臨近空間太陽能無人機在應急通信中的應用

作者：馬洪忠、李慶、劉曉春、丁一恆

馬洪忠，中國航天科工飛航技術研究院無人機技術研究所，研究員，研究方向為飛行器控制、總體設計；

李慶（通信作者），中國航天科工飛航技術研究院無人機技術研究所，工程師，研究方向為飛行器總體設計。

基於太陽能無人機的臨近空間通信系統是指利用太陽能無人機等可在臨近空間實現長時間飛行的平台提供通信服務的系統，是介於目前已有地面通信系統和衛星通信系統之間的一個新型通信系統，可用於開發地面與太空之間的高度空間的潛在利益，提高通信容量和頻譜利用率，降低系統設備成本和複雜性。基於臨近空間飛行器的互聯網（HAPS）是「一種具有遠大應用前景、可以顛覆電信產業發展的新技術」，國際電信聯盟（ITU）將其定義為「彌補信息覆蓋縫隙」的新技術的一種，認為「它是下一代無線通信的基礎並且具有能夠充分利用無線頻譜資源、系統用戶容量大、通信質量好、運營風險小等特點，並可以隨時進行通信載荷的升級」。

美國Google公司和Facebook公司均通過收購公司項目的形式，投入巨資開展了空基互聯網應用研究和技術驗證，目前兩家公司均已開展了樣機飛行。其中，Google公司除了被公眾熟知的利用高空氣球實現互聯網信號接入的「潛鳥計劃」（Project Loon，也稱「熱氣球網路計劃」）外，為實現更大的通信速率和更加靈活的使用模式，發展了「索拉拉」（Solara）系列太陽能無人機，採用大展弦比正常式布局，翼展50 m，有效載荷32 kg，2015年5月1日，Solara50（圖1）在美國新墨西哥州進行了試飛。

圖1 Solara50

Facebook 公司從2013 年開始推行Internet.org項目，以期加強偏遠地區的網路覆蓋，實現全球三分之二高速互聯網接入的無線覆蓋率。其空中網路基站計劃研製了「天鷹座」（Aquila）太陽能無人機，旨在以激光通信實現無線網路傳輸，提供「千兆級」通信速率。該無人機採用大展弦比飛翼布局，翼展43 m，起飛重量400~454kg，航時90天（設計值），外形如圖2所示。該無人機於2016年6月28日在亞利桑那州尤馬縣（Yuma）首次試飛，目前正在開展低空飛行測試。2017年11月，Facebook公司宣布將基於天鷹座無人機與空客公司進行合作開展臨近空間通信系統項目，以此推動HAPS從概念走向現實，並與國際電信聯盟（ITU）就通信所需的寬波段頻譜支持達成初步意向。

圖2 Aquila

此外，國外還研發了多型有望應用於應急通信領域的臨近空間太陽能無人機，如「太陽神」系列太陽能無人機、「禿鷹（Vulture）」研究計劃、「西風」系列太陽能無人機等。中國航天科工集團、中國航天科技集團、西北工業大學等單位研發的太陽能無人機平台也取得了重要進展。

本文基於太陽能無人機的臨近空間通信系統的特點和優勢，對典型的應用場景及涉及的關鍵技術和潛在的效益進行分析。

太陽能無人機在通信體系中的定位

臨近空間通信系統特點

太陽能無人機續航時間長、飛行高度高等能力優勢，不但具備傳統航空、航天飛行器的諸多優點，同時還具備自身獨特的能力優勢，一定程度上具有「准衛星」應用特徵。當其搭載通信載荷開展應用時，具有以下三大優勢：

1）作業效率高。憑藉太陽能無人機平台的超長續航能力，單機單次執行任務可實現「周」級以上任務航時；憑藉其超高飛行高度，對下可實現更廣的區域覆蓋，從而可完成大面積目標區域通信保障工作。

2）綜合效費比高。太陽能無人機平台成本在千萬量級，相比於衛星，不需要通過數億元的火箭發射，具有成本優勢，且可多次重複使用，可返回地面升級；相比於其他油動無人機，太陽能無人機沒有燃油消耗，以上因素使得太陽能無人機具有很高的綜合效費比。

3）使用維護便捷。基於目前國內外在輕質高強複合材料結構、高效能源動力系統、總體優化等領域的技術突破，採用硬式機翼技術路線的太陽能無人機可實現翼展的有效控制，普通小型通航機場即可滿足起降需求；同時可實現快速的展開部署與撤收，實現對應急場景的快速響應；能夠有效應對對流層複雜紊流環境，飛行安全性高。

系統能力優勢

國內目前已有通信手段包括衛星通信系統和地面蜂窩通信系統，地基鐵塔主要用於平原城市等人口密集地區通信，天基衛星主要保障高價值窄帶通信，臨近空間太陽能無人機可利用其機動性好、使用維護效費比高、系統升級簡易等獨特優勢，用於偏遠地區通信補盲、災區應急通信、遠程通信、人口密集地區的通信備份和增強等，與以上2種手段形成有效互補。

基於太陽能無人機的臨近空間通信系統與衛星通信系統相比，第一，與地面終端距離更近，處於臨近空間的無人機與地球同步衛星相比，自由空間衰減減少65 dB，通信保障速率較衛星有數量級的提升；可有效降低通信時延，提升通信質量，更有利於遠程語音通信；也更有利於實現通信終端的小型化、寬頻化和低成本；第二，不受衛星嚴格的發射窗口要求，可根據使用需求，快速反應實現應急補網；第三，製造及發射成本相對較低，其製造成本遠低於價值達數億元的衛星，其使用運行費用低廉，綜合效費比高；第四，可根據使用或維護需求，快速返回地面更換有效載荷。

基於太陽能無人機的臨近空間通信系統與地面蜂窩通信系統相比，第一，具有更廣的覆蓋範圍，並可有效覆蓋偏遠山區、小型島礁等難以架設地面基站的地區；第二，更強的任務適應性，可在遭受重大災害時，快速應急恢復災區通信能力；第三，更小的信道損耗，到地面近似為自由空間，信道損耗僅為蜂窩通信2/5，可獲得更高的通信容量，實現任務設備的小型化。

基於太陽能無人機的臨近空間通信系統可與目前已有的衛星通信系統和地面通信系統綜合組網，並可在某些情況下應急替代地面、衛星通信系統功能，因此臨近空間通信系統是空天地一體化通信網路體系中重要組成部分，與地面、衛星通信系統可形成有效的補充和增強作用，未來可與衛星、地面通信系統共同構建「全域多維、立體覆蓋」的天地一體化通信網路。

應用方向

基於太陽能無人機的臨近空間通信系統根據其自身應用特點，可實現增強、補盲、應急、遠程中繼等4類應用模式。可承載語音、圖片、視頻等信息，具備單向、雙向通信能力。

第一，作為已有通信服務增強，隨著無人機和通信技術的發展，基於臨近空間太陽能無人機的臨近空間通信系統能夠提供更高的通信速率（可達到1 Gbit/s）。可根據實際場景需求，提供局部地區臨時通信增強能力，解決大型活動、體育賽事等短時間內局部區域通信容量需求增強問題。

第二，作為偏遠地區通信補盲，偏遠地區及海島不便於架設地面基站，同時地面通信的使用維護成本過高。基於臨近空間太陽能無人機的臨近空間通信系統利用其機動部署的特點，能夠為遠海島嶼（礁）、邊遠地區等提供局部通信。例如，可通過約20架臨近空間太陽能無人機即可實現對南海全域覆蓋，解決中國南海部分島礁無法架設基站、通信存在盲區的問題。

第三，作為應急通信，在地震等災害導致地區通信設施受到損毀的條件下，多機升空組網，在災害發生後數小時內快速恢復通信能力，並可提供「周級」甚至更長時間的不間斷應急通信服務，為黃金72小時救援行動提供信息保障，提高應對災害的能力，減少損失。

第四，作為遠程中繼通信，以往中國遠程中繼通信多通過銥星或海事衛星系統，存在運營成本高、傳輸速率有限等問題，且系統升級困難，採用臨近空間太陽能無人機作為遠程中繼通信平台，能夠以更低的成本實現更大的傳輸速率，系統升級維護簡易，從而可提供一種新型的遠程語音和數據傳輸中繼方式。

典型應用場景

面向不同的任務場景，應用的形式也有所不同。既可作為一個空中「Wi-Fi」對下覆蓋，保障覆蓋範圍內用戶的區域網通信，也可構建一個前後方通信的「空中信息走廊」，保障覆蓋範圍用戶與後方的即時通信。既可自主接入現有運營商網路（公網），也可構建獨立於公網之外的專用網路（專網）。以下介紹了基於太陽能無人機的臨近空間通信系統的3種典型應用場景。

空中區域網

基於太陽能無人機的空中區域網，是以太陽能無人機為空基平台，搭載機載區域網單元，構建完整的空基區域網絡，提供信息服務。憑藉太陽能無人機飛行高度高、機動性強、滯空時間長等優勢，系統可提供遠大於地面基站的網路覆蓋範圍以及不受區域限制的「伴隨式」網路接入服務，實現區域內部用戶信息互聯互通，並為用戶的IP數據、語音、視頻等業務提供介面和傳輸鏈路。在區域反恐維穩、災區應急救援等場景下，可有效支撐實現前方現場內部指揮調度功能。目前國內的中國航天科工集團正面向該類應用方向，通過商業航天的形式開展「飛雲」工程的系統研發工作。

基於太陽能無人機的空中區域網由太陽能無人機平台、機載區域網單元、地面指揮控制單元和地面用戶終端組成（圖3）。其中地面用戶終端根據用戶類型分為靜中通和動中通用戶終端。

圖3 基於太陽能無人機的空中區域網系統組成

根據任務需求，太陽能無人機起飛並按照預先規劃的飛行航跡飛抵任務區域，在目標區域上方盤旋飛行。通過機載區域網單元對下形成區域網覆蓋，為覆蓋範圍內的地面用戶提供區域網接入服務，覆蓋範圍內用戶之間可實現內部通信及數據交互。指揮控制單元通過測控鏈路對無人機進行任務規劃及實時監控。根據實際任務情況，無人機平台可對地/海面用戶進行「伴隨式」保障。系統使用模式如圖4所示。

圖4 基於太陽能無人機的空中區域網應用示意

海上應急通信

利用太陽能無人機的高空飛行能力以及超長滯空時間，可形成海上方向的應急通信手段，為覆蓋範圍內的沿岸受災地區、值守島礁、海上鑽井平台、出海漁船等一定範圍內手機用戶提供前後方之間語音通話等應急通信保障服務，便於後方實時掌握前方情況，組織救援等行動開展。

系統由太陽能無人機平台分系統、機載通信載荷分系統、地面通信載荷分系統、機載指揮控制分系統、地面指揮控制分系統、地面支援保障分系統組成。系統包含視距通信無人機和衛星通信無人機兩架無人機，根據不同任務場景需求，配置有不同載荷（表1），實現近/遠海廣域通信覆蓋。

表1 無人機應用場景及載荷配置情況

當任務區域處於視距數據終端測控範圍內時，採用視距通信無人機進行業務保障，利用無人機搭載LTE通信基站對下形成區域覆蓋，並通過視距微波鏈路實現前後方語音、簡訊、上網等信息交互，可保障覆蓋範圍內400個用戶同時在線使用。此外，無人機還可利用搭載的船舶自動識別系統（AIS）信號接收機或呼救（SOS）信號接收機，實現覆蓋範圍內的船隻AIS信號接收或SOS信號接收。當任務區域處於視距數據終端測控範圍外時，採用衛星通信無人機執行任務，通過衛星通信鏈路實現前後方語音、簡訊、上網等信息交互。系統使用模式如圖5所示。

圖5 太陽能無人機海洋應急通信保障應用示意

偏遠地區網路接入

針對偏遠地區不便於架設地面基站，以及用戶較為分散的實際情況，利用太陽能無人機續航能力強、覆蓋範圍大、使用維護便捷、可實現快速系統升級等能力優勢，執行偏遠地區網路接入保障任務，滿足相關地區人員與外界通信交流需求。

基於太陽能無人機的空基互聯通訊系統主要包括無人機機群組成的空中互聯通信平台、無人機控制/通信地球站（網關）、微基站、固定終端、移動終端等，具體拓撲關係如圖6所示。

圖6 系統組成及信息傳輸拓撲

太陽能無人機作為空中互聯通信平台，每架無人機配置一副多波束天線，天線在其所覆蓋範圍內能發射多個點波束，每個波束實現對一個蜂窩小區的覆蓋，無人機平台即相當於城市移動通信中的空中蜂窩基站。

無人機控制/通信地球站通過與無人機之間的雙向通信，實現對無人機的控制，以及無人機覆蓋區域用戶信息與地面通信網路之間的無縫接入。無人機控制/通信地球站具備同時接入和控制多架無人機的能力。多架無人機直接或間接實現相互連通，構建空中互聯網路，無法直接接入控制/通信地球站的無人機可經由其他無人機中繼間接接入地球站。微基站主要用於手機、筆記本電腦等較微弱信號用戶與無人機通信的中繼，通過一個或多個微基站實現對一個蜂窩小區的覆蓋，實現該小區中用戶的無線通信接入功能。固定終端或移動（車載）終端主要是針對一些特定無微基站覆蓋的應用場景，用戶通過在家中或車上安裝一個專門的信號增強轉發器，經由轉發器的中繼實現用戶的無線通信接入。

整個系統運行過程中，各空間太陽能無人機按照計劃依次定期返航進行維護，確保整個系統可靠運行。

關鍵技術分析

基於太陽能無人機提供通信保障服務是一種嶄新的應用模式，其中涉及的無人機平台、通信載荷及其應用方面均存在一些技術難點有待攻關。以下對系統涉及的關鍵技術進行分析。

高效能源系統設計與應用技術

高效的能源系統是太陽能無人機實現超長任務航時的關鍵支撐，具體包括高轉化效率的太陽能電池、高能重比儲能電池以及高效能源管理系統等。

太陽能電池方面，目前傳統單晶硅太陽能電池轉化效率偏低，組陣後轉化效率為20%~23%，受材料特性影響，後續進一步提升空間有限；轉化效率可達30%以上的砷化鎵太陽能電池受目前工藝、設備等因素影響，價格在50萬/km2以上，過高的價格導致其難以大規模應用。需針對襯底復用等技術開展攻關，以進一步降低成本，並提升太陽能電池效率。此外，為滿足機翼曲面敷設以及臨近空間環境適應性需求，需開展太陽能電池封裝及敷設技術研究，嚴格控制由封裝、敷設帶來的質量增加，同時使太陽能電池具備良好的柔性，並具備耐高/低溫變化、耐輻射、耐臭氧腐蝕、高可靠性等特點。

儲能電池方面，儲能電池組質量可占太陽能無人機總重的20%~50%，提高儲能電池的能量密度可有效提升太陽能無人機整體性能，增加夜間飛行高度和任務載荷能力。傳統鋰電池組的能重比在200~230（W·h）/kg，目前正在針對具有更高能重比的新型鋰電池、鋰硫電池、固態電池等開展技術攻關，重點解決充放電循環次數、電池衰減性能、放電倍率等方面的問題。此外，儲能電池對環境溫度要求較為苛刻，儲能電池組在臨近空間低溫低氣壓環境下的環境控制問題也是一個重要技術難點，需綜合採用「被動+主動」環境控制措施滿足環控需求。

能量管理系統方面，通過最大功率點跟蹤器（MPPT）可實現對太陽能電池能量採集的最優控制，需進一步針對變功率跟蹤技術進行深入研究，並提高基礎元器件性能水平，降低器件損耗。利用儲能電池管理系統（BMS）對能源的存儲和使用進行精細化管理，對電池的狀態進行監測和保護，並重點針對能量均衡技術、剩餘電量（SOC）高精度指示技術等開展技術攻關。通過提高能源管理技術水平，實現能源的精打細算，進一步支撐無人機總體性能提升。

太陽能無人機總體優化設計技術

太陽能無人機基於在低雷諾數高升阻比氣動設計、大型輕質複合材料結構設計與製造、跨大空域高效螺旋槳設計等領域先進技術成果，採用硬式機翼技術路線，通過總體優化設計，可實現總體性能和使用維護性之間的平衡，滿足相關任務需求。

在低雷諾數高升阻比氣動設計方面，太陽能無人機典型雷諾數在數十萬量級，流動分離、轉捩、流動再附等現象複雜，目前數值模擬計算結果存在較大偏差且計算不易收斂，在可容納試驗模型尺寸、風洞湍流度等方面，國內目前已有的大型風洞距離該類無人機試驗需求尚有一定差距。後續需綜合採用數值模擬、工程估算、部件級風洞試驗、外場試飛等多種手段，提高該類大展弦比低速無人機的低雷諾數氣動設計及評估能力。

在大型輕質複合材料結構設計與製造方面，設計中需要平衡結構輕質化和剛度/強度要求之間的關係，製造中需要有效控制樹脂含量並實現結構製造的低成本化，通過儘可能降低結構質量係數以增加任務載荷能力。因此可通過選用在航空領域應用日趨成熟的高強碳纖維預浸料，配合真空袋模壓成型等非熱壓罐成型工藝形式，將樹脂含量控制在40%左右，並大幅降低複合材料結構成本，實現結構性能和成本的兼顧。

在跨大空域高效螺旋槳設計方面，20 km臨近空間高度空氣密度約為海平面處的1/14、壓強約為海平面處的1/18，高低空差別巨大的飛行工況對於螺旋槳的設計要求截然不同，其中臨近空間低雷諾數條件對螺旋槳氣動設計更是提出了嚴峻挑戰，需考慮採用變槳距等手段，面向全程優化飛行目標進行優化設計。

基於太陽能無人機平台的信息服務技術

基於太陽能無人機平台開展通信類信息服務，為了實現高速率、大容量、廣覆蓋等特點，滿足各種複雜應用場景的需求，仍需突破抗多普勒頻偏設計、多用戶資源調度、設備臨近空間環境適應性設計等關鍵技術。

在抗多普勒頻偏設計方面，當太陽能無人機平台相對地（海）面用戶有較快移動，尤其是發生徑向運動時，多普勒效應將會對通信質量造成影響。需要通過通信波形設計，物理層頻偏校正演算法等，解決由無人機飛行速度引發的多普勒頻偏等通信問題。

在多用戶資源調度方面，隨著空中通信系統覆蓋範圍增大，用戶接入數量和系統服務能力需求持續增加，對系統設計提出了較高要求。需採用子載波分配、功率控制、自適應調製編碼等技術設計合理高效的多址接入信道（MAC）資源調度，實現信道資源利用的最大化，為系統服務提供最優的服務質量（QoS）保障。

在設備臨近空間環境適應性設計方面，臨近空間強輻照、高臭氧、高低溫交變，低氣壓等複雜飛行環境對信息服務系統的長時間可靠工作提出了挑戰，並且由於太陽能無人機對質量、功耗指標敏感，需要基於現有鏈路和通信載荷設備開展環境適應性設計、輕量化設計和低功耗設計，最終適應平台系統的使用需求。

效益分析

基於太陽能無人機的臨近空間通信系統可在應急通信等領域發揮重大作用，社會效益顯著。還可向公眾及企事業單位提供廣泛的通信服務，形成對現有通信基礎設施體系的有益補充。並能夠有效帶動與其相關聯的上下游產業發展。

社會效益巨大

在地震、泥石流等重大自然災害中，通過臨近空間太陽能無人機可實現快速反應，構建應急信息保障體系，短時間內恢復災區通信能力，能夠滿足了解災區實時情況和救援的需求，防止恐慌情緒和不實信息擴散，便於救援工作策劃和開展。

在南海島礁、青藏高原山區等偏遠地區布設基於太陽能無人機的臨近空間通信系統，可填補相關通信覆蓋空白，為及時了解當地有關情況，開展防止非法越界、保衛邊疆、宣示主權等相關工作提供信息支撐。

在大型體育賽事、集會等活動中，基於太陽能無人機的臨近空間通信系統可有效滿足活動開展期間的通信保障需求，解決因人群聚集導致的區域內通信流量激增、通信質量下降問題。

具有潛在的經濟價值

基於太陽能無人機的臨近空間通信系統在投資運營方面的主要優勢包括：

1）建設周期短、可快速形成能力。系統中單架太陽能無人機配合相應的地面設備即可獨立執行任務。後續可通過在運營過程中的「自發造血」形成滾動發展，從而根據實際用戶需求擴大建設規模。

2）初期投資成本小、收益見效快。單架無人機價值在1000萬左右，初期投入千萬量級的資金即可開展系統的初步建設運營。單機投入運營後便可創造經濟效益。

3）場景適應性強、服務內容廣泛。系統可基於無人機的快速到達、靈活部署能力，實現用戶需求快速響應，滿足受災地區、遠海、山區、沙漠、人群聚集區域等各類特殊任務場景需求。提供互聯網接入、語音通信、AIS信號接收、SOS信號接收等各類服務。

在商業模式上，可通過出售全系統產品、提供信息服務、與運營商聯合運營等多種方式實現盈利，並可與「一帶一路」沿線國家（尚未建設有完備的通信基礎設施）開展合作，構建空中信息走廊，在創造經濟效益的同時，也具有顯著的戰略價值。

有力帶動上下游產業發展

基於太陽能無人機的臨近空間通信系統建設，一方面可牽引臨近空間太陽能無人機平台發展，另一方面牽引通信終端研發行業發展，促進通信載荷小型化，進而降低對衛星、地面通信系統的載荷能力需求或在同等載荷能力下實現更強的通信功能。

基於太陽能無人機的臨近空間通信系統的加入以及空天地一體化通信網路的構建將提供更多樣化的通信及互聯網服務，有效降低系統成本，便於推廣普及並帶動整個通信服務行業的發展。

結 論

臨近空間太陽能無人機憑藉自身的超長續航時間、大範圍對地/海面覆蓋能力、快速反應能力和高性價比，有望成為一種高效、便捷的新型通信平台，能夠良好適應海上應急通信、突發自然災害救援等應急通信任務場景。可以預見，隨著太陽能無人機技術不斷發展，基於太陽能無人機的臨近空間應急通信系統將在不久的將來實現工程應用，創造社會經濟價值。建議後續針對該系統運營涉及的空域管理、頻段申請、牌照資質等開展相關研究，提供相關政策保障。

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