聯(lián)通天地的高空平臺(tái)通信系統(tǒng)示意圖。樊崢繪

今年6月，世界經(jīng)濟(jì)論壇第十五屆新領(lǐng)軍者年會(huì)(又稱“夏季達(dá)沃斯論壇”)在大連舉行。會(huì)上發(fā)布了2024年《十大新興技術(shù)報(bào)告》，評(píng)選出未來3到5年內(nèi)將深刻影響世界的10項(xiàng)突破性技術(shù)。高空平臺(tái)通信系統(tǒng)以極強(qiáng)的創(chuàng)新性和巨大的應(yīng)用潛能位列其中。

高空平臺(tái)通信系統(tǒng)，顧名思義就是將通信系統(tǒng)安裝在高空平臺(tái)上，使其可以在高空提供通信服務(wù)。那么，為什么要發(fā)展高空平臺(tái)通信系統(tǒng)，它有什么特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)？高空平臺(tái)通信系統(tǒng)面臨哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？其未來發(fā)展前景如何？請(qǐng)看本期解讀。

改變世界的移動(dòng)通信技術(shù)

通信是人類最悠久、最基本、最重要的活動(dòng)之一。從古至今，通信既是社會(huì)管理、日常交流的重要保障，也是決定戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的重要因素。為了突破時(shí)空限制，人們嘗試了烽火狼煙、車馬郵驛、鴻雁傳書等通信方式，但這些手段的時(shí)效性和信息容量都十分有限。

19世紀(jì)，電報(bào)和電話的發(fā)明讓人類進(jìn)入到用電傳遞信息的通信時(shí)代。隨著20世紀(jì)80年代第一代移動(dòng)通信技術(shù)（1G）的應(yīng)用，人們正式進(jìn)入移動(dòng)通信時(shí)代。

在科技進(jìn)步與市場(chǎng)需求的共同驅(qū)動(dòng)下，移動(dòng)通信技術(shù)歷經(jīng)5次深刻的技術(shù)變革，從最開始的1G演進(jìn)到如今的5G。在這個(gè)過程中，其功能也從最基礎(chǔ)的語音通話功能，逐步升級(jí)到更加高速暢通、覆蓋面更為廣泛、更加質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

現(xiàn)在，移動(dòng)通信技術(shù)已滲透到人們生產(chǎn)生活的方方面面。那么，移動(dòng)通信系統(tǒng)是怎樣工作的？我們能否在任何時(shí)候、任何地方隨時(shí)保持與外界聯(lián)系？

移動(dòng)通信系統(tǒng)主要由移動(dòng)終端、基站和核心網(wǎng)等組成。其中，移動(dòng)終端指手機(jī)、平板電腦等用戶直接使用的設(shè)備；基站包括天線、接收機(jī)和發(fā)射機(jī)等，用于收發(fā)移動(dòng)終端的信號(hào)，并與核心網(wǎng)連接；核心網(wǎng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸與網(wǎng)絡(luò)管理等，并提供互聯(lián)網(wǎng)接口。

移動(dòng)通信系統(tǒng)的工作流程與物流運(yùn)輸類似。當(dāng)你用手機(jī)打電話時(shí)，手機(jī)先將語音信息轉(zhuǎn)換為電磁波數(shù)據(jù)“包裹”并發(fā)送出去；就近基站就像快遞網(wǎng)點(diǎn)，將“包裹”收攬上來；“包裹”通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸出去以后，核心網(wǎng)就像“物流管理中心”一樣管理這些數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分揀和分發(fā)；最后，“包裹”通過傳輸網(wǎng)絡(luò)輸送至離用戶最近的“窗口”基站，并發(fā)送至對(duì)應(yīng)的手機(jī)。由此可見，使用移動(dòng)通信時(shí)，我們直接打交道的是手機(jī)移動(dòng)終端和就近基站，基站的通信覆蓋范圍決定了手機(jī)的有效區(qū)域。

為了讓通信范圍更大，基站不僅要建得高，還要建得多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2024年第二季度，全球5G基站部署總量約594萬個(gè)，預(yù)計(jì)到2027年，5G將成為最主要的移動(dòng)通信技術(shù)，5G用戶將達(dá)到44億。

然而，國際電信聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)指出，全球約有三分之一的人仍然沒有通信保障。即使是一些通信基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)完善的國家，也無法保證每一片國土都有移動(dòng)通信信號(hào)。非洲、拉丁美洲的一些國家和地區(qū)，更是存在著大片的移動(dòng)通信“盲區(qū)”。

如何擺脫常規(guī)地面基站的限制，提供長(zhǎng)時(shí)間、高穩(wěn)定、高品質(zhì)、低成本的通信與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，成為移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的重要方向。

持久駐空的高空平臺(tái)技術(shù)

為了使基站擺脫對(duì)地面設(shè)施依賴、擴(kuò)大覆蓋范圍，人們把目光投向廣袤的蒼穹，試圖將通信基站搭建到天空。高空平臺(tái)通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

高空平臺(tái)通信系統(tǒng)是利用工作在20公里高度附近的新型飛行平臺(tái)作為無線中繼或空中基站，為地面用戶提供通信的一種方式。2020年，包括中國在內(nèi)的世界多家科技企業(yè)、航空企業(yè)和電信企業(yè)組建高空平臺(tái)通信系統(tǒng)聯(lián)盟，共同推動(dòng)通過平流層飛行器提供通信服務(wù)的發(fā)展。

高空平臺(tái)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，是發(fā)展高空、穩(wěn)定、持續(xù)飛行的飛行器，主要包括新型高空氣球、平流層飛艇、臨近空間太陽能無人機(jī)等。這也是現(xiàn)代航空科技的前沿。

新型高空氣球與我們?nèi)粘Ｉ钪兴娖胀馇蛴酗@著區(qū)別，由特制高分子薄膜材料制成，既輕薄又堅(jiān)韌，能確保極低的氣體滲漏并適應(yīng)低溫、強(qiáng)紫外線等環(huán)境。采用南瓜形的超壓設(shè)計(jì)技術(shù)，氣球內(nèi)部氣壓始終高于外部環(huán)境氣壓，使其可以在長(zhǎng)時(shí)間極端條件下維持總體積不變，保持飛行高度的穩(wěn)定。氣球中內(nèi)置了小球，只需將外界空氣充入或排出小球，就可以改變飛行高度。在人工智能這個(gè)“超級(jí)大腦”的加持下，新型高空氣球可以預(yù)判不同高度、不同區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)特征，自主決策飛行路線，實(shí)現(xiàn)航線飛行或者區(qū)域駐留。

新型高空氣球技術(shù)發(fā)展迅速。如今，谷歌氣球已實(shí)現(xiàn)300天以上的超長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)飛行，可輕松完成環(huán)球飛行，能遠(yuǎn)程放飛后實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)區(qū)域的部署、多球協(xié)同組網(wǎng)等，并為南美、肯尼亞等地區(qū)提供網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)服務(wù)。

平流層飛艇是一種能持續(xù)在20公里高度附近飛行的飛艇。它通常采用流線型設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度達(dá)到數(shù)百米，體積能達(dá)到數(shù)萬立方米。通過太陽能電池陣白天發(fā)電、儲(chǔ)能電池晚上供電的方式，平流層飛艇可以實(shí)現(xiàn)能源產(chǎn)生與消耗的晝夜平衡。

平流層飛艇能夠在特定位置上空實(shí)現(xiàn)數(shù)月甚至數(shù)年的定點(diǎn)駐空，是“高空基站”的理想平臺(tái)。21世紀(jì)初，美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)相繼開展研究。目前，美國一家航空公司已完成20余次飛行試驗(yàn)，并在今年實(shí)現(xiàn)跨晝夜駐留飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了遠(yuǎn)距離寬帶通信和對(duì)地觀測(cè)能力。歐洲泰雷茲阿萊尼亞空間公司研制的平流層客車高空飛艇，2022年被歐盟支持為歐洲高空平臺(tái)系統(tǒng)示范項(xiàng)目，旨在提高情報(bào)、監(jiān)視和偵察等能力。

臨近空間太陽能無人機(jī)與平流層飛艇類似，依靠鋪設(shè)在機(jī)翼與機(jī)身上的太陽能電池陣吸收太陽能，白天將富余的能量傳遞給儲(chǔ)能電池進(jìn)行存儲(chǔ)，夜間通過儲(chǔ)能電池供電飛行，理論上可實(shí)現(xiàn)持續(xù)不斷長(zhǎng)時(shí)間飛行。受到能源技術(shù)的限制，太陽能無人機(jī)在能量平衡方面的挑戰(zhàn)性極大。高效氣動(dòng)設(shè)計(jì)、輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新型能源、高效能源管理等是其主要的創(chuàng)新研究方向。

雖然中低空太陽能飛機(jī)早已展開探索，但臨近空間太陽能無人機(jī)在近10年才取得實(shí)質(zhì)性突破。歐洲空客公司研發(fā)的西風(fēng)太陽能無人機(jī)已形成超過60天的持續(xù)飛行能力，能夠提供低延遲、直接到設(shè)備的4G/5G服務(wù)。日本軟銀公司正在探索采用Sunglider太陽能無人機(jī)搭載基站，實(shí)現(xiàn)高空通信。

以上幾類高空平臺(tái)雖各有利弊，但總體上都具有使用成本低、飛行高度高、駐空時(shí)間長(zhǎng)、機(jī)動(dòng)能力好的特點(diǎn)。在航空航天、新能源、人工智能等領(lǐng)域技術(shù)的助力下，這些平臺(tái)都在提速發(fā)展，具備了高空移動(dòng)通信的基礎(chǔ)。

廣闊的應(yīng)用前景和巨大的賦能潛力

隨著新型高空氣球、平流層飛艇、臨近空間太陽能無人機(jī)等技術(shù)的不斷突破，通信基站已經(jīng)可以從地面鐵塔提高到20公里以上的平流層。高空之中，其覆蓋范圍更廣、通信時(shí)延更短、更加機(jī)動(dòng)靈活，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和巨大的賦能潛力。

目前，世界上仍有大量人煙稀少的偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋和欠發(fā)達(dá)地區(qū)未實(shí)現(xiàn)通信與互聯(lián)網(wǎng)覆蓋。高空平臺(tái)通信系統(tǒng)可在不便于架設(shè)地面基站的遠(yuǎn)海島嶼、邊遠(yuǎn)地區(qū)等，從高空提供廣域、持續(xù)、穩(wěn)定的通信覆蓋，為“信息孤島”搭建信息橋梁、彌合數(shù)字鴻溝，為邊遠(yuǎn)、欠發(fā)達(dá)地區(qū)基站建設(shè)成本高、維護(hù)難等問題提供創(chuàng)新解決方案。

由于氣候變化和人類行為等因素影響，全球?yàn)?zāi)害數(shù)量快速攀升，災(zāi)害發(fā)生時(shí)通常會(huì)損毀地面通信系統(tǒng)?？焖俅罱ā巴ㄐ派€”，是搶險(xiǎn)救災(zāi)、保障生命財(cái)產(chǎn)安全的基石。高空平臺(tái)通信系統(tǒng)可快速部署、靈活機(jī)動(dòng)至事發(fā)地上空，穩(wěn)定提供不間斷、全覆蓋的通信保障，破解地面通信網(wǎng)絡(luò)難以快速打通、天基通信資源有限的難題。

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)的戰(zhàn)術(shù)通信大多數(shù)受制于視距通信，超視距通信則主要依賴于性能相對(duì)較低的短波和衛(wèi)星通信，相關(guān)裝備部署受限。因此，高空平臺(tái)被多國軍方視為戰(zhàn)場(chǎng)通信保障最有效的方案之一。近年來，美軍持續(xù)探索利用新型高空無人平臺(tái)作為通信中繼平臺(tái)，幾乎每年都在軍演中加入高空氣球在信息化作戰(zhàn)中的能力驗(yàn)證，為其構(gòu)建無縫的空中網(wǎng)絡(luò)提供相應(yīng)的通信中繼服務(wù)。

隨著信息化、智能化、無人化等領(lǐng)域科技創(chuàng)新的深化，高空平臺(tái)通信系統(tǒng)將在飛行時(shí)長(zhǎng)、載重能力、可控飛行、智能水平等方面更上一層樓。它將跨接地面移動(dòng)通信、天基移動(dòng)通信，共同組建空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，解決復(fù)雜地形與緊急任務(wù)中的“寬帶通”“遠(yuǎn)程通”“動(dòng)中通”問題，有力推動(dòng)信息化建設(shè)加速發(fā)展。（鄧小龍 楊希祥 ）

責(zé)編：姜河

一審：姜河

二審：張馬良

三審：熊佳斌

來源：解放軍報(bào)