馬洪忠，中國(guó)航天科工飛航技術(shù)研究院無人機(jī)技術(shù)研究所，研究員，研究方向?yàn)轱w行器控制、總體設(shè)計(jì)；
李慶（通信作者），中國(guó)航天科工飛航技術(shù)研究院無人機(jī)技術(shù)研究所，工程師，研究方向?yàn)轱w行器總體設(shè)計(jì)。
基于太陽(yáng)能無人機(jī)的臨近空間通信系統(tǒng)是指利用太陽(yáng)能無人機(jī)等可在臨近空間實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間飛行的平臺(tái)提供通信服務(wù)的系統(tǒng)，是介于目前已有地面通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間的一個(gè)新型通信系統(tǒng)，可用于開發(fā)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(tǒng)設(shè)備成本和復(fù)雜性?；谂R近空間飛行器的互聯(lián)網(wǎng)（HAPS）是“一種具有遠(yuǎn)大應(yīng)用前景、可以顛覆電信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新技術(shù)”，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）將其定義為“彌補(bǔ)信息覆蓋縫隙”的新技術(shù)的一種，認(rèn)為“它是下一代無線通信的基礎(chǔ)并且具有能夠充分利用無線頻譜資源、系統(tǒng)用戶容量大、通信質(zhì)量好、運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)小等特點(diǎn)，并可以隨時(shí)進(jìn)行通信載荷的升級(jí)”。
美國(guó)Google公司和Facebook公司均通過收購(gòu)公司項(xiàng)目的形式，投入巨資開展了空基互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究和技術(shù)驗(yàn)證，目前兩家公司均已開展了樣機(jī)飛行。其中，Google公司除了被公眾熟知的利用高空氣球?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)接入的“潛鳥計(jì)劃”（Project Loon，也稱“熱氣球網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃”）外，為實(shí)現(xiàn)更大的通信速率和更加靈活的使用模式，發(fā)展了“索拉拉”（Solara）系列太陽(yáng)能無人機(jī)，采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(guó)新墨西哥州進(jìn)行了試飛。
圖1 Solara50
Facebook公司從2013年開始推行Internet.org項(xiàng)目，以期加強(qiáng)偏遠(yuǎn)地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，實(shí)現(xiàn)全球三分之二高速互聯(lián)網(wǎng)接入的無線覆蓋率。其空中網(wǎng)絡(luò)基站計(jì)劃研制了“天鷹座”（Aquila）太陽(yáng)能無人機(jī)，旨在以激光通信實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，提供“千兆級(jí)”通信速率。該無人機(jī)采用大展弦比飛翼布局，翼展43 m，起飛重量400~454kg，航時(shí)90天（設(shè)計(jì)值），外形如圖2所示。該無人機(jī)于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(cè)試。2017年11月，F(xiàn)acebook公司宣布將基于天鷹座無人機(jī)與空客公司進(jìn)行合作開展臨近空間通信系統(tǒng)項(xiàng)目，以此推動(dòng)HAPS從概念走向現(xiàn)實(shí)，并與國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）就通信所需的寬波段頻譜支持達(dá)成初步意向。
圖2 Aquila
此外，國(guó)外還研發(fā)了多型有望應(yīng)用于應(yīng)急通信領(lǐng)域的臨近空間太陽(yáng)能無人機(jī)，如“太陽(yáng)神”系列太陽(yáng)能無人機(jī)、“禿鷹（Vulture）”研究計(jì)劃、“西風(fēng)”系列太陽(yáng)能無人機(jī)等。中國(guó)航天科工集團(tuán)、中國(guó)航天科技集團(tuán)、西北工業(yè)大學(xué)等單位研發(fā)的太陽(yáng)能無人機(jī)平臺(tái)也取得了重要進(jìn)展。
本文基于太陽(yáng)能無人機(jī)的臨近空間通信系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，對(duì)典型的應(yīng)用場(chǎng)景及涉及的關(guān)鍵技術(shù)和潛在的效益進(jìn)行分析。
太陽(yáng)能無人機(jī)在通信體系中的定位
臨近空間通信系統(tǒng)特點(diǎn)
太陽(yáng)能無人機(jī)續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、飛行高度高等能力優(yōu)勢(shì)，不但具備傳統(tǒng)航空、航天飛行器的諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備自身獨(dú)特的能力優(yōu)勢(shì)，一定程度上具有“準(zhǔn)衛(wèi)星”應(yīng)用特征。當(dāng)其搭載通信載荷開展應(yīng)用時(shí)，具有以下三大優(yōu)勢(shì)：
1）作業(yè)效率高。憑借太陽(yáng)能無人機(jī)平臺(tái)的超長(zhǎng)續(xù)航能力，單機(jī)單次執(zhí)行任務(wù)可實(shí)現(xiàn)“周”級(jí)以上任務(wù)航時(shí)；憑借其超高飛行高度，對(duì)下可實(shí)現(xiàn)更廣的區(qū)域覆蓋，從而可完成大面積目標(biāo)區(qū)域通信保障工作。
2）綜合效費(fèi)比高。太陽(yáng)能無人機(jī)平臺(tái)成本在千萬(wàn)量級(jí)，相比于衛(wèi)星，不需要通過數(shù)億元的火箭發(fā)射，具有成本優(yōu)勢(shì)，且可多次重復(fù)使用，可返回地面升級(jí)；相比于其他油動(dòng)無人機(jī)，太陽(yáng)能無人機(jī)沒有燃油消耗，以上因素使得太陽(yáng)能無人機(jī)具有很高的綜合效費(fèi)比。
3）使用維護(hù)便捷?；谀壳皣?guó)內(nèi)外在輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、高效能源動(dòng)力系統(tǒng)、總體優(yōu)化等領(lǐng)域的技術(shù)突破，采用硬式機(jī)翼技術(shù)路線的太陽(yáng)能無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)翼展的有效控制，普通小型通航機(jī)場(chǎng)即可滿足起降需求；同時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速的展開部署與撤收，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)急場(chǎng)景的快速響應(yīng)；能夠有效應(yīng)對(duì)對(duì)流層復(fù)雜紊流環(huán)境，飛行安全性高。
系統(tǒng)能力優(yōu)勢(shì)
國(guó)內(nèi)目前已有通信手段包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面蜂窩通信系統(tǒng)，地基鐵塔主要用于平原城市等人口密集地區(qū)通信，天基衛(wèi)星主要保障高價(jià)值窄帶通信，臨近空間太陽(yáng)能無人機(jī)可利用其機(jī)動(dòng)性好、使用維護(hù)效費(fèi)比高、系統(tǒng)升級(jí)簡(jiǎn)易等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，用于偏遠(yuǎn)地區(qū)通信補(bǔ)盲、災(zāi)區(qū)應(yīng)急通信、遠(yuǎn)程通信、人口密集地區(qū)的通信備份和增強(qiáng)等，與以上2種手段形成有效互補(bǔ)。
基于太陽(yáng)能無人機(jī)的臨近空間通信系統(tǒng)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，第一，與地面終端距離更近，處于臨近空間的無人機(jī)與地球同步衛(wèi)星相比，自由空間衰減減少65 dB，通信保障速率較衛(wèi)星有數(shù)量級(jí)的提升；可有效降低通信時(shí)延，提升通信質(zhì)量，更有利于遠(yuǎn)程語(yǔ)音通信；也更有利于實(shí)現(xiàn)通信終端的小型化、寬帶化和低成本；第二，不受衛(wèi)星嚴(yán)格的發(fā)射窗口要求，可根據(jù)使用需求，快速反應(yīng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急補(bǔ)網(wǎng)；第三，制造及發(fā)射成本相對(duì)較低，其制造成本遠(yuǎn)低于價(jià)值達(dá)數(shù)億元的衛(wèi)星，其使用運(yùn)行費(fèi)用低廉，綜合效費(fèi)比高；第四，可根據(jù)使用或維護(hù)需求，快速返回地面更換有效載荷。
基于太陽(yáng)能無人機(jī)的臨近空間通信系統(tǒng)與地面蜂窩通信系統(tǒng)相比，第一，具有更廣的覆蓋范圍，并可有效覆蓋偏遠(yuǎn)山區(qū)、小型島礁等難以架設(shè)地面基站的地區(qū)；第二，更強(qiáng)的任務(wù)適應(yīng)性，可在遭受重大災(zāi)害時(shí)，快速應(yīng)急恢復(fù)災(zāi)區(qū)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(shí)現(xiàn)任務(wù)設(shè)備的小型化。
基于太陽(yáng)能無人機(jī)的臨近空間通信系統(tǒng)可與目前已有的衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面通信系統(tǒng)綜合組網(wǎng)，并可在某些情況下應(yīng)急替代地面、衛(wèi)星通信系統(tǒng)功能，因此臨近空間通信系統(tǒng)是空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)體系中重要組成部分，與地面、衛(wèi)星通信系統(tǒng)可形成有效的補(bǔ)充和增強(qiáng)作用，未來可與衛(wèi)星、地面通信系統(tǒng)共同構(gòu)建“全域多維、立體覆蓋”的天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)。
應(yīng)用方向
基于太陽(yáng)能無人機(jī)的臨近空間通信系統(tǒng)根據(jù)其自身應(yīng)用特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)、補(bǔ)盲、應(yīng)急、遠(yuǎn)程中繼等4類應(yīng)用模式?？沙休d語(yǔ)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(wù)增強(qiáng)，隨著無人機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展，基于臨近空間太陽(yáng)能無人機(jī)的臨近空間通信系統(tǒng)能夠提供更高的通信速率（可達(dá)到1 Gbit/s）?？筛鶕?jù)實(shí)際場(chǎng)景需求，提供局部地區(qū)臨時(shí)通信增強(qiáng)能力，解決大型活動(dòng)、體育賽事等短時(shí)間內(nèi)局部區(qū)域通信容量需求增強(qiáng)問題。
第二，作為偏遠(yuǎn)地區(qū)通信補(bǔ)盲，偏遠(yuǎn)地區(qū)及海島不便于架設(shè)地面基站，同時(shí)地面通信的使用維護(hù)成本過高?；谂R近空間太陽(yáng)能無人機(jī)的臨近空間通信系統(tǒng)利用其機(jī)動(dòng)部署的特點(diǎn)，能夠?yàn)檫h(yuǎn)海島嶼（礁）、邊遠(yuǎn)地區(qū)等提供局部通信。例如，可通過約20架臨近空間太陽(yáng)能無人機(jī)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)南海全域覆蓋，解決中國(guó)南海部分島礁無法架設(shè)基站、通信存在盲區(qū)的問題。
第三，作為應(yīng)急通信，在地震等災(zāi)害導(dǎo)致地區(qū)通信設(shè)施受到損毀的條件下，多機(jī)升空組網(wǎng)，在災(zāi)害發(fā)生后數(shù)小時(shí)內(nèi)快速恢復(fù)通信能力，并可提供“周級(jí)”甚至更長(zhǎng)時(shí)間的不間斷應(yīng)急通信服務(wù)，為黃金72小時(shí)救援行動(dòng)提供信息保障，提高應(yīng)對(duì)災(zāi)害的能力，減少損失。
第四，作為遠(yuǎn)程中繼通信，以往中國(guó)遠(yuǎn)程中繼通信多通過銥星或海事衛(wèi)星系統(tǒng)，存在運(yùn)營(yíng)成本高、傳輸速率有限等問題，且系統(tǒng)升級(jí)困難，采用臨近空間太陽(yáng)能無人機(jī)作為遠(yuǎn)程中繼通信平臺(tái)，能夠以更低的成本實(shí)現(xiàn)更大的傳輸速率，系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)簡(jiǎn)易，從而可提供一種新型的遠(yuǎn)程語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸中繼方式。
典型應(yīng)用場(chǎng)景
面向不同的任務(wù)場(chǎng)景，應(yīng)用的形式也有所不同。既可作為一個(gè)空中“Wi-Fi”對(duì)下覆蓋，保障覆蓋范圍內(nèi)用戶的局域網(wǎng)通信，也可構(gòu)建一個(gè)前后方通信的“空中信息走廊”，保障覆蓋范圍用戶與后方的即時(shí)通信。既可自主接入現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)（公網(wǎng)），也可構(gòu)建獨(dú)立于公網(wǎng)之外的專用網(wǎng)絡(luò)（專網(wǎng)）。以下介紹了基于太陽(yáng)能無人機(jī)的臨近空間通信系統(tǒng)的3種典型應(yīng)用場(chǎng)景。
空中局域網(wǎng)
基于太陽(yáng)能無人機(jī)的空中局域網(wǎng)，是以太陽(yáng)能無人機(jī)為空基平臺(tái)，搭載機(jī)載局域網(wǎng)單元，構(gòu)建完整的空基局域網(wǎng)絡(luò)，提供信息服務(wù)。憑借太陽(yáng)能無人機(jī)飛行高度高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、滯空時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)可提供遠(yuǎn)大于地面基站的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍以及不受區(qū)域限制的“伴隨式”網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)部用戶信息互聯(lián)互通，并為用戶的IP數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視頻等業(yè)務(wù)提供接口和傳輸鏈路。在區(qū)域反恐維穩(wěn)、災(zāi)區(qū)應(yīng)急救援等場(chǎng)景下，可有效支撐實(shí)現(xiàn)前方現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部指揮調(diào)度功能。目前國(guó)內(nèi)的中國(guó)航天科工集團(tuán)正面向該類應(yīng)用方向，通過商業(yè)航天的形式開展“飛云”工程的系統(tǒng)研發(fā)工作。
基于太陽(yáng)能無人機(jī)的空中局域網(wǎng)由太陽(yáng)能無人機(jī)平臺(tái)、機(jī)載局域網(wǎng)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(jù)用戶類型分為靜中通和動(dòng)中通用戶終端。
圖3 基于太陽(yáng)能無人機(jī)的空中局域網(wǎng)系統(tǒng)組成
根據(jù)任務(wù)需求，太陽(yáng)能無人機(jī)起飛并按照預(yù)先規(guī)劃的飛行航跡飛抵任務(wù)區(qū)域，在目標(biāo)區(qū)域上方盤旋飛行。通過機(jī)載局域網(wǎng)單元對(duì)下形成局域網(wǎng)覆蓋，為覆蓋范圍內(nèi)的地面用戶提供局域網(wǎng)接入服務(wù)，覆蓋范圍內(nèi)用戶之間可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部通信及數(shù)據(jù)交互。指揮控制單元通過測(cè)控鏈路對(duì)無人機(jī)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃及實(shí)時(shí)監(jiān)控。根據(jù)實(shí)際任務(wù)情況，無人機(jī)平臺(tái)可對(duì)地/海面用戶進(jìn)行“伴隨式”保障。系統(tǒng)使用模式如圖4所示。
圖4 基于太陽(yáng)能無人機(jī)的空中局域網(wǎng)應(yīng)用示意
海上應(yīng)急通信
利用太陽(yáng)能無人機(jī)的高空飛行能力以及超長(zhǎng)滯空時(shí)間，可形成海上方向的應(yīng)急通信手段，為覆蓋范圍內(nèi)的沿岸受災(zāi)地區(qū)、值守島礁、海上鉆井平臺(tái)、出海漁船等一定范圍內(nèi)手機(jī)用戶提供前后方之間語(yǔ)音通話等應(yīng)急通信保障服務(wù)，便于后方實(shí)時(shí)掌握前方情況，組織救援等行動(dòng)開展。
系統(tǒng)由太陽(yáng)能無人機(jī)平臺(tái)分系統(tǒng)、機(jī)載通信載荷分系統(tǒng)、地面通信載荷分系統(tǒng)、機(jī)載指揮控制分系統(tǒng)、地面指揮控制分系統(tǒng)、地面支援保障分系統(tǒng)組成。系統(tǒng)包含視距通信無人機(jī)和衛(wèi)星通信無人機(jī)兩架無人機(jī)，根據(jù)不同任務(wù)場(chǎng)景需求，配置有不同載荷（表1），實(shí)現(xiàn)近/遠(yuǎn)海廣域通信覆蓋。
表1 無人機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景及載荷配置情況
當(dāng)任務(wù)區(qū)域處于視距數(shù)據(jù)終端測(cè)控范圍內(nèi)時(shí)，采用視距通信無人機(jī)進(jìn)行業(yè)務(wù)保障，利用無人機(jī)搭載LTE通信基站對(duì)下形成區(qū)域覆蓋，并通過視距微波鏈路實(shí)現(xiàn)前后方語(yǔ)音、短信、上網(wǎng)等信息交互，可保障覆蓋范圍內(nèi)400個(gè)用戶同時(shí)在線使用。此外，無人機(jī)還可利用搭載的船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）信號(hào)接收機(jī)或呼救（SOS）信號(hào)接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)覆蓋范圍內(nèi)的船只AIS信號(hào)接收或SOS信號(hào)接收。當(dāng)任務(wù)區(qū)域處于視距數(shù)據(jù)終端測(cè)控范圍外時(shí)，采用衛(wèi)星通信無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)，通過衛(wèi)星通信鏈路實(shí)現(xiàn)前后方語(yǔ)音、短信、上網(wǎng)等信息交互。系統(tǒng)使用模式如圖5所示。
圖5 太陽(yáng)能無人機(jī)海洋應(yīng)急通信保障應(yīng)用示意
偏遠(yuǎn)地區(qū)網(wǎng)絡(luò)接入
針對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)不便于架設(shè)地面基站，以及用戶較為分散的實(shí)際情況，利用太陽(yáng)能無人機(jī)續(xù)航能力強(qiáng)、覆蓋范圍大、使用維護(hù)便捷、可實(shí)現(xiàn)快速系統(tǒng)升級(jí)等能力優(yōu)勢(shì)，執(zhí)行偏遠(yuǎn)地區(qū)網(wǎng)絡(luò)接入保障任務(wù)，滿足相關(guān)地區(qū)人員與外界通信交流需求。
基于太陽(yáng)能無人機(jī)的空基互聯(lián)通訊系統(tǒng)主要包括無人機(jī)機(jī)群組成的空中互聯(lián)通信平臺(tái)、無人機(jī)控制/通信地球站（網(wǎng)關(guān)）、微基站、固定終端、移動(dòng)終端等，具體拓?fù)潢P(guān)系如圖6所示。
圖6 系統(tǒng)組成及信息傳輸拓?fù)?/p>
太陽(yáng)能無人機(jī)作為空中互聯(lián)通信平臺(tái)，每架無人機(jī)配置一副多波束天線，天線在其所覆蓋范圍內(nèi)能發(fā)射多個(gè)點(diǎn)波束，每個(gè)波束實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)蜂窩小區(qū)的覆蓋，無人機(jī)平臺(tái)即相當(dāng)于城市移動(dòng)通信中的空中蜂窩基站。
無人機(jī)控制/通信地球站通過與無人機(jī)之間的雙向通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的控制，以及無人機(jī)覆蓋區(qū)域用戶信息與地面通信網(wǎng)絡(luò)之間的無縫接入。無人機(jī)控制/通信地球站具備同時(shí)接入和控制多架無人機(jī)的能力。多架無人機(jī)直接或間接實(shí)現(xiàn)相互連通，構(gòu)建空中互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，無法直接接入控制/通信地球站的無人機(jī)可經(jīng)由其他無人機(jī)中繼間接接入地球站。微基站主要用于手機(jī)、筆記本電腦等較微弱信號(hào)用戶與無人機(jī)通信的中繼，通過一個(gè)或多個(gè)微基站實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)蜂窩小區(qū)的覆蓋，實(shí)現(xiàn)該小區(qū)中用戶的無線通信接入功能。固定終端或移動(dòng)（車載）終端主要是針對(duì)一些特定無微基站覆蓋的應(yīng)用場(chǎng)景，用戶通過在家中或車上安裝一個(gè)專門的信號(hào)增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)器，經(jīng)由轉(zhuǎn)發(fā)器的中繼實(shí)現(xiàn)用戶的無線通信接入。
整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，各空間太陽(yáng)能無人機(jī)按照計(jì)劃依次定期返航進(jìn)行維護(hù)，確保整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行。
關(guān)鍵技術(shù)分析
基于太陽(yáng)能無人機(jī)提供通信保障服務(wù)是一種嶄新的應(yīng)用模式，其中涉及的無人機(jī)平臺(tái)、通信載荷及其應(yīng)用方面均存在一些技術(shù)難點(diǎn)有待攻關(guān)。以下對(duì)系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。
高效能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)
高效的能源系統(tǒng)是太陽(yáng)能無人機(jī)實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)任務(wù)航時(shí)的關(guān)鍵支撐，具體包括高轉(zhuǎn)化效率的太陽(yáng)能電池、高能重比儲(chǔ)能電池以及高效能源管理系統(tǒng)等。
太陽(yáng)能電池方面，目前傳統(tǒng)單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率偏低，組陣后轉(zhuǎn)化效率為20%~23%，受材料特性影響，后續(xù)進(jìn)一步提升空間有限；轉(zhuǎn)化效率可達(dá)30%以上的砷化鎵太陽(yáng)能電池受目前工藝、設(shè)備等因素影響，價(jià)格在50萬(wàn)/km2以上，過高的價(jià)格導(dǎo)致其難以大規(guī)模應(yīng)用。需針對(duì)襯底復(fù)用等技術(shù)開展攻關(guān)，以進(jìn)一步降低成本，并提升太陽(yáng)能電池效率。此外，為滿足機(jī)翼曲面敷設(shè)以及臨近空間環(huán)境適應(yīng)性需求，需開展太陽(yáng)能電池封裝及敷設(shè)技術(shù)研究，嚴(yán)格控制由封裝、敷設(shè)帶來的質(zhì)量增加，同時(shí)使太陽(yáng)能電池具備良好的柔性，并具備耐高/低溫變化、耐輻射、耐臭氧腐蝕、高可靠性等特點(diǎn)。
儲(chǔ)能電池方面，儲(chǔ)能電池組質(zhì)量可占太陽(yáng)能無人機(jī)總重的20%~50%，提高儲(chǔ)能電池的能量密度可有效提升太陽(yáng)能無人機(jī)整體性能，增加夜間飛行高度和任務(wù)載荷能力。傳統(tǒng)鋰電池組的能重比在200~230（W·h）/kg，目前正在針對(duì)具有更高能重比的新型鋰電池、鋰硫電池、固態(tài)電池等開展技術(shù)攻關(guān)，重點(diǎn)解決充放電循環(huán)次數(shù)、電池衰減性能、放電倍率等方面的問題。此外，儲(chǔ)能電池對(duì)環(huán)境溫度要求較為苛刻，儲(chǔ)能電池組在臨近空間低溫低氣壓環(huán)境下的環(huán)境控制問題也是一個(gè)重要技術(shù)難點(diǎn)，需綜合采用“被動(dòng)+主動(dòng)”環(huán)境控制措施滿足環(huán)控需求。
能量管理系統(tǒng)方面，通過最大功率點(diǎn)跟蹤器（MPPT）可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池能量采集的最優(yōu)控制，需進(jìn)一步針對(duì)變功率跟蹤技術(shù)進(jìn)行深入研究，并提高基礎(chǔ)元器件性能水平，降低器件損耗。利用儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)能源的存儲(chǔ)和使用進(jìn)行精細(xì)化管理，對(duì)電池的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保護(hù)，并重點(diǎn)針對(duì)能量均衡技術(shù)、剩余電量（SOC）高精度指示技術(shù)等開展技術(shù)攻關(guān)。通過提高能源管理技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)能源的精打細(xì)算，進(jìn)一步支撐無人機(jī)總體性能提升。
太陽(yáng)能無人機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)
太陽(yáng)能無人機(jī)基于在低雷諾數(shù)高升阻比氣動(dòng)設(shè)計(jì)、大型輕質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造、跨大空域高效螺旋槳設(shè)計(jì)等領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)成果，采用硬式機(jī)翼技術(shù)路線，通過總體優(yōu)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)總體性能和使用維護(hù)性之間的平衡，滿足相關(guān)任務(wù)需求。
在低雷諾數(shù)高升阻比氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面，太陽(yáng)能無人機(jī)典型雷諾數(shù)在數(shù)十萬(wàn)量級(jí)，流動(dòng)分離、轉(zhuǎn)捩、流動(dòng)再附等現(xiàn)象復(fù)雜，目前數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果存在較大偏差且計(jì)算不易收斂，在可容納試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?、風(fēng)洞湍流度等方面，國(guó)內(nèi)目前已有的大型風(fēng)洞距離該類無人機(jī)試驗(yàn)需求尚有一定差距。后續(xù)需綜合采用數(shù)值模擬、工程估算、部件級(jí)風(fēng)洞試驗(yàn)、外場(chǎng)試飛等多種手段，提高該類大展弦比低速無人機(jī)的低雷諾數(shù)氣動(dòng)設(shè)計(jì)及評(píng)估能力。
在大型輕質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造方面，設(shè)計(jì)中需要平衡結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化和剛度/強(qiáng)度要求之間的關(guān)系，制造中需要有效控制樹脂含量并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)制造的低成本化，通過盡可能降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù)以增加任務(wù)載荷能力。因此可通過選用在航空領(lǐng)域應(yīng)用日趨成熟的高強(qiáng)碳纖維預(yù)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，并大幅降低復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成本，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能和成本的兼顧。
在跨大空域高效螺旋槳設(shè)計(jì)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(qiáng)約為海平面處的1/18，高低空差別巨大的飛行工況對(duì)于螺旋槳的設(shè)計(jì)要求截然不同，其中臨近空間低雷諾數(shù)條件對(duì)螺旋槳?dú)鈩?dòng)設(shè)計(jì)更是提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，需考慮采用變槳距等手段，面向全程優(yōu)化飛行目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
基于太陽(yáng)能無人機(jī)平臺(tái)的信息服務(wù)技術(shù)
基于太陽(yáng)能無人機(jī)平臺(tái)開展通信類信息服務(wù)，為了實(shí)現(xiàn)高速率、大容量、廣覆蓋等特點(diǎn)，滿足各種復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的需求，仍需突破抗多普勒頻偏設(shè)計(jì)、多用戶資源調(diào)度、設(shè)備臨近空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。
在抗多普勒頻偏設(shè)計(jì)方面，當(dāng)太陽(yáng)能無人機(jī)平臺(tái)相對(duì)地（海）面用戶有較快移動(dòng)，尤其是發(fā)生徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒效應(yīng)將會(huì)對(duì)通信質(zhì)量造成影響。需要通過通信波形設(shè)計(jì)，物理層頻偏校正算法等，解決由無人機(jī)飛行速度引發(fā)的多普勒頻偏等通信問題。
在多用戶資源調(diào)度方面，隨著空中通信系統(tǒng)覆蓋范圍增大，用戶接入數(shù)量和系統(tǒng)服務(wù)能力需求持續(xù)增加，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了較高要求。需采用子載波分配、功率控制、自適應(yīng)調(diào)制編碼等技術(shù)設(shè)計(jì)合理高效的多址接入信道（MAC）資源調(diào)度，實(shí)現(xiàn)信道資源利用的最大化，為系統(tǒng)服務(wù)提供最優(yōu)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障。
在設(shè)備臨近空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方面，臨近空間強(qiáng)輻照、高臭氧、高低溫交變，低氣壓等復(fù)雜飛行環(huán)境對(duì)信息服務(wù)系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間可靠工作提出了挑戰(zhàn)，并且由于太陽(yáng)能無人機(jī)對(duì)質(zhì)量、功耗指標(biāo)敏感，需要基于現(xiàn)有鏈路和通信載荷設(shè)備開展環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、輕量化設(shè)計(jì)和低功耗設(shè)計(jì)，最終適應(yīng)平臺(tái)系統(tǒng)的使用需求。
效益分析
基于太陽(yáng)能無人機(jī)的臨近空間通信系統(tǒng)可在應(yīng)急通信等領(lǐng)域發(fā)揮重大作用，社會(huì)效益顯著。還可向公眾及企事業(yè)單位提供廣泛的通信服務(wù)，形成對(duì)現(xiàn)有通信基礎(chǔ)設(shè)施體系的有益補(bǔ)充。并能夠有效帶動(dòng)與其相關(guān)聯(lián)的上下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
社會(huì)效益巨大
在地震、泥石流等重大自然災(zāi)害中，通過臨近空間太陽(yáng)能無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)，構(gòu)建應(yīng)急信息保障體系，短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)災(zāi)區(qū)通信能力，能夠滿足了解災(zāi)區(qū)實(shí)時(shí)情況和救援的需求，防止恐慌情緒和不實(shí)信息擴(kuò)散，便于救援工作策劃和開展。
在南海島礁、青藏高原山區(qū)等偏遠(yuǎn)地區(qū)布設(shè)基于太陽(yáng)能無人機(jī)的臨近空間通信系統(tǒng)，可填補(bǔ)相關(guān)通信覆蓋空白，為及時(shí)了解當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)情況，開展防止非法越界、保衛(wèi)邊疆、宣示主權(quán)等相關(guān)工作提供信息支撐。
在大型體育賽事、集會(huì)等活動(dòng)中，基于太陽(yáng)能無人機(jī)的臨近空間通信系統(tǒng)可有效滿足活動(dòng)開展期間的通信保障需求，解決因人群聚集導(dǎo)致的區(qū)域內(nèi)通信流量激增、通信質(zhì)量下降問題。
具有潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值
基于太陽(yáng)能無人機(jī)的臨近空間通信系統(tǒng)在投資運(yùn)營(yíng)方面的主要優(yōu)勢(shì)包括：
1）建設(shè)周期短、可快速形成能力。系統(tǒng)中單架太陽(yáng)能無人機(jī)配合相應(yīng)的地面設(shè)備即可獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)。后續(xù)可通過在運(yùn)營(yíng)過程中的“自發(fā)造血”形成滾動(dòng)發(fā)展，從而根據(jù)實(shí)際用戶需求擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模。
2）初期投資成本小、收益見效快。單架無人機(jī)價(jià)值在1000萬(wàn)左右，初期投入千萬(wàn)量級(jí)的資金即可開展系統(tǒng)的初步建設(shè)運(yùn)營(yíng)。單機(jī)投入運(yùn)營(yíng)后便可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。
3）場(chǎng)景適應(yīng)性強(qiáng)、服務(wù)內(nèi)容廣泛。系統(tǒng)可基于無人機(jī)的快速到達(dá)、靈活部署能力，實(shí)現(xiàn)用戶需求快速響應(yīng)，滿足受災(zāi)地區(qū)、遠(yuǎn)海、山區(qū)、沙漠、人群聚集區(qū)域等各類特殊任務(wù)場(chǎng)景需求。提供互聯(lián)網(wǎng)接入、語(yǔ)音通信、AIS信號(hào)接收、SOS信號(hào)接收等各類服務(wù)。
在商業(yè)模式上，可通過出售全系統(tǒng)產(chǎn)品、提供信息服務(wù)、與運(yùn)營(yíng)商聯(lián)合運(yùn)營(yíng)等多種方式實(shí)現(xiàn)盈利，并可與“一帶一路”沿線國(guó)家（尚未建設(shè)有完備的通信基礎(chǔ)設(shè)施）開展合作，構(gòu)建空中信息走廊，在創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也具有顯著的戰(zhàn)略價(jià)值。
有力帶動(dòng)上下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展
基于太陽(yáng)能無人機(jī)的臨近空間通信系統(tǒng)建設(shè)，一方面可牽引臨近空間太陽(yáng)能無人機(jī)平臺(tái)發(fā)展，另一方面牽引通信終端研發(fā)行業(yè)發(fā)展，促進(jìn)通信載荷小型化，進(jìn)而降低對(duì)衛(wèi)星、地面通信系統(tǒng)的載荷能力需求或在同等載荷能力下實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的通信功能。
基于太陽(yáng)能無人機(jī)的臨近空間通信系統(tǒng)的加入以及空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建將提供更多樣化的通信及互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，有效降低系統(tǒng)成本，便于推廣普及并帶動(dòng)整個(gè)通信服務(wù)行業(yè)的發(fā)展。
結(jié) 論
臨近空間太陽(yáng)能無人機(jī)憑借自身的超長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間、大范圍對(duì)地/海面覆蓋能力、快速反應(yīng)能力和高性價(jià)比，有望成為一種高效、便捷的新型通信平臺(tái)，能夠良好適應(yīng)海上應(yīng)急通信、突發(fā)自然災(zāi)害救援等應(yīng)急通信任務(wù)場(chǎng)景。可以預(yù)見，隨著太陽(yáng)能無人機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，基于太陽(yáng)能無人機(jī)的臨近空間應(yīng)急通信系統(tǒng)將在不久的將來實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，創(chuàng)造社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。建議后續(xù)針對(duì)該系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)涉及的空域管理、頻段申請(qǐng)、牌照資質(zhì)等開展相關(guān)研究，提供相關(guān)政策保障。
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