瑞见——投资人说：散射通信

2022-07-08 阅读： 2330 瑞鹏观点

本期内容提要：

散射通信是指利用大气层中传播媒介的不均匀性（“公共散射体”）对电磁波产生的散射作用进行的超视距通信。散射通信不受核爆、极光等因素影响，可跨越海湾、无人烟地区等区域，且保密性强、通信稳定，是军用通信中不可缺少的重要手段。

散射通信是指利用大气层中传播媒介的不均匀性（“公共散射体”）对电磁波产生的散射作用进行的超视距通信。散射通信不受核爆、极光等因素影响，可跨越海湾、无人烟地区等区域，且保密性强、通信稳定，是军用通信中不可缺少的重要手段。美国、俄罗斯等国一直在持续不断的发展散射通信技术、更新散射装备，散射通信已成为各国战略、战区及战术通信网中不可或缺的重要通信手段，而中国散射通信系统多作为军用支援保障性装备。其具备建设投入小、组网灵活、后期维护费用低、抗干扰等特点。

（一）散射通信基本原理

散射通信是指利用大气层中传播媒介的不均匀性（“公共散射体”）对电磁波产生的散射作用进行的超视距通信。

而地球大气层又按其特性不同可分为若干个区间。从地球表面至高度为15公里左右的大气空间称为对流层；从15到60公里的空间称为平流层；从60到400公里的空间称为电离层；一般来说，对流层、电离层、平流层以及流星余迹等都能利用它们介质的不均匀性进行散射传播。

以对流层散射通信为例，照射到对流层中的电磁波，在遇到湍流、气旋、云团等不均匀介质时会向着各个方向散射，其中超斜前方向射去的电磁波是能够达到很远的地方（300-2000千米）。当远处高灵敏的接收机，将散射出来的微弱电磁波接收下来，从而实现了通信。

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（二）散射通信分类及技术特点

根据散射媒介的不同，散射通信可分为对流层散射通信、电离层散射通信、流星余迹通信。

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1. 对流层散射通信

对流层散射通信在三种散射通信中应用最为广阔。对流层处在大气层中的最底层，它的上界高都约为15千米，其中分布着大量的空气漩涡和云团等，它们大小不同，形状各异，而且不断发生变化。当超短波、微波等电磁波辐射到这些不均匀介质时，就会产生散射。

对流层散射通信常用的频段为0.2～5吉赫，通信容量较大，单跳距离在100-300千米，最远可达1000千米。可传输电话、电报、图像、数据等信息。

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2. 电离层散射通信

利用距离地面高都75～90千米的电离层介质中的不均匀体对超短波的散射或反射作用进行的超视距通信。电离层散射通信和对流层散射通信有许多共同之处，如前向散射、信号衰落等。

电离层的高都比对流层高，其单跳距离比对流层散射通信远，通常为1000～2000千米。为减少电波穿过电离层，电离层散射通信只能在较低频率（30～60兆赫）工作，通常容量比对流层散射通信小，传输频带很窄，只有2～3千赫左右，加之电离层散射通信使用的频段上频谱已很拥挤，只能传输电报和低速数据。

在场景应用上，电离层散射通信可以作为短波通信的替补方案，尤其是对于北极地区的通信具有重要的意义。短波通信，是通过在大气层中电离层的折射来实现通信的。而通常的短波通信，当电离层出现不正常的骚动时，正常的短波通信将受到破坏，在某些情况下会使通信路线完全中断。但在此期间，由于电离层的电子密度不均匀性加大，电离层散射作用反而会增强，尤其是在较高的工作频率上。因此，电离层散射通信路线可靠性高，特别是在北极地区，短波通信常常受到干扰，在此情况下，如果采用电离层散射通信将可实现稳定可靠的通信。此外，由于昼夜、季节的变化对电离层散射传播的损耗印象不大，因而散射通信设备可以在固定频率上工作，不必像短波通信那样要昼夜更换工作频率。因此，设备可以简化，使用比较方便。

3. 流星余迹散射通信

流星余迹散射通信是利用流星穿过大气层形成的短暂电离余迹对超短波的反射和散射作用而实现的远距离快速无线电通信技术。

流星是以每秒几十公里的速度进入地球大气层的物体，它的经过出现在离地面80至120公里的高空。由于流星进入大气层的速度很高，它在运动过程中会和大气层分子间剧烈地摩擦而发热。当流星质量较大时，进入大气层不致全部被烧毁，将剩下的部分落在地面而形成陨石；而较小的流星将在大气中烧毁而被蒸发，当流星粒子便成为气体状态时，分解出大量的离子，而形成柱状的电离余迹。起初余迹不大，但由于扩散作用，体积很快地增加，留下一个长达十余公里的电离余迹，也就是所谓的流星余迹。每条这样的余迹都能持续几毫秒至几秒的时间。当无线电波在传播路径上碰到这种电离空气柱时，电波就会被它散射。

由于流星余迹的存留时间短，消失块（1-2秒内），为此要求发射出去的信号预先存储在记忆设备内，一旦出现电离余迹时，此信号就以快速地方式发射出去。常用的通信工程频率为30-60兆赫，实用数据率为每秒2～4.8千比特。所以这种通信持续方式极短，实时性差，只能传送数据，此外需要还需要采用存储器等使设备较复杂。

但同时，比起电离层散射通信，流星余迹散射有以下优势：

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在应用场景方面，由于它的优点突出，通信可靠度也比较高，因而在一定场合下具有很大的实用价值。美国在七十年代开始，将流星余迹通信应用于军事、水文和气象等方面的数据传输网。例如，波音电子公司研制了应用于极区的保密军用流星余迹通信设备，最大通信距离在1900公里。此外，目前已研制了一种把流星余迹和电离层散射相结合的混合式通信系统，它兼有两种通信方式具有的特点，而充分发挥设备的效能。

（三）散射通信发展趋势

1. 散射通信发展简史

（1）散射通信国际发展历程

20世纪三十年代，随着雷达技术的发展，发现了电磁波的超视距传播现象，随后进行了大量的传播试验；1950年在大量试验的传播试验的基础上，总结产生了散射传播理论；1955年美国最先实现的散射通信技术的实用化，从散射设备的实用化至今，基本上经历了以下4个阶段。

阶段1：固定散射站，多工作在L/S频段，传输容量一般小于2Mbps，天线口径基本在10米左右，发射功率在10kW甚至更高，单站值班和维护人员约20人。固定散射站主要用于构建远程骨干网，单跳通信距离在200km左右；

固定式对流层散射通信设备，通常是一部大型设备。它采用大功率发射机、高增益天线和低噪声接收机，来克服传输过程中的大量损耗；采用分集接收或新的调制和解调技术来解决信号衰落问题。天线方面，采用高效率馈源的抛物面天线，其口径可达三、四十米。

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20世纪80年代，卫星通信技术得到发展，逐渐替代了对流层散射通信技术的部分功能，除高纬度同步轨道卫星覆盖不佳的地区外，1吉赫兹以下频段的对流层散射通信站开始被逐渐关闭。

阶段2：机动散射站，传输容量在2Mbps左右，每站由2～3辆车组成，主要用于远程机动通信保障，单跳通信距离一般在150km以下，多用于战区通信；

对于移动式散射通信设备，首先，发射机的发射功率较小，一般为1千瓦或几百瓦量级，因此设备的体积小重量轻，便于运输或车载。其次，要求设备架设迅速，建立通信快，还要便于拆除。要有专门的天线瞄准器，以便当站址改动时，尽快沟通线路，实现正常通信。

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阶段3：单车单站，在阶段2的基础上，利用单辆越野卡车上实现了天线、通信设备、供电等一体化设计，机动能力进一步提升。其最高传输容量支持20Mbps；

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阶段4：单天线散射战，相继出现了以DART-T为代表的战术型散射装备，在本阶段更加注重设备的小型化、模块化以及多模式通信一体化设计。设备体积更小、重量更轻，可通过小型越野车进行承载或者人工背负，在战场快速部署中使用更加灵活。

（2）我国散射通信发展历程

中国从50年代中期开始研制对流层散射通信设备。60年代中期着手建设试验线路。70年代开始研究数字对流层散射通信设备，相继建成了数条实验线路。80年代已研制出固定式和可搬移式对流层散射通信设备，建立了军用散射路线。

目前，随着通信技术的不断进步，散射通信将采用新的调制解调技术和编码技术，以获得最佳的分集效果，将数字通信的频率得以提高；同时将研究开发各种自适应技术，以适应信道的变化。

2. 未来技术发展趋势

从美、俄等国的散射通信技术最新进展来看，散射通信设备的发展更加注重战术部署下的应用，以“小型化、多模化，高带宽”来适应未来信息数字化战场高机动性和高效性的需求，散射技术发展未来趋势可总结如下几点：

（1）小型化

“大功率发射机、大口径天线、高山建设”是传统散射通信不能回避的三个问题，但这都是现代机动作战所不能适应的。随着天线小型化、固态功放和数字通信技术的进步，散射设备小型化已成为可能，单兵智能化、背负式散射通信电台已经在研制中。

（2）扩展工作频段

现役大部分散射设备的工作频段大都在5 GHz 以下，目前美国已有X频段和Ku频段的散射设备，更高工作频段的设备意味更多的工作频谱，更小的设备体积和天线尺寸，高频段的设备在战术部署中使用更加灵活。

（3）与其它通信模式的一体化设计

①微波散射一体化

微波散射一体化，能够同时兼有微波传输和散射传输的功能，当通信距离为视距时，可采用视距微波链路；当距离超出视距或者尚未超出视距，但是中间有山丘等障碍物遮挡，可采用散射链路，用这种一体化设备组件野战通信网，可以大大增强通信网的机动性和抗毁能力。

②散射卫星一体化

美军的DART-T双模式、全频段、可重新配置战术终端，具有散射和卫星两种工作模式，适用于快速部署、快速反应及应急通信、指挥中心与机动部队之间建立大范围快速移动的战术中继链路、边境监视、岛岛或内陆通信等。配有1面2.4米天线（典型），最高传输速率可达100Mbps，具有散射/绕射/视距/卫星多种工作波形。

与其他通信模式的一体化设计的散射通信装备可以在战场实现既定任务目标的同时，减少通信装备的种类、降低操作维护人员的工作难度。

（五）各国散射通信应用场景

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