临近空间飞艇载荷应用简述

作者：兰顺正

首发自：临空视野

临近空间飞艇具有区域驻空能力，带载能力强（在几百千克以上），且可以做到长达几十天的长航时飞行，因此是各种载荷应用的优势平台。

从需求任务场景上来看，临近空间飞艇搭载的载荷大致可以分为几个大类。

一、

目标探测类，通过主动探测能力，达成对既定目标的侦察监视

临近空间飞艇具备搭载预警雷达的能力，与常规的天基、空基、地基雷达相比，艇载雷达构成的预警能力有着突出优势：天基雷达受运行轨道、星座规模等限制，在区域信息保障的时效性、连续性等方面仍有较大差距；空基雷达受飞行速度、升空高度等限制，感知范围、持续工作时间等方面存在不足；地基雷达受地球曲率的影响，难以进行远距离的威胁预警。临近空间飞艇在加装高性能预警雷达后，飞艇可弥补天基战略侦察和空、地基战术侦察的不足，完成对海空区域目标大范围、高灵敏、连续性的侦察监视。

该领域最早的概念艇由美国的传感器/结构一体化平流层监视平台计划提出，即ISIS计划。该计划最突出的技术亮点在于雷达天线与艇体的共形设计。两部分别工作在超高频和X波段的大型有源电扫相控阵雷达贴在飞艇内部的一个圆柱体上，大大提升了探测预警的能力，两部雷达独立工作，完成不同的功能。后续由于资金和技术原因，ISIS计划未能落地。

目前，临近空间光学探测技术研究和应用最广的主要是可见光和红外探测技术。光学载荷在空基和天基的应用较早，技术已经步入成熟期，在目标探测和侦查领域占据了核心地位。近年来，随着临空高超飞行器的崛起，光学载荷开始瞄准高超声速平台以实现侦查范围更大、安全性更高、响应速度更快、任务执行更自由灵活的目标。但是，由于临近空间高超飞行器的飞行速度高，会在过程中产生可观的气动加热，严重影响光学载荷的成像。相比较而言，平流层飞艇作为临近空间的慢速飞行器，20千米的飞行高度可以形成亚轨道平台，利于光学相机的广域探测，另一方面其飞行速度慢，与环境风速同一量级，对光学相机的成像不会存在高超飞行器上的突出问题，且具有长时间区域驻空的能力，可以持续对目标形成凝视效果，不仅提升探测效率，还可以获得敏感目标规律性的信息。

另外，由于平流层飞艇的带载能力较强，可以同时搭载预警雷达和光学相机，形成联合的目标探测工作体制，二者相互配合，既可以发挥雷达探测距离远，又可以发挥光学相机成像能力强的优势。通过雷达、光学相机及艇载数据传输（卫星链路和视距链路）的联合应用，可形成从目标、监测平台到地面指控的完整信息闭环，从而提升单平台任务集成能力，满足全天候、全天时应用需求，以及多功能应用场景。

二、

通信导航，作为局部区域特定信号的中继增强，构成对特定业务的服务支撑

临近空间通信可以不受地形限制，真正实现通信的超视距。可以完成战时的指挥、协同与通信机动，另一方面，可以为地面提供民用应急减灾的通讯保障。与传统的卫星通信相比，临近空间飞艇的高度远远低于卫星，传播损耗更低，发射功率更低，时延也更小，相对而言，通信终端设备也可以更加小型化，管理和维护的成本也更低。不过，尽管通信中继在临近空间飞艇上的应用效能高、前景非常可观，但由于平台发展的滞后，此应用场景多数仅停留在技术论证与前瞻阶段。

而鉴于临近空间飞艇20千米的飞行高度，可以形成类似临近空间伪卫星的概念，在与地面基站联测定位时，通过发布它自身的位置精度数据，加上发射码测距信号，可以对所覆盖区域构成定位和导航增强系统，为区域内有导航需求的民用和军用设备提供服务。北达科他州大学曾提出将地球同步卫星和临近空间飞艇联合，并与GPS系统相关联，构建区域导航系统，且证明了在GPS信号弱的地区利用导航增强系统提升导航信号的可行性。据外媒报道，隐蔽长驻空平流层系统冷星计划（COLD STAR）是美陆军空间与导弹防御局于2018年开始实施的旨在利用高空气球系统提供通信、成像、定位、导航和授时及其他关键军事能力的一项计划。其中，重要的一项应用就是当短期内卫星无法使用时将临空平台作为通信中继和导航增强的手段。

三、

情报收集，被动接收敏感信息，完成对既定目标的电子画像

情报收集领域对应的载荷一般为电子侦查载荷。与常规的地面电子侦察和机载电子侦察系统相比，搭载于临近空间飞艇上的电子侦查设备可以实现对敏感地区和时敏目标进行长期不间断的监测和侦查，获取大量基础源数据，得到目标更完整的电子画像；与天基电子侦查系统相比，临空高度较卫星轨道离目标区域更近，受到的干扰小，更易于信号的识别和甄选。

四、

遥感监测，利用空间广域长时覆盖能力，形成关注地区的遥感与监测信息集总

遥感监测主要用于民用领域，如气象观测、地理测绘、海洋监测、环境监测、农业监测、管路巡查、搜索救援、火情监测等。采用卫星遥感方式，尽管可以获得广域的监测范围，但受卫星重访周期的限制以及近地气象条件的影响，往往效果难以尽如人意，且成本较高，遥感监测资源的调用权限也非常高。临近空间飞艇作为临近空间的持久监视平台，可以昼夜连续地在20千米的高度飞行，适合对大范围区域进行全时、全天候探测，具有完备的态势感知能力，对应的载荷可以是可见光、红外、高光谱、多光谱设备等。与卫星相比，临近空间飞艇的运行高度远低于卫星轨道，属于近地面监测，数据的置信度高，因此对探测信息的还原度也更高。