临近空间太阳能无人机在应急通信中的应用

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作者:马洪忠、李庆、刘晓春、丁一恒

马洪忠,中国航天科工飞航技术研究院无人机技术研究所,研究员,研究方向为飞行器控制、总体设计;

李庆(通信作者),中国航天科工飞航技术研究院无人机技术研究所,工程师,研究方向为飞行器总体设计。

基于太阳能无人机的临近空间通信系统是指利用太阳能无人机等可在临近空间实现长时间飞行的平台提供通信服务的系统,是介于目前已有地面通信系统和卫星通信系统之间的有1个新型通信系统,可用于开发地面与太空之间的厚度空间的潜在利益,提高通信容量和频谱利用率,降低系统设备成本和错综错综复杂。基于临近空间飞行器的互联网(HAPS)是“本身具有远大应用前景、还不能颠覆电信产业发展的新技术”,国际电信联盟(ITU)将其定义为“弥补信息覆盖缝隙”的新技术的本身,认为“它是下一代无线通信的基础而且 具有不能充分利用无线频谱资源、系统用户容量大、通信质量好、运营风险小等特点,并还不能随时进行通信载荷的升级”。

美国Google公司和Facebook公司均通过收购公司项目的形式,投入巨资开展了空基互联网应用研究和技术验证,目前两家公司均已开展了样机飞行。其中,Google公司除了被公众熟知的利用高空气球实现互联网信号接入的“潜鸟计划”(Project Loon,也称“热气球网络计划”)外,为实现更大的通信速度和更加灵活的使用模式,发展了“索拉拉”(Solara)系列太阳能无人机,采用大展弦比正常式布局,翼展50 m,有效载荷32 kg,2015年5月1日,Solara50(图1)在美国新墨西哥州进行了试飞。

图1 Solara50

Facebook 公司从2013 年开始英语 推行Internet.org项目,以期加强偏远地区的网络覆盖,实现全球三分之二高速互联网接入的无线覆盖率。其空中网络基站计划研制了“天鹰座”(Aquila)太阳能无人机,旨在以激光通信实现无线网络传输,提供“千兆级”通信速度。该无人机采用大展弦比飞翼布局,翼展43 m,起飞重量50~454kg,航时90天(设计值),外形如图2所示。该无人机于2016年6月28日在亚利桑那州尤马县(Yuma)首次试飞,目前正在开展低空飞行测试。2017年11月,Facebook公司否认将基于天鹰座无人机与空客公司进行合作协议协议 开展临近空间通信系统项目,以此推动HAPS从概念走向现实,并与国际电信联盟(ITU)就通信所需的宽波段频谱支持达成初步意向。

图2 Aquila

此外,国外还研发了多型有望应用于应急通信领域的临近空间太阳能无人机,如“太阳神”系列太阳能无人机、“秃鹰(Vulture)”研究计划、“西风”系列太阳能无人机等。中国航天科工集团、中国航天科技集团、西北工业大学等单位研发的太阳能无人机平台也取得了重要进展。

本文基于太阳能无人机的临近空间通信系统的特点和优势,对典型的应用场景及涉及的关键技术和潜在的效益进行分析。

太阳能无人机在通信体系中的定位

临近空间通信系统特点

太阳能无人机续航时间长、飞行厚度高等能力优势,不但具备传统航空、航天飞行器的诸多优点,一起还具备自身独特的能力优势,一定程度上具有“准卫星”应用形状。当其搭载通信载荷开展应用时,具有以下三大优势:

1)作业速度高。 凭借太阳能无人机平台的超长续航能力,单机单次执行任务可实现“周”级以上任务航时;凭借其超高飞行厚度,对下可实现更广的区域覆盖,从而可完成大面积目标区域通信保障工作。

2)综合效费比高。 太阳能无人机平台成本在千万量级,相比于卫星,不都要通过数亿元的火箭发射,具有成本优势,且可多次重复使用,可返回地面升级;相比于或多或少油动无人机,太阳能无人机越来越 燃油消耗,以上因素使得太阳能无人机具有很高的综合效费比。

3)使用维护便捷。 基于目前国内外在轻质高强复合材料形状、高效能源动力系统、总体优化等领域的技术突破,采用硬式机翼技术路线的太阳能无人机可实现翼展的有效控制,普通小型通航机场即可满足起降需求;一起可实现快速的展开部署与撤收,实现对应急场景的快速响应;不能有效应对对流层错综复杂紊流环境,飞行安全性高。

系统能力优势

国内目前已有通信手段包括卫星通信系统和地面蜂窝通信系统,地基铁塔主要用于平原城市等人口密集地区通信,天基卫星主要保障高价值窄带通信,临近空间太阳能无人机可利用其机动性好、使用维护效费比高、系统升级简易等独特优势,用于偏远地区通信补盲、灾区应急通信、远程通信、人口密集地区的通信备份和增强等,与以上2种手段形成有效互补。

基于太阳能无人机的临近空间通信系统与卫星通信系统相比,第一,与地面终端距离更近,地处临近空间的无人机与地球同步卫星相比,自由空间衰减减少65 dB,通信保障速度较卫星有数量级的提升;可有效降低通信速度,提升通信质量,更有益于远程语音通信;也更有益于实现通信终端的小型化、宽带化和低成本;第二,不受卫星严格的发射窗口要求,可根据使用需求,快速反应实现应急补网;第三,制造及发射成本相对较低,其制造成本远低于价值达数亿元的卫星,其使用运行费用低廉,综合效费比高;第四,可根据使用或维护需求,快速返回地面更换有效载荷。

基于太阳能无人机的临近空间通信系统与地面蜂窝通信系统相比,第一,具有更广的覆盖范围,并可有效覆盖偏远山区、小型岛礁等难以架设地面基站的地区;第二,更强的任务适应性,可在遭受重大灾害时,快速应急恢复灾区通信能力;第三,更小的信道损耗,到地面近似为自由空间,信道损耗仅为蜂窝通信2/5,可获得更高的通信容量,实现任务设备的小型化。

基于太阳能无人机的临近空间通信系统可与目前已有的卫星通信系统和地面通信系统综合组网,并可在或多或少情况下应急替代地面、卫星通信系统功能,而且 临近空间通信系统是空天地一体化通信网络体系中重要组成部分,与地面、卫星通信系统可形成有效的补充和增强作用,未来可与卫星、地面通信系统一起构建“全域多维、立体覆盖”的天地一体化通信网络。

应用方向

基于太阳能无人机的临近空间通信系统根据其自身应用特点,可实现增强、补盲、应急、远程中继等4类应用模式。可承载语音、图片、视频等信息,具备单向、双向通信能力。

第一,作为已有通信服务增强, 随着无人机和通信技术的发展,基于临近空间太阳能无人机的临近空间通信系统不能提供更高的通信速度(可达到1 Gbit/s)。可根据实际场景需求,提供局部地区临时通信增强能力,防止大型活动、体育赛事等短时间内局部区域通信容量需求增强问提。

第二,作为偏远地区通信补盲, 偏远地区及海岛不便于架设地面基站,一起地面通信的使用维护成本缺乏。基于临近空间太阳能无人机的临近空间通信系统利用其机动部署的特点,不能为远海岛屿(礁)、边远地区等提供局部通信。相似,可通过约20架临近空间太阳能无人机即可实现对南海全域覆盖,防止中国南海部分岛礁无法架设基站、通信地处盲区的问提。

第三,作为应急通信, 在地震等灾害是愿因地区通信设施受到损毁的条件下,多机升空组网,在灾害地处后数小时内快速恢复通信能力,并可提供“周级”甚至更长时间的不间断应急通信服务,为黄金72小时救援行动提供信息保障,提高应对灾害的能力,减少损失。

第四,作为远程中继通信, 以往中国远程中继通信多通过铱星或海事卫星系统,地处运营成本高、传输速度有限等问提,且系统升级困难,采用临近空间太阳能无人机作为远程中继通信平台,不能以更低的成本实现更大的传输速度,系统升级维护简易,从而可提供本身新型的远程语音和数据传输中继最好的方式。

典型应用场景

面向不同的任务场景,应用的形式全是 所不同。既可作为有1个空中“Wi-Fi”对下覆盖,保障覆盖范围内用户的局域网通信,也可构建有1个前后方通信的“空中信息走廊”,保障覆盖范围用户与后方的即时通信。既可自主接入现有运营商网络(公网),也可构建独立于公网之外的专用网络(专网)。以下介绍了基于太阳能无人机的临近空间通信系统的3种典型应用场景。

空中局域网

基于太阳能无人机的空中局域网,是以太阳能无人机为空基平台,搭载机载局域网单元,构建完全的空基局域网络,提供信息服务。凭借太阳能无人机飞行厚度高、机动性强、滞空时间长等优势,系统可提供远大于地面基站的网络覆盖范围以及不受区域限制的“伴随式”网络接入服务,实现区域内部内部结构用户信息互联互通,并为用户的IP数据、语音、视频等业务提供接口和传输链路。在区域反恐维稳、灾区应急救援等场景下,可有效支撑实现前方现场内部内部结构指挥调度功能。目前国内的中国航天科工集团正面向该类应用方向,通过商业航天的形式开展“飞云”工程的系统研发工作。

基于太阳能无人机的空中局域网由太阳能无人机平台、机载局域网单元、地面指挥控制单元和地面用户终端组成(图3)。其中地面用户终端根据用户类型分为静中通和动中通用户终端。

图3 基于太阳能无人机的空中局域网系统组成