（作者：周延年、叶松、郑君杰、王晓蕾　　单位：解放军理工大学气象学院探测与信息工程系　　转载：仪器仪表学报）

1 引言

　　大多数人从未注意到：每天有数以亿计的流星坠入地球大气层。利用流星在大气层燃烧所形成的电离气体（流星余迹）反射电波进行通信的研究设想，从上世纪中叶就已经开始，发展到今天，这一设想已转变为一项比较成熟的技术。最初，流星余迹通信系统被人们看作军事通信的{zh1}应急手段，而从20世纪80年xx始，流星余迹通信因其优良特性，越来越多地应用于各个领域，本文所研究的正是将其应用于海洋气象水文数据的传输中。海洋气象水文仪器数据的传输，要求通信系统具有小型化，低功耗，传输距离远等特性，流星余迹通信系统不仅正好可以满足这些要求，而且成本低廉，可靠性高。

2 流星余迹通信概述

2.1 流星余迹简介

　　流星是人们所熟悉的一种自然现象。当宇宙空间的细小固体颗粒飞经地球大气层坠向地球时，其速度可达每秒几十千米，它们与大气摩擦而温度迅速升高，使周围大气分子电离，而发出光和热。如果这种现象发生在夜晚，我们在地面上便会看到空中会出现一条条清晰的光迹，这就是流星体所经过的轨迹，我们常常称之为流星的“长尾巴”。流星在掠过空中时发出的大量的光和热，使周围的气体电离，并很快扩散形成以流星轨迹为中心的柱状电离云，这就是所谓的“流星余迹”。由于流星余迹电子密度很大，犹如一个金属圆柱体，具有反射无线电波的特性。

2.2 流星余迹通信系统

　　流星余迹的长度通常可达15km～40km，距离地面约为80km～120km，存留的时间大约为几百毫秒至几秒，据统计每小时都有数以亿计的流星掠过大气层，形成流星余迹，使得通过流星余迹来实现通信成为可能。要实现流星余迹通信，在通信系统中除了收发信机和天线外，还必须有一套灵敏高效的自动监测、控制设备和信息存储装置。点对点的流星余迹示意图如图1所示。

　　整个通信系统可以双工工作，也可以半双工工作，半双工工作时可预先约定站点的主从关系，确定主动探测方和先发送数据方。流星余迹通信系统中的设备有两种工作状态，一种是空闲待发状态，另一种是信息突发状态。

　　如图1所示，当收发天线波束相交的区域内没有出现合适的可供利用的流星余迹的时候，为了探测和捕获流星余迹，主站点在不断地向从站点发送探测（信标）信号，从站点始终处于空闲待发接收状态。数据源来的数据经压缩、打包处理后，暂存在发信机的存储器里。当出现合适的流星余迹信道时，在短时间内将存储器中的数据发送至主站。

2.3 流星余迹通信特点

　　虽然宇宙间每小时有几亿颗流星坠入地球，但何时出现是随机的，持续时间又非常短促，而且仅有那些路径几何参数（高度与位置）合适的余迹才能维持地球上特定两点的通信，因此流星余迹通信具有很多特点。

　　（1）是一种突发性的断续通信方式。只有当流星出现时才存在余迹，每个流星余迹的持续时间仅为几百毫秒到几秒（典型持续时间不超过1s），仅适用于小容量、无实时要求的场合而不适用于大容量的实时通信。
　　（2）是一种随机出现的通信方式。余迹的出现xx是随机的，不能预先确定何时可以通信，因此通信的呼叫等待时间是不可预测的，平均值大该在几十秒左右。
　　（3）是一种瞬时覆盖范围很小的超视距无线通信方式，其在地面的覆盖区形状一般是细长的马蹄形，其典型值大约是几十公里长，几公里宽。
　　（4）通信的隐蔽性和保密性好，抗（有意或无意的）干扰能力强。由于流星余迹是以瞬时、快速、随机、断续的方式工作，而且通信的覆盖区很小，收、发两方以外的人，比如敌方，很难测向、截获和干扰。
　　（5）抗核爆，核爆的2min～20 min内，接收信号比平时大32倍，20 min～120min内虽然信号强度下降3.6 dB～9 dB，但仍能正常工作，不会像短波通信那样长期中断通信，特别适用于核打击以后的{zd1}限度战略应急通信。
　　（6）不依赖于电离层反射，受太阳黑子、极盖中断和极光现象的影响小，顽存性强。
　　（7）由于覆盖区很小，并且稍纵即逝，加上覆盖区重迭概率很小，因此可以自由地进行频率复用。这样，单个频率就可以服务全网，网络管理和控制简单。
　　（8）通信距离远，在40 MHz～80 MHz的频段内，单跳通信距离可达2000km，更远的距离可用中继方式加以延伸。
　　（9）流星余迹通信只需要较小的发送功率，有利于发送设备小型化，低功耗。

3 海洋数据传输技术现状

　　目前海洋数据的超视距传输比较常用的有两种方法：卫星通信和短波通信。这两种方法各有其优缺点：卫星通信可靠性比较高，功耗也比较低，但对卫星依赖较大，长期租用卫星信道成本比较高。如果从军事上考虑，战时卫星系统易被敌人摧毁，从而造成数据传输的中断；短波通信应用起来更加灵活一些，实时性也比较强，但容易受到电离层变化的影响，而且功耗比较大，不太适合对功耗敏感的小型水文气象设备使用。

4 建立海洋数据流星余迹传输系统的可行 性分析

4.1 流星余迹通信用于海洋数据传输的优势

　　流星余迹通信因为其自身优越而均衡的性能，非常适合海洋数据的远距离传输。
可靠性高：海洋水文气象数据对天气预测、灾害的防御来说至关重要，必须建立一个稳定而可靠的数据传输系统。而流星余迹通信系统不受天气、太阳黑子、极盖中断和极光现象甚至核爆的影响，无论何种情况下，总有合适的信道可用。

　　功耗低：无人值守的小型海洋水文气象仪器对功耗非常敏感。和短波通信所依赖的电离层以及高轨道卫星相比，流星余迹的高度只有100km左右，所以传输衰耗比较小，目前实用化的流星余迹通信系统从站设备在通信时的功耗已低至几十瓦。

　　成本低廉：和卫星通信相比，流星余迹通信成本低廉。流星余迹通信利用xx存在的“卫星”——流星余迹，省却了昂贵的发射卫星的费用。由于流星余迹是以瞬时、快速、随机、断续的方式工作，所以无须申请频率资源，也无须支付昂贵的信道费用。

4.2 流星余迹通信用于海洋数据传输实例
　
　　流星余迹通信技术到目前已经发展比较成熟，在上世纪中叶，就已经有人尝试把它应用于海洋数据的传输。

　　早在1959 年波音公司就在西雅图建立主站，向浮标站收集海洋信息。工作距离约900km。频率为50MHz，功率为600W，浮标站平时不发射信号，接收机待机状态，一旦在适当的位置出现了流星余迹，浮标站按照来自于西雅图的信号指令，将储存好的数据，以3500bit/s的传输速率发射出去。西雅图便收到信号。该通信体制先进，数据传输可靠，证实了流星间歇通信有极好的使用价值。很方便地实现较难达到地区（海上浮标）与岸台之间的通信。

　　近年来，美国海岸巡舰xx用流星余迹随时向指挥部报告远在900km以外的舰船位置；日本海上保安厅也将流星突发通信用于收集海上浮标的数据。

　　我国对流星余迹通信研究开始于上世纪60年代，到80年xx通延庆～宁波、慈利～宁波、慈利～青岛、慈利～湛江4条正式实验电路，经过测试，主要性能达到国外同期水平，但因为设备可靠性比较差，而且并没有在实际系统中使用它，所以到80年代后期研究工作基本停止。进入本世纪以来，国内重新认识到流星余迹通信对未来战争通信保障的重要性，加大了经费投入和科研力度，“十五”计划以来，经过几年的努力，目前国内已经研制出实用化的技术较成熟的流星余迹通信系统。至2008年初，已经建立实验型流星余迹通信主站3个，从站1个，并且完成了主站之间全双工以及主站和从站之间半双工数据传输实验。主站和主站之间以及主站和从站之间距离约1000km，传输速率{zg}达64kbit/s。在未来几年内，流星余迹通信系统将定型并投入使用，将初步建立覆盖全国的应急通信网，并在此基础上，将展开针对多种应用领域的流星余迹通信系统的研究。

　　由此可见，国外流星余迹通信技术已经应用于包括海洋数据传输的诸多领域，而国内流星余迹通信也开始进入实用化阶段，在海洋数据传输领域的广泛应用，在技术上已经比较成熟。

5 建立海洋数据流星余迹传输系统设计

5.1 海洋数据流星余迹传输系统组成

　　一个完整的流星余迹通信系统至少应该有一个主站，一个从站，在海洋数据传输系统中，从站就是海洋气象水文设备的通信模块。主站作为陆上数据网的一部分，可看成是流星余迹通信网和陆上数据传输网的接口。一个完整的流星余迹通信数据传输链路如图2所示。

5.2 海洋数据流星余迹传输系统研究设想

　　流星余迹通信用于海洋数据的传输，应该进一步展开以下几个方面的研究。

　　小型化和低功耗：目前我国已经建成的流星余迹通信实验系统，主要在陆地上使用，对从站的体积、重量和功耗都没有苛刻的要求，而海洋气象水文装备对通信模块的体积、功耗和重量更加敏感，这方面还有很多工作可做。

　　通信体制研究：包括协议、数据结构、调制方式、编码体制等问题，应该结合海洋数据传输的实际情况，专门研究制定相关协议。

　　针对某些特殊应用的关键部件研究：譬如目前正在研究中的可抛弃式超小型海洋水文设备，其天线的自展开，电源的超强续航能力都是值得研究的课题。

　　多主站多从站配置方式的研究：流星余迹典型的配置方式为一个主站多个从站，考虑到流星余迹信道的方向性，如果增加主站的数量，可以增加可用信道形成的次数。多主站情况下的通信体制，也将是需要研究的课题。

　　从长远看，希望最终形成包含各种节点类型的海洋数据流星余迹传输网络，但近期可以先针对某一种海洋观测系统，建立一条或几条实验型的海洋数据流星余迹传输链路，以获得实际的经验。以我国目前流星余迹通信的技术水平，建立这样的系统并不十分困难。

6 结论

　　流星余迹通信因为其优越的性能，正在得到越来越广泛的应用。在海洋数据远程传输领域，流星余迹通信系统不仅能够满足其要求，而且和其他通信方式相比，更具有不可替代的优势。流星余迹通信技术已经比较成熟，xx可以投入到包括海洋数据传输在内的相关领域中广泛地应用。发展海洋数据流星余迹传输系统正当其时。

参考文献

　　[1] 张更新．流星余迹突发通信[J]．军事通信技术，2004(9)：23-28．
　　[2] 王伟．流星余迹通信链路的分析与设计[J]．无线电通信技术，2007(1)：4-5，22

    转载于elenchina网站。