对比了其优缺点，重点分析了星地直通应用模式下的数据传输需求和能力。计算与仿真结果表明，基于手持终端的星地直通传输能力能够满足一线单兵战术行动的信息量需求。

天基信息；战术应用；手持终端；链路预算

当前，作战部队获取卫星侦察信息的流程过于复杂，任务周期过长。作战部队需先向侦察卫星管控部门提出申请，经过多方会商后确定侦察任务，卫星按照上述指令执行侦察任务和数传任务，卫星接收站将接收信息转发给情报处理部门进行情报提取，最后通过通信网传输或文件交接的方式分发给作战部队。另一方面，各型车载机动站仍然存在体积庞大、系统复杂的问题，展开、撤收时间较长，且机动速度和机动范围较为受限[1]，难以适应复杂多变的战场环境和态势，不能满足团、营、连、排、单兵等级别的战术需要。因此，亟须探索天基信息应用的新手段、新模式，实现天基信息快速支援战术行动。

本文以手持型终端为研究对象，探索天基信息直接、快速支援战术行动的模式和能力。天基信息应用设备的便携化程度和智能化水平对作战单元应用天基信息的能力有重要影响，采用便于携带、易于操作、具有较强信息接收和处理能力的手持型终端，能够适应战术行动时间突发、地点随机、态势多变的特点，提高部队应急作战能力。此外，手持型的卫星综合应用终端还可作为士兵的智能助手，提高战场通信侦察、态势感知和执行战术任务的能力。可以预见，卫星应用终端的手持型设备将成为未来单兵战术应用的重要配置，更是突发条件下不可或缺的应急装备。

1　现状及问题

1.1国外发展现状

国外基于手持终端的天基信息应用典型代表包括奈特勇士(Nett Warrior)系统、蓝军跟踪(Blue Force Tracking)系统[2]和SeeMe系统[3]等。这里重点介绍最具代表性的SeeMe系统中手持终端的应用情况。

1) 终端形态。SeeMe项目的目标是支持接近便签簿尺寸的、安装安卓操作系统的商用手持终端，能够输入感兴趣目标的经纬度和时间，并附上ID标识，也能够接收、显示并处理所得图像。

2) 主要功能。SeeMe计划旨在为单兵在遥远地带和超视距条件下提供立即响应式的天基战术情报支持能力。从基层作战部队提出成像请求到分发图像可在90 min内完成，支持“即指即拍”。每颗SeeMe卫星能同时支持10个并发地面用户，从地面用户通过手持设备向卫星发出成像请求到接收图像数据成功用时不超过90 min。在300 km轨道高度上，能够获取星下点分辨率优于国家图像解析度分级标准中的5级可见光图像，对应的地面分辨率为0.75～1.2 m。

1.2主要存在的问题

“十二五”以来，经过高分等项目推动，国内卫星应用手持终端已有一定发展，但与国外先进水平相比仍有一定差距，主要体现在：

1) 直通卫星能力较弱。国内现有卫星应用手持终端大多依靠地面通信网转发卫星信息，能够直接接收卫星侦察信息的手持式终端还没有投入装备使用。一线作战人员远程机动卫星应用手段和应急卫星应用手段不多，空间信息尚不能直达一线作战单元。

2) 信息处理能力较弱。受限于处理平台的规模和能力，国内卫星应用终端的情报产品主要来自地面情报处理站，难以直接对天基信息进行实时融合处理，对一线作战单元的快速、实时保障能力不强，不能满足信息化联合作战的需要。

2　应用模式

基于手持终端的遥感信息应用是一种特殊的应用方式，具有易于配发部署、便于携带、应用便捷的优点，但同时也面临着信号传输能力、信息处理能力受限的问题，因此设计如下2种适用于手持终端特点的应用模式。

2.1中心分发应用模式

中心分发应用模式如图1所示。战地指挥所配备车载机动站，单兵配备手持终端。单兵通过手持终端的WEB页面生成天基信息支援请求，并将请求发送到车载机动站，车载机动站完成任务规划、指令上注、数据接收和情报生成，生成的情报产品通过通信链路分发至单兵手持终端。

图1　中心分发应用模式

根据分发方式不同，中心分发模式又可以分为常规模式和应急模式。在常规模式下，信息的分发通过无线电台、微波中继、卫星通信、野战地域网、数据链等常用手段；在常规网络失效的恶劣情况下，则利用应急通信平台作为中继构建接入网，可以利用临近空间飞行器实现。

中心分发模式将车载机动站的数据接收、信息处理能力与手持终端的携行能力灵活性结合，可有效延伸车载机动站的支援范围。但是在战场强对抗环境下，手持终端与车载机动站之间的通信链路极有可能被干扰，通信设施面临较大威胁。虽然可以通过构建应急通信网的方式恢复通信链路，但这对应急通信网的生存能力要求极高，空中中继飞艇、中继无人机等常见应急通信平台仍不能满足要求。

2.2星地直通应用模式

星地直通应用模式如图2所示。由侦察卫星直接对一线单兵提供信息服务。整个应用过程由卫星与单兵手持终端直接交互完成，可不依托车载机动站、通信网等基础设施，实现天基信息的直接、快速获取与应用，达到空间信息精确支持一线作战单元、提升战术行动能力的效果，具有“直达现场、面向用户、便捷高效”的特点。

图2　星地直通应用模式

这种方式链路简洁、直接服务现场，但对卫星和终端的要求均较高。一方面，由于手持终端难以负载大口径天线和强处理平台，因此要求星上具备较强的信号发射和在轨处理能力。星地直通应用模式下，手持终端获得运控中心授权，在一定时间、空间范围内向卫星上传指令，卫星需具备星上自主任务规划能力。另一方面，考虑到地面用户类型多样，既包括战场上的单兵，也可能包括战机、坦克等作战单元，手持终端的设计应采用“智能化终端+模块化插件+个性化软件”的思想，需具有较强的存储与处理能力，适配多样化的武器平台和设备，满足实战化条件下多变的用户需求，实现天基信息快速获取、处理与应用。随着星上处理、星地传输、终端处理等水平的发展，这种模式将是未来的发展方向。

3　能力分析

在中心分发模式中，侦察卫星与机动地面站之间的传输、机动地面站的信息处理以及机动地面站与手持终端之间的通信等技术都较为成熟。相比之下，更值得关注的是星地直通模式中的数据传输能力。所以本文重点针对星地直通模式中的数据传输问题，采用理论计算与仿真分析相结合的方法，分析基于手持终端的遥感信息应用能力。

3.1需求分析

在无地面大型数据接收天线支持的条件下，利用手持终端接收的遥感图像不能过分追求幅面大、内容全、分辨率高，而要以够用、可用为原则。就幅面而言，可借鉴美国SeeMe系统遥感图像的大小，即5 km×5 km，能覆盖战场一线单兵在一定时间内的活动范围；就分辨率而言，考虑到当前图像处理算法的水平，1 m分辨率即可支持常见典型目标(航母、桥梁、机场、道路等)的自动识别。因此，建议遥感图像采用5 km×5 km幅面、1 m分辨率，数据压缩比和产品生成系数分别选择典型值1/4和1.2，数据接收时间设为30 s,以保证较好的用户体验，根据公式

数据大小 = 图像面积 × 单位分辨率 ×单位像素点个数 × 压缩比 × 产品生成系数

可以得到常见类型遥感图像(全色、多光谱、红外和SAR)所需的数传速率如表1所示。由表中数据可知，遥感数传速率达到1 Mbit/s，即可满足一定质量、幅面遥感图像传输的要求。

表1　遥感图像数传速率要求

3.2影响因素

依据文献[4-5]，基于手持终端的数据传输能力主要受星上等效全向辐射功率(Equivalent Isotropic Radiated Power，EIRP)、空间传输损耗、大气损耗、天线指向损耗、极化损耗、降雨衰减、地面接收天线增益、编码增益、解调损失、解调门限(C/N0)等参数的影响。

1) 星上EIRP值。星上EIRP值主要取决于卫星平台功率水平、星上功率器件效率以及星上天线口径等因素，本文参照美国TacSat2卫星的水平，将星上EIRP值设定为31 dBW，波束角约16°，对应的地面波束覆盖半径140 km左右，能够提供较大的服务范围。随着星上功率水平和相关器件能力的发展，未来小卫星平台的EIRP值将得到提升，链路传输能力也将随之得到增强。

2) 接收天线增益分析。基于手持终端的特点，本文考虑采用2种天线形式，一种是全向杆状天线，另一种是自跟踪平板天线。(1)杆状天线，为保证在卫星仰角15°以上能够进行数传接收，天线波束角需大于150°，10 GHz频点条件下天线增益分布如表2所示。(2)平板天线，平板天线设计为14 cm×16 cm，增益仿真如图3所示，10 GHz频点条件下增益为22.47 dB。

表2　杆状天线增益分布

图3　平板天线增益仿真图

3.3链路分析

根据上述分析，链路预算参数设定如下:轨道高度为400 km，工作频率为10 GHZ，星上EIRP值为31 dBW，采用QPSK调制，目标误码率为10-7;理论所需信噪比为11.5 dB，玻耳兹曼常量k为(1.380 658±0.000 012)×10-23J/K，空间大气损耗、极化损耗以及解调损耗分别为0.3 dB、0.15 dB和2 dB。采用全向杆状天线和自跟踪平板天线的遥感数传链路预算分别如表3和表4所示。全向杆状天线增益低，在31 dBW的星上EIRP值条件下难以达到兆级数据率，但由于波束角度宽、覆盖区域广，因此适用于低速通信链路；平板天线面积较大、增益高、采用电扫的方式自动跟踪卫星，自跟踪平板天线分别可达8 Mbit/s以上的数据速率，能够满足基本的遥感数传需求。

当然，在小卫星平台EIRP值充分提升的前提下，可以考虑手持终端只配备一副全向杆状天线甚至内置天线。因其体积小、重量轻、使用方便、可与终端进行共形设计，利于手持终端的小型化、低功耗、低成本。在采用全向杆状天线的前提下，不同数据率对遥感卫星EIRP值的要求如图4所示。采用全向杆状天线，欲在15°仰角接收1 Mbit/s的数据率，要求遥感卫星EIRP值达到40 dBW。

表3　采用全向杆状天线时遥感链路计算表

表4　采用自跟踪平板天线时遥感链路计算表

图4　全向杆状天线对遥感卫星EIRP需求仿真图

4　结 束 语

本文对基于手持终端的遥感信息应用模式和能力进行了初步研究，后续将深入研究基于手持终端的高效数据传输、卫星测控、星地组网等关键技术，以进一步提高基于手持终端的遥感信息应用能力。

References)

[1]于洋.美国陆军定位导航与授时技术发展分析[J].卫星应用,2015(12)：32-33.

[2]汤亚锋，于小红，戴志广.美军蓝军跟踪系统的发展及其启示[J].装备学院学报,2014，25(1): 61-64.

[3]张召才.美国深挖小卫星潜力 欲提升军事用天能力[J].卫星应用,2015(2)：37-44.

[4]国防科学技术工业委员会.星-地数据传输链路的计算与标定方法:GJB 5421—2005[S].北京：国防科工委军标出版发行部,2005:1-9.

[5]国防科学技术工业委员会.雷达电波传播折射与衰减手册:GJB/Z 87—97[S].北京：[出版者不详],1997:28-42.

(编辑：李江涛)

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

国家级课题基金资助项目

廖育荣(1972-)，男，副教授，硕士，主要研究方向为航天工程。

V249.3

2095-3828(2016)05-0064-04

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