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高空伪卫星（HAPS）已被确定为可补充或取代各种军事通信服务的可能选择。在20千米高度运行的HAPS飞机网络可为军事作战提供本地化高性能服务。 本文主要研究了HAPS特别是高空无人机伪卫星为军事通信带来的好处以及存在的缺点。 引言 信息系统的正确使用已被确定为作战成功的关键因素。有效传感器、可靠快速的网络以及有力决策的结合已经被认为是在战场上获得信息优势的基石。通常，通信和信息系统（CIS）由空间和地面架构组成，实现信息在不同作战区域的分发。 长期以来，空间段发挥了巨大效用，能够实现持久全球存在，不受全球正常空域限制。然而，利用这些系统也会带来种种挑战。空间段会利用地球同步轨道卫星，卫星按可预测轨道飞行，卫星系统易受敌方进攻性空间控制（OSC）行动的影响。这些行动可通过网络战或直接上升系统暂时甚至永久性破坏卫星系统。尽管采取了多种有效对抗措施，但要实现重要卫星通信服务零中断仍需要其他外部缓解策略。此外，空间系统还有其他劣势，如开发和运营费用高，与其他商用服务共享带宽带来的相关安全风险等。从网络的角度看，空域曾在某种程度上被忽视了。 “空中力量”相比地面和卫星服务有其明显优势。空中力量相比地面系统有高度、速度和可达能力的巨大优势。空中力量的特定区域应用则可减轻军-商共享卫星通信服务各种相关安全风险。HAPS平台已被确定为一种使能技术，既受益于“空中力量”的灵活性，又具有“空间”和“地面力量”的持久性优势。 图1 HAPS对当前网络体系补充示意图 本文利用空客公司的Zephyr平台研究了将HAPS技术用于军事通信的有效性，研究分析基于英国军事通信基础设施以及英国军方和北约的作战条令。例如，在紧急情况下（由于数据流量增加或卫星通信中断），HAPS被认为可以取代Skynet（天网）所提供超视距通信服务。通过部署HAPS飞机网络，可以在一段时间内提供区域通信支持，并同时恢复卫星通信服务。 本文研究了HAPS通信服务包对当前基础设施支持的某些能力的补充作用（图1）。然后，将该服务包应用于某一特定作战场景，对其与现有通信信息系统基础设施的性能进行了比较。 当前系统概览 以下概述了英国军方目前使用的系统，深入分析了目前使用的基础设施，并详细说明在此所选择的HAPS平台。 （1）当前军事通信系统 英国目前的军事基础设施由三个关键部分组成：“弓箭手”（BOWMAN）为战术地面段，由单兵和小分队运行；“猎鹰“（Falcon）负责中程地面通信，提供介于“弓箭手”和“天网5”（Skynet 5）之间的链路；“天网5”是地球静止卫星星座，为英国军方提供卫星通信服务。 （2）Zephyr平台 高空伪卫星不同于传统无人系统，它们通常在距地面20千米以上高度运行。这些平台在平流层中运行，可以消除低空飞机面临的许多问题。它可以利用太阳能等各种技术，形成一种更环保、更耐用的网络平台。HAPS的持久性意味着在一定程度上克服了常规空中力量持久性不足的问题，使之可以更长时间占据空域（尽管仍然有限）。 空客Zephyr S平台的飞行时间曾能够维持近26天。这种太阳能飞机的轻型结构意味着有效载荷非常有限，具体地说，Zephyr S平台最多可以承载5千克的载荷。对有效载荷质量的限制可能会影响总组网能力，有效载荷的正确选择对于产生有效的HAPS服务包至关重要。 Zephyr在目前的通信基础设施中有许多潜在应用，它可能无法完全取代现有系统，但它可以作为一种能提高性能的本地化网络。可以在某一特定区域上空部署多架飞机，每架飞机都可在指定位置与地面终端通信。这使得网络可以根据作战需要迅速扩展，速度比采用地面车辆更快。除了对特定地区的区域性覆盖之外，每架Zephyr飞机都可以作为一个单独的数据链路层（L2）节点运行。 图2 HAPS可能提供的服务 HAPS服务包 如前所述，本文对HAPS提供的整个服务进行分析。为此，HAPS机群将形成一个网络星座，实现一系列通信服务。HAPS服务包的预期应用是将取代“天网”提供的可控点波束，实现目前“猎鹰”和“弓箭手”无法实现的远程超视距通信。 图3 HAPS网络总体架构 利用HAPS的网络架构由一组HAPS组成，每架飞机充当一个L2节点，建立一个持久网状网络。该网络将覆盖作战区域的各种地面站，能提供整个战场的超视距通信。为降低延迟，网络将使用标准的互联网协议，以最快和最可靠路由在网络上传输数据。地面站数量将取决于作战需求，并将随着网络的伸缩而相应缩放，且维护站的数量也将如此。 该网络架构由两个系统组成，每个系统都有独特功能。一个系统称为“地面终端至HAPS链路”（GT-HAPS链路）。该系统有一个HAPS下行波束，覆盖半径为75千米，通过简单的弯管架构提供连接。另一系统称为“平台间链路”（IPL）。IPL是每个HAPS之间的链路，形成一个互连空中网络层（ANL），可大大增加覆盖范围。 （1）飞机循环策略 飞机的飞行过程包括一系列阶段，在这些阶段，HAPS将占据不同空域位置，并在每个位置执行不同功能。 阶段1：HAPS在进行生产/维护后首次起飞。飞机将机动到所要求的位置，开始第二阶段。 阶段2：处于起飞和到达所需目的地之间的中间位置，HAPS将连接第3阶段和中心司令部（即联合部队司令部（JFHQ））。这是“HAPS间”链路，将提供与“天网”类似的网络。根据总网络距离和通信有效载荷能力，这一步可能有多架飞机以规定的距离间隔飞行。 阶段3：当HAPS到达目的地时，它将执行中程通信操作，充当作战司令部和地面部队的中介。 阶段4：当从目的地返回时，HAPS将继续支持HAPS间网络，提供两个潜在的通信流，实现可靠性要求。 阶段5：HAPS返回维修基地，接受多次检查/维修。 将每个HAPS平台的飞行路径与循环策略相结合，形成一个循环轨迹，其中每个HAPS遵循通过战场的循环路径，在“航路点”完成HAPS-GT链路任务。控制每个“航路点”的位置是控制ANL（空中网络层）大小和形状的基础。 图4 将HAPS飞行路径与网络架构进行同步的循环体制 图5 由多架HAPS飞机在不同维护站之间飞行的轨迹建立的网状网络 （2）指挥控制体系结构 在这种指挥控制体系结构中，报告系统的功能类似有一个集中指挥中心控制每个HAPS的位置，HAPS通信系统本身充当发送每个命令的网络，而不是使用卫星链路发送和接收指挥控制数据。HAPS网络的优势是指挥控制为依靠HAPS网络本身完成的独立过程。首先，不需要卫星上行链路，其次，通过使用ANL（空中网络层）降低了延迟。利用这种架构的另一优点是，不需要额外的卫星上行链路天线，从而减少了有效载荷重量。然而，这种架构有一个明显缺点。如果一架飞机脱离了平台间链路，则该HAPS控制能力就将受损，导致Zephyr S飞机及其有效载荷可能受到损害。这个问题可采用预先定义的飞行路径有所缓解，且通过引入连接到指挥站的应急卫星回传链路还可进一步降低风险。 （3）自动化级别及相应指挥控制 由于Zephyr S为无人机且编队由多架飞机组成，因此有必要实现相对较高的自动化程度。整个系统有两种自动化控制级别。 第一个级别是控制HAPS网络的整体形状和位置。由于网络位置偏移较大且并不频繁发生，因此这一控制级使用一种“经同意管理”的半自动系统。HAPS网络向中央指挥站报告每个HAPS节点的位置，由在中央指挥站的操作员批准执行网络形状或位置更改。 第二个自动化控制级别是控制地面部队上空每个HAPS的位置。HAPS节点接收HAPS-GT链路和平台间链路信号，要进行机动实现这两种信号强度最大化。在这种情况下，机动量小且频繁，因此采用每个HAPS根据需要自动机动的方式，不需要操作员输入。 这两种自动化级别对应两种指挥控制策略： ● 控制HAPS在网络中的位置 两种指挥控制策略中最简单的一种是保持整个网络的形状，但移动航路点的地理位置。此时，HAPS网络在给定方向上整体移动，而不改变每个位置彼此之间的相对方位。飞行持续时间随后更新，以适应这种漂移。暂时改变在每个目的地花费的时间，以适应HAPS的迁移。 还可通过控制轨迹内航路点的位置来管理网络形状。这由操作员控制，操作员输入航路点的新位置，然后由反馈报告系统验证。这种形状管理的指控主要由操作员决定，报告系统提出周围节点最佳位置建议，以最大限度提高效率并防止链路中断。 指挥控制流程为，操作员输入新航路点位置。然后，报告系统确定链路中是否有中断（即IPL距离>150千米）或地面部队是否未被覆盖。如果覆盖有缺口，报告系统建议进行另一次HAPS移动。一旦为每个HAPS找到位置，系统会将其推荐给操作员，操作员可以选择取消、驳回或确认该建议。 图6 （左）操作员确定位置变化。（右）报告系统推荐的新HAPS位置，确保支持合适的IPL和覆盖区域。 利用与前面示例中相同的形状，向北移动其中一个航路点可以改变网络形状，以适应部队移动。这样在战场中留下了一个覆盖缺口，同时也切断了与平台间链路的连接。然后报告系统识别到这一问题，并建议附近的HAPS与其并行，以保持所需覆盖范围，同时支持平台间链路（图6）。 ● 航路点周围的HAPS位置 HAPS网络的第二级指挥控制更加本地化。为了最大程度提高周围部队的接收信号强度（RSS），每个HAPS节点采用自动机动架构，自己移动到一个位置，使HAPS-GT链路和平台间链路（IPL）都能提供最大接收信号强度。每个HAPS监控周围波束的接收信号强度，然后确定最佳位置以优化链路强度。 空中网络层的HAPS接入节点是移动的，通信传输需要在有限时间段内通过多个部队。因此，需要制定全面的切换策略，实现通信从一个Zephyr S无缝迁移到另一Zephyr S。切换过程被认为是指挥控制的延伸，采用全自动系统。以下探讨切换启动和流程。 （1）切换启动 切换启动过程，是为地面终端信号找到比当前所用更好、更适合HAPS-GT链路的HAPS波束的过程。最佳链路评估是通过将与服务者通信的波束与周围其他波束（候选）的接收信号强度进行比较来实现的，使用一组预定参数防止呼叫或服务质量下降。利用接收信号强度作为切换的主要衡量标准有利于确定系统的最佳链路，因为它与网络性能直接相关。需要减轻多种可能影响服务质量的危险。由大气衰减和HAPS系统的相对运动引起的接收信号强度波动会导致服务者和候选HAPS系统之间的切换不断启动。这种“乒乓”效应是一种会导致链路性能恶化的常见现象，因为当通信在不同HAPS波束间来回跳跃时，会增加系统负载。 在此，需要设置阈值频率和滞后余量以减少切换率，降低网络负载，从而减少乒乓效应影响，实现网络容量最大化。 （2）切换启动流程 切换启动过程遵循一个简单层级结构，它最初只测量和比较输入波束的接收信号强度。只有当候选波束接收信号强度比当前服务波束更高时，该过程才继续进入下一阶段。通过实现这一初始条件，可以在环路开始时消除乒乓效应，从而防止发生不必要的切换。下一个流程继续的条件是服务波束要高于所要求阈值和滞后余量。如果达不到该值，切换启动过程再次暂停，防止任何在两个潜在HAPS链路之间的可能跳跃切换。 作战场景下的能力比较 为了对照当前的通信基础设施来衡量HAPS网络的能力，本文设计了一个作战概念，研究一种HAPS和标准的通信信息系统架构都有部署的具体情况。然后对每种基础设施进行理论性能分析。 本文对在伊朗南部发生的一个行动案例进行了研究。在该案例中，需要在直径约500千米的地区部署通信系统。在这一场景中，“天网”的点波束能力由于叛乱分子对通信的干扰而受到损害，需要在紧急情况下部署HAPS。于是制定了理论通信服务需求，为建立基础设施奠定基础。 基线方案由英国军方目前使用的标准通信基础设施组成。通信网络由“弓箭手”战术地面通信网络、“猎鹰”中程通信网络和“天网 5”的点波束卫星通信服务组成。 从战场周围驻扎地（类似于HAPS网络“维护站”的位置）开始，分别使用Mowag Duro III和HX60车辆部署“天网”和“猎鹰”。“延伸者”（Reacher）终端安装在最高时速100千米的MowagDuro III上，“猎鹰”安装在最高时速88千米的HX60上，然而由于地形不平坦以及道路尘土飞扬，车辆速度限制在30千米/小时，大大增加了两个系统的部署时间。假设“弓箭手”系统部署在部队旁，可以由飞行器携带，部署时间不到一小时。 一旦运行全部能力，“天网”和“猎鹰”提供的传输速率分别为14Mbps和8Mbps，传播和处理延迟造成的延迟分别为260毫秒和20.27毫秒。 表4 覆盖500千米区域的标准卫星通信的网络部署和性能结果 与之前场景相同，各种部队驻扎在直径约500千米的战区。可部署HAPS网络包括两条循环轨迹和两条振荡轨迹（图7，每个HAPS导航到一个指定的航路点，在那里承担HAPS-GT链路功能。一旦实现完全部署，IPL就会启动，HAPS通信网络也会得到优化。 HAPS的覆盖区域无法覆盖整个指定的战场（图7）。然而，指挥控制措施允许HAPS在战区内能随部队移动进行迁移，从而实现更有效覆盖。 图7 11个HAPS为地面部队提供的覆盖范围 HAPS网络IPL标准数据速率针对的是分布在10个信道上50个用户，因而单用户数据速率为1.2Mbps，而在本作战场景中，出于指挥控制和优先指挥目的，通信服务需求规定需要30个用户。 HAPS网络利用空中网络层的低延迟特点，其较低的高度使得HAPS-GT链路延迟为20.51毫秒，可与“猎鹰”的20.27毫秒相媲美。表4中详细列出IPL延迟，即数据从战场的一端到达另一端最多通过5个节点的延迟。实际上，由于消息不需要通过那么多节点，延迟可能要低得多。 HAPS网络的部署比中程地面通信系统“猎鹰”快得多。HAPS-GT链路的初始部署阶段时间为4.4小时。一旦部署，HAPS-GT链路就可以完成“猎鹰”的中程通信功能，只是在系统完全部署之前容量略有降低。初始部署阶段完成后，HAPS可以在6.45小时内建立完整网络，然后IPL可以进行完整通信。 此研究利用英国防部定义的参数，对HAPS网络与基准卫星通信服务进行了性能对比分析。这两个网络都可以很快部署（在几个小时内能实现完全运行能力），然而，“天网”受到其使用的“延伸者”地面终端的严重限制。Mowag Duro III的部署速度降低了卫星通信服务进入战场的速度，导致战场10个多小时缺乏全面通信能力。HAPS网络利用了军用空中力量的“速度”优势，实现HAPS-GT链路初始功能时间只有所有基准系统所需部署时间的一半。除此之外，HAPS-GT链路可以在系统部署后完成“猎鹰”的功能（尽管服务质量略有下降），允许在作战区域启动本地通信。HAPS网络（包括IPL）的全部功能甚至可在基准卫星通信服务初始能力启动之前就发挥作用，使得HAPS网络可比当前架构更好地响应紧急情况。 卫星通信和HAPS网络的鲁棒性都较高，但“天网”韧性更强。尽管敌方对卫星通信服务构成了重大威胁，但每颗“天网 5”卫星都配备了核加固材料以及抗干扰策略。Zephyr S利用平流层运行环境，减轻了高风速和云层造成的危害。然而，为了达到高度要求，每个HAPS都必须爬升穿过对流层，对流层风速变化很大。这种不利天气条件使得HAPS有很大故障风险。 HAPS网络的一个重要问题是，它不能像“天网”的点波束一样覆盖整个战场。这意味着，“天网”考虑用于提供更广泛网络覆盖。但HAPS网络也有相比“天网”的优势——尽管它没有完全覆盖战场，但它提供的覆盖可以更集中到地面部队，防止不必要的区域接收下行波束。这可能对作战安全至关重要，因为这意味着覆盖范围可以定制，向地面部队提供连接的同时，避免向敌军广播波束。 “天网”点波束的灵活性不可否认。其星上天线允许根据作战需要定制覆盖范围的大小和形状。然而，HAPS网络的自动化指控能力使之形状可在短时间内发生显著变化。HAPS网络可为圆形或排成一条直线提供一个狭窄覆盖，以覆盖面积为代价实现几乎无限制的网络形状和拓扑选择，从而赢得优于“天网”的优势。 HAPS网络还可以通过增加额外HAPS和更多航路点根据战略和战役级指挥官需求进行扩展。然而，与可以提供全国甚至全球覆盖的“天网”服务相比，很明显在目前状态下，HAPS可扩展性无法与卫星通信服务相比。 在成本方面，尽管HAPS网络的成本比“天网”低得多，但它没有提供卫星通信服务提供的全部功能。“天网”不仅数据速率始终远高于IPL，而且它还通过卫星复制覆盖全球。由五颗卫星组成的星座成本为36.6亿英镑，远远高于由11架Zephyr S组成的星座（6.5亿英镑）。HAPS网络提供短距离高容量本地化通信服务（HAPS-GT链路距离150千米，速率为12Mbps)。HAPS网络可以通过大幅降低IPL容量增加传输距离。在确定该架构的成本效益时必须考虑到HAPS网络在紧急情况下作为快速部署网络的作用。如果卫星通信服务受到损害，可以派遣一支HAPS机群为被困部队提供连接。 结语 与标准卫星通信服务相比，HAPS提供了一种性价比较高且可以在紧急情况下加以利用的可快速部署通信网络。除了缓解卫星服务受损的影响，HAPS网络还为“猎鹰”提供的中程地面通信提供了冗余策略。虽然预计在资金价值和响应时间方面会有显著优势，但与“天网”相比，HAPS网络显示出明显的功能不足。HAPS网络能够提供更本地化服务，而地球同步卫星星座可实现全球通信。除此之外，Zephyr S的局限性在于它只能在南北纬40度间的狭窄范围内飞行，这意味着它的应用范围非常有限。 HAPS机群的指挥和控制产生了各种各样的挑战，尤其是当每架飞机实现一定程度的自动化时。每个HAPS系统的预定义飞行计划使每架飞机都有一个可预测的轨迹，可以由中央指挥中心跟踪。通过改变每个HAPS停留的航路点来控制HAPS，由操作员决定机队的位置和形状，从而实现灵活、快速反应。通过持续飞行监控策略，每架Zephyr S飞机可以监控它在每个航路点停留的时间，防止超过26天的飞行限制，从而产生与平台飞行能力同步的指挥策略。 使用HAPS网络本身来发送和接收命令的指挥控制系统使卫星回传链路的必要性降低。这意味着HAPS网络可以在卫星通信服务（如“天网”）受到威胁的情况下使用。虽然指挥策略仍然在一定程度上依赖卫星系统，并利用全球导航卫星系统服务（GNSS）进行定位和授时。但由于许多商业卫星可以提供这种服务，HAPS可以不依赖“天网”，同时仍然能够监测星历数据。依赖HAPS网络指挥机队时也有多种劣势，其主要原因是如果多条链路受到威胁，将不能对机队中大部分飞机进行指挥。这种问题可以通过预先确定HAPS的飞行路径来克服，这意味着如果与HAPS系统间的大部分通信中断时，飞机将继续按其规定路径飞行，直到着陆。 切换过程允许地面终端与多个在其上空飞行的HAPS之间进行通信切换。本文所述的启动过程进行了适当次数的切换，同时减轻了诸如“乒乓”效应的不利影响。该过程利用了针对不同参数测量信号强度的方法，允许选择最佳信号，减少切换次数。 下一步仍需要进一步研究一个可自我维持的HAPS网络。通过实施指挥控制策略，以最少的卫星回传链路实现HAPS机队的完全自动化，这将产生一种替代当前方法的通信策略。通过使用预测算法和导航过滤，利用HAPS移动和位置来预测最佳切换，可以进一步改进切换启动过程。然而，随着机队规模和复杂性的增加，可能需要一个更鲁棒的切换机制。 |
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