“Google Loon”高空超壓氣球網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述

陳聲麒，周 萌

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 浮空平臺(tái)部，安徽 合肥 230088)

“Google Loon”高空超壓氣球網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述

陳聲麒，周 萌

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 浮空平臺(tái)部，安徽 合肥 230088)

Google公司推出的“Google Loon”氣球網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目，用漂浮的高空氣球作為通訊中繼實(shí)現(xiàn)地面互聯(lián)網(wǎng)的覆蓋。重點(diǎn)介紹了基于高空超壓氣球的氣球網(wǎng)絡(luò)原理、Loon超壓氣球組成結(jié)構(gòu)及各組成部分的作用及性能，分析了“Google Loon”高空超壓氣球的軌跡控制、高度調(diào)節(jié)、充氣及發(fā)射等關(guān)鍵技術(shù)。最后，對(duì)Loon項(xiàng)目的試驗(yàn)歷程和商業(yè)推廣情況進(jìn)行了回顧，并對(duì)未來(lái)工作計(jì)劃進(jìn)行了展望。

“Google Loon”項(xiàng)目；互聯(lián)網(wǎng)通信；高空超壓氣球

0 引言

盡管互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)廣泛普及并融入了人們的生活，由于地形復(fù)雜等因素，世界上仍有三分之二的人無(wú)法使用互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。有鑒于此，Google公司于2013年6月正式對(duì)外公布了高空氣球網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，旨在使用大量的高空超壓氣球作為網(wǎng)絡(luò)通信中繼平臺(tái)，為全球范圍內(nèi)沒(méi)有接入互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的農(nóng)村或偏遠(yuǎn)地區(qū)提供一種全新的廉價(jià)互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)[1]。經(jīng)過(guò)2014年的飛行測(cè)試和2015年的技術(shù)改進(jìn)，Loon項(xiàng)目已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展。目前，Loon團(tuán)隊(duì)已經(jīng)基本解決了超壓氣球氦氣泄露的問(wèn)題，大幅提高了氣球的續(xù)航時(shí)間，最長(zhǎng)留空時(shí)間已達(dá)到187天，平均的留空時(shí)間也已接近100天。單個(gè)氣球飛行最長(zhǎng)距離達(dá)到了113000km。此外，Loon團(tuán)隊(duì)還攻克了氣球軌跡控制、高度控制、充氣及放飛技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，技術(shù)愈發(fā)成熟。目前，已經(jīng)在斯里蘭卡等地區(qū)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)覆蓋推廣，正在加快其商業(yè)化推廣腳步①。

本文著重介紹Loon網(wǎng)絡(luò)原理，重點(diǎn)分析高空超壓氣球中繼平臺(tái)的組成以及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)情況，介紹項(xiàng)目試驗(yàn)進(jìn)展及商業(yè)推廣情況。

1 Google氣球網(wǎng)絡(luò)原理

Google Loon氣球網(wǎng)絡(luò)工作原理圖如圖1所示。Google公司將攜帶了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)收發(fā)器的氣球發(fā)射到距離地面約20km的高度，這些高空氣球便可以跟地面的基站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸。超壓氣球之間也可以相互通訊，將互聯(lián)網(wǎng)連接發(fā)送到各個(gè)氣球上。這些氣球通過(guò)地面接收裝置與地面交換數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)地面用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)連接。

Loon氣球上電子設(shè)備將實(shí)現(xiàn)對(duì)Loon氣球的控制、定位以及氣球之間的通信、氣球與地面的通信等。地面用戶(hù)則通過(guò)特殊的網(wǎng)絡(luò)天線接入Loon氣球提供的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)(見(jiàn)圖2)。

在放飛氣球的同時(shí)，Loon項(xiàng)目將在地面上建立一個(gè)基站網(wǎng)絡(luò)，基站與基站之間的距離約為100km，可以通過(guò)基站將信號(hào)發(fā)射到空中的氣球上。

2 氣球網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 氣球軌跡控制技術(shù)

基于大量的風(fēng)流信息以及復(fù)雜算法，Loon團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜的平流層環(huán)境下氣球的軌跡控制。美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局為其提供了大規(guī)模的氣象數(shù)據(jù)。團(tuán)隊(duì)已在氣球操縱的問(wèn)題上取得了重大改進(jìn)。通過(guò)數(shù)以千次的軌道模擬計(jì)算，現(xiàn)在已經(jīng)非常接近于預(yù)定目標(biāo)。在里程長(zhǎng)達(dá)9000km的飛行旅途中，氣球抵達(dá)地點(diǎn)與目標(biāo)目的地之間的距離誤差已可控制在1.5km以?xún)?nèi)，而這一點(diǎn)純粹是通過(guò)預(yù)測(cè)平流層風(fēng)向并以此為據(jù)進(jìn)行氣球?qū)Ш綄?shí)現(xiàn)的。

2.2 氣球高度控制技術(shù)

除了通過(guò)氣泵向副氣囊充入或排出空氣實(shí)現(xiàn)高度變化以外，Loon氣球還可以通過(guò)以下三種方式實(shí)現(xiàn)自身飛行高度的變化：

(1)通過(guò)太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)不斷在封膜和儲(chǔ)藏室中轉(zhuǎn)移氣體，通過(guò)排出或充入空氣改變氣球的浮力，實(shí)現(xiàn)高空超壓氣球高度的變化。

(2)氣球中的燃料電池可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣傳遞到封膜中進(jìn)而增加氣球的浮力。當(dāng)這些氫氣再返回到燃料電池箱中和氧氣反應(yīng)生成水時(shí)，氣球的高度又隨之下降了。

(3)通過(guò)在球體表明涂上黑白兩種不同材料，當(dāng)氣球需要升高時(shí)就把黑色的一面朝向太陽(yáng)，氣球中的氣體吸熱膨脹，浮力增加，實(shí)現(xiàn)高度的上升；反之，則把白色一面朝向太陽(yáng)，氣球中的氣體降溫，減小浮力以實(shí)現(xiàn)高度的下降。

對(duì)于以上三種控制途徑，第二種實(shí)現(xiàn)難度過(guò)大，也許只是Loon團(tuán)隊(duì)的一種設(shè)想。第三種途徑如何實(shí)現(xiàn)氣球朝向的變化是難點(diǎn)。

2.3 氣球充氣及發(fā)射技術(shù)

Google公司表示，他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了新的氣球充氣裝置?，F(xiàn)在，只需5分鐘時(shí)間便可做好一個(gè)氣球的升空準(zhǔn)備工作。

此外，Google開(kāi)發(fā)出了自動(dòng)發(fā)射器(又稱(chēng)“鳥(niǎo)屋”)，如圖3所示[2]。鳥(niǎo)屋是一個(gè)金屬框架，四周用帆布遮住，這樣就可以擋住外界的風(fēng)，從而讓氣球保持空中姿態(tài)，避免了以前氣球起飛時(shí)天線發(fā)生漂移的情況。在風(fēng)速小于大約24km/h(相當(dāng)于4級(jí)風(fēng)力)的情況下，地面只需4個(gè)人即可在15分鐘之內(nèi)將氣球送上天；而以往發(fā)射耗時(shí)則需要45分鐘，而且風(fēng)力不能夠大于9.6km/h(相當(dāng)于2級(jí)風(fēng)力)。對(duì)于要覆蓋一個(gè)信號(hào)盲區(qū)往往需要投放數(shù)百個(gè)超壓氣球的Google公司來(lái)說(shuō)，這種裝置極大提高了發(fā)射的效率和可靠性。

2.4 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)中繼形式

此前為了能有效提供互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)，Google公司的高空氣球需要與遠(yuǎn)至80km以外的運(yùn)營(yíng)商合作伙伴(如沃達(dá)豐、西班牙電信等)的地面站進(jìn)行直接連接來(lái)提供互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)中繼，要設(shè)立大量的地面站，效率低且價(jià)格高昂。利用氣球本身來(lái)進(jìn)行中繼，一旦某個(gè)氣球從附近的地面站獲得信號(hào)后，再?gòu)目罩邪研盘?hào)中繼給附近的氣球，這樣附近的氣球就不再?gòu)牡孛嬲緦ふ抑欣^了。通過(guò)這種辦法，一個(gè)地面站的漫游距離可以達(dá)到 400-800km，覆蓋整個(gè)西非地區(qū)只需要8個(gè)地面站。

但是這種辦法的技術(shù)挑戰(zhàn)也非常大，因?yàn)槠搅鲗由厦娴臍馇蛟谒斤L(fēng)的作用下會(huì)移動(dòng)，通訊中繼位置便發(fā)生移動(dòng)，要想找出另一個(gè)氣球的某個(gè)時(shí)間的位置和高度需要非常精確復(fù)雜的計(jì)算。此外，平流層的環(huán)境條件也非常惡劣，最低溫度可以達(dá)到零下50°，這種情況下傳統(tǒng)的金屬平衡環(huán)和電機(jī)都會(huì)發(fā)生故障或者失靈。

3 高空超壓氣球組成研究

Loon高空超壓氣球從上到下依次為：降落傘、球體、氣泵、太陽(yáng)能電池板和吊艙，其整體外形示意如圖4所示[3-4]。

高空超壓氣球各個(gè)組成部分指標(biāo)及功能描述如下：

3.1 降落傘

降落傘安裝在氣球的頂部。當(dāng)Loon氣球完成了飛行任務(wù)需要降落的時(shí)候，地面操控人員通過(guò)排出氦氣的方式減小氣球浮力。若氣球下降速度過(guò)快，降落傘包便會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，將下降速度控制在可控范圍之內(nèi)，以便氣球能夠完好回收。

3.2 球體

球體分為主氣囊和副氣囊。為了達(dá)到預(yù)期飛行時(shí)間超過(guò)100天的目的，它采用的是超壓型氣球設(shè)計(jì)，氣球球體采用了南瓜型外形設(shè)計(jì)。氣球直徑約為15m，高約12m，主氣囊內(nèi)部充著浮升氣體(氦氣)。所使用的氣球囊體采用材料強(qiáng)度非常高的聚乙烯材料，厚度約為0.076mm，氣球的超壓量可以達(dá)到800Pa，根據(jù)最新公布的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)，氣球的極限超壓量已經(jīng)突破了1200Pa。副氣囊內(nèi)充有空氣，通過(guò)氣泵排出或充入空氣，實(shí)現(xiàn)Loon氣球高度的調(diào)節(jié)。

3.3 氣泵

Loon氣球的底部安裝了高度調(diào)節(jié)裝置——?dú)獗?。氣泵向副氣囊充入空氣或者排出空氣?lái)改變氣球的浮力，從而實(shí)現(xiàn)氣球高度的下降或升高。這種浮力調(diào)節(jié)方式，可以實(shí)現(xiàn)氣球1.7km范圍的高度調(diào)節(jié)。

3.4 太陽(yáng)能電池

氣球上任務(wù)設(shè)備所有能量來(lái)源均為太陽(yáng)能電池(見(jiàn)圖5)。每個(gè)氣球上有兩塊1.5m×1.5m的電池板相對(duì)放置，便于吸收各個(gè)方向的太陽(yáng)光，即使氣球在高空中改變朝向，也不會(huì)中斷供電。太陽(yáng)能電池板采用的是輕質(zhì)高效的薄膜單晶硅材質(zhì)，光照充足時(shí)可提供100W的功率。在光照充足時(shí)，僅需4個(gè)小時(shí)就可以完成吊艙內(nèi)鋰電池的充電過(guò)程。白天光照充足時(shí)太陽(yáng)能電池不僅可以滿足球上設(shè)備能量需求，還可以將剩余能量?jī)?chǔ)存在吊艙內(nèi)的鋰電池中，以供夜間或光照不足時(shí)球上設(shè)備使用。這樣就可以保證氣球能在20km高度持續(xù)工作很多天而不需要地面給予額外的能量。

3.5 吊艙

Loon氣球的主要電子設(shè)備以及任務(wù)載荷設(shè)備都安裝在氣球最底端的吊艙內(nèi)。吊艙尺寸約為30cm×25cm×60cm，吊艙總重約為10kg。吊艙內(nèi)主要設(shè)備有：通訊設(shè)備、溫控系統(tǒng)、GPS接收機(jī)、鋰電池、測(cè)控設(shè)備、雷達(dá)角反射器、二次雷達(dá)應(yīng)答機(jī)以及主控電路。

4 Loon氣球試驗(yàn)及推廣歷程

4.1 試驗(yàn)歷程

2013年6月，Google公司在新西蘭南島克萊斯特徹奇市郊區(qū)和萊克特卡波市的坎特伯雷兩個(gè)發(fā)放點(diǎn)進(jìn)行了首次公開(kāi)飛行測(cè)試，氣球在空中的最初留空時(shí)間普遍只有幾天。此次飛行試驗(yàn)結(jié)果對(duì)Loon氣球技術(shù)的改進(jìn)和完善提供了很大的幫助。Google公司通過(guò)飛行試驗(yàn)中收集的風(fēng)力數(shù)據(jù)改善其預(yù)測(cè)模型，使預(yù)測(cè)精度達(dá)到之前的兩倍。此外，Loon氣球經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)升級(jí)，已經(jīng)從最初的留空時(shí)間只有幾天提高到100天甚至是180天以上。

為了完善和提高Loon高空超壓氣球技術(shù)，在完成了氣球升級(jí)后，團(tuán)隊(duì)又在加利福利亞的中央谷開(kāi)展了一系列的飛行試驗(yàn)，成功飛越了附近的福勒斯諾市。通過(guò)飛行，成功地獲取了城市中無(wú)線電信號(hào)噪聲對(duì)Loon氣球網(wǎng)絡(luò)傳輸能力影響的數(shù)據(jù)。由于噪聲的存在，造成Loon氣球信號(hào)的誤碼率提高，有效帶寬降低，他們采用了增加信號(hào)強(qiáng)度的措施降低噪聲對(duì)信號(hào)的干擾。

隨后，編號(hào)為IBIS-167的氣球用了22天時(shí)間完成了繞地球一周的飛行：氣球先在太平洋上繞了幾圈，然后乘著西風(fēng)飛向了智利和阿根廷，然后回到了澳大利亞和新西蘭。由于采用了改良后的氣泵以及之前的飛行測(cè)試數(shù)據(jù)，氣球能夠更快地改變自身的工作高度，保持自己的航向。

2014年6月初，在皮奧伊州首府特雷西納靠近赤道地區(qū)，Google公司在當(dāng)?shù)胤棚w了5個(gè)高空氣球。這次試驗(yàn)，在收發(fā)數(shù)據(jù)方面采用了移動(dòng)通信長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)(Long Term Evolution，LTE)，讓人們可以通過(guò)手機(jī)直接連接并訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)。通過(guò)此項(xiàng)技術(shù)，Loon氣球與地面天線建立的傳輸速率最高可達(dá)22Mbps，與手持設(shè)備建立的傳輸速率則最高可達(dá)5Mbps。而且這也是Google公司首次克服濕熱環(huán)境的影響，在赤道附近放飛Loon氣球。

4.2 商業(yè)推廣歷程

Loon項(xiàng)目商用化的能力也日漸完善。斯里蘭卡政府2016年2月初曾宣布與Google公司合作為其提供高速網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，在二者合資企業(yè)中斯里蘭卡政府將持有25%的股份。雖然斯里蘭卡不會(huì)提供任何資金支持，但會(huì)為Google Loon計(jì)劃開(kāi)放頻段。此外，還有10%股份交由島上現(xiàn)有的電話業(yè)務(wù)供應(yīng)商。該項(xiàng)目承諾會(huì)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面并提供更加便利的數(shù)據(jù)服務(wù)。這也意味著斯里蘭卡成為第一個(gè)全面覆蓋互聯(lián)網(wǎng)的國(guó)家，也成了氣球網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目首個(gè)覆蓋的國(guó)家。

目前，印尼僅有大約1/3的居民可以上網(wǎng)，在組成印尼的1.7萬(wàn)個(gè)小島間連接光纖網(wǎng)絡(luò)或者建設(shè)及維護(hù)移動(dòng)通信塔難度非常大。Google公司2016年與印尼本地的indosat、telkomsel和XL axiata三大移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商合作，在印尼開(kāi)展氣球互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目測(cè)試。通過(guò)氣球間的通信，Loon項(xiàng)目已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)最偏遠(yuǎn)地方的居民上網(wǎng)的目標(biāo)。在飛行測(cè)試中，Loon團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠使漂浮在平流層高度，相距100 km遠(yuǎn)的兩個(gè)氣球之間通過(guò)無(wú)線電傳輸數(shù)據(jù)，本土運(yùn)營(yíng)商便可以通過(guò)這種方式將他們的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供給更大范圍的用戶(hù)，而在此之前要實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難。

根據(jù)Google公司向美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)提交的文件顯示，它正在計(jì)劃在全美國(guó)測(cè)試其Project Loon項(xiàng)目。谷歌公司請(qǐng)求聯(lián)邦通信委員會(huì)批準(zhǔn)在美國(guó)50個(gè)州以及波多黎各測(cè)試基于毫米波帶寬無(wú)線頻譜的試驗(yàn)性無(wú)線電技術(shù)。Google公司表示，他們?cè)?jì)劃于2016年1月1日起開(kāi)始測(cè)試，測(cè)試期為24個(gè)月。這項(xiàng)測(cè)試計(jì)劃表明Google公司有進(jìn)一步擴(kuò)大Loon項(xiàng)目的遠(yuǎn)景規(guī)劃。

5 展望

Google氣球網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃從開(kāi)始發(fā)布至今已經(jīng)取得了一系列技術(shù)上的突破以及商業(yè)化的推廣。目前，Project Loon氣球主要分布在南半球，主要是因?yàn)槟习肭蛉丝诿芏鹊?，偏遠(yuǎn)地區(qū)多，寬帶網(wǎng)絡(luò)難以抵達(dá)，對(duì)于大氣層的管制也比較寬松。而在北半球，Project Loon則面臨著復(fù)雜的政策因素。由于氣球完全靠空氣流動(dòng)帶動(dòng)，氣球能否到達(dá)要覆蓋的地區(qū)依賴(lài)途經(jīng)國(guó)家的態(tài)度。不過(guò)Project Loon由于其受天氣影響小這一獨(dú)特優(yōu)勢(shì)仍然吸引了一些發(fā)達(dá)國(guó)家(如日本)的興趣。

Google公司本身也在積極調(diào)整策略來(lái)推進(jìn)Loon項(xiàng)目的進(jìn)展。從最初采用Wi-Fi頻段到與當(dāng)?shù)剡\(yùn)營(yíng)商合作以尋求更大商機(jī)，如此一來(lái)網(wǎng)絡(luò)不僅速度更快而且可靠性更強(qiáng)。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，這是可以提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的一個(gè)有效解決方案，因?yàn)樵诘孛娌渴鸹究倳?huì)受制于地理?xiàng)l件(尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū))，而利用這些空中的流動(dòng)基站，可以有效、低成本地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全方位覆蓋。

此外，Google公司還在開(kāi)展一項(xiàng)名為“Project Skybender”的高空計(jì)劃，以期讓太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)帶來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)連接，“Solara 50”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)如圖6所示。它主要依托毫米波技術(shù)，理論上速度可達(dá)數(shù)GB/s，是普通4G LTE的40多倍。

注釋?zhuān)?/p>

①參見(jiàn)黃宛寧、祝榕辰、張強(qiáng)輝《Project Loon——谷歌高空氣球網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃》，《浮空器研究》2014年第4期，第5-13頁(yè)。

[1] Google Company.Project Loon,Loon for All [EB/OL].(2014-10-12)[2017-02-25].http://www.google.com/loon.

[2] 卜娜.谷歌放飛“潛鳥(niǎo)”[N].中國(guó)計(jì)算機(jī)報(bào),2013-06-24(8).

[3] RAK D.Revolutionizing telecommunication:Google′s Project Loon[EB/OL].(2016-02-22)[2017-02-25].http://www.linkedin.com/pulse/revolutionizing-telecommunication-googles-project-loon-daniel-rak?trk=pulse-det-nav_art.

[4] FINCHER J.Google floats balloon-powered internet network with Project Loon[EB/OL].(2013-06-18)[2017-02-27].http://newatlas.com/google-project-loon/27955/.

[責(zé)任編輯、校對(duì)：李 琳]

Study on Google Loon High-Altitude Super Pressure Balloon Network Project

CHENSheng-Qi,ZHOUMeng

(Department of Floating Platform,No.38 Research Institute of CETC,Hefei 230088,China)

The"Google Loon"network project launched by Google employs high-altitude super pressure balloons as the communication replay platform so as to cover the earth with the Internet.The paper mainly introduces the network principle of high-altitude super pressure balloons,composition and structure of Loon super pressure balloons,and the role and performance of each component,analyzes its key technologies such as trajectory control,altitude control,inflation and launch,and finally reviews the experimental course and commercial promotion of the Loon project and also forecasts the future working plan.

"Google Loon" project;Internet communications;high-altitude super pressure balloon

2017-03-31

陳聲麒(1987-)，男，安徽池州人，博士，工程師，主要從事浮空器及無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)研究。

TN926；TN929.5

A

1008-9233(2017)03-0025-05