放飛氣球，獲得高分辨率遙感影像

近日，美國平流層氣球遙感公司城市天空宣布完成A輪融資，共籌集975萬美元。該公司打算利用這筆資金擴大其商業(yè)成像業(yè)務(wù)，開發(fā)先進的平流層技術(shù)，并擴大其傳感器產(chǎn)品組合。那么，城市天空公司對其微氣球系統(tǒng)的構(gòu)想是怎樣的？與衛(wèi)星相比，氣球遙感服務(wù)有何特點？未來平流層氣球等浮空器還會有哪些用途？

想做平流層中的SpaceX

這家僅有14名員工的氣球遙感公司于2019年在美國丹佛成立，2位創(chuàng)始人曾在另一家平流層氣球公司世景工作。世景公司使用的氣球更大更貴，最早瞄準載人旅游，后逐步轉(zhuǎn)向遙感服務(wù)。城市天空公司發(fā)明了平流層微氣球，這是一種高空遙感平臺，能夠拍攝可見光和長波紅外圖像。該公司旨在利用組件小型化、氣球可重復(fù)使用性以及平流層的有利位置，來降低廣泛范圍內(nèi)獲取遙感數(shù)據(jù)的成本。

城市天空公司計劃為客戶提供分辨率為10cm的彩色圖像。該公司計劃在遙感器有效載荷質(zhì)量2.7kg以內(nèi)的限制條件下，開發(fā)分辨率更高的可見光相機和新的紅外相機，用于捕獲分辨率約10cm的高分辨率圖像和分辨率約3.5m的長波紅外數(shù)據(jù)。

除了目前提供的自然彩色光學圖像外，城市天空公司還在開發(fā)近紅外圖像和長波紅外圖像傳感器。這種傳感器被初創(chuàng)公司稱為HotSpot，作為美國宇航局資助和美國空軍支持的一部分，已經(jīng)被證明可以實時監(jiān)測野火。

目前，城市天空公司約每周放飛1個氣球，并計劃在未來把放飛頻次提高到每2～3天放飛一次。新一輪融資還將幫助該公司拓展市場，把其飛行和成像業(yè)務(wù)擴展到美國超過15個州，為美國一些主要的大都市地區(qū)拍攝非常新穎、分辨率非常高的照片，而拍攝的重點可能會放在美國中西部。該公司還將這一技術(shù)商業(yè)化用于多種應(yīng)用，包括保險分析、公用事業(yè)監(jiān)控、災(zāi)難響應(yīng)、野火監(jiān)控、環(huán)境分析以及捕捉高分辨率（小于10cm）的遙感數(shù)據(jù)。

該公司CEO安東尼奧認為，與其他平流層氣球遙感公司技術(shù)路線不同的是，城市天空公司開發(fā)的可重復(fù)使用的小型平流層氣球，是第一種可以從標準皮卡車后斗釋放的氣球，并且氣球能夠在幾分鐘內(nèi)通過最少的人員從可移動的裝位置發(fā)射。這種移動發(fā)射系統(tǒng)與先進的飛行建模軟件，以及安全、受控的下降相結(jié)合，可以將這些系統(tǒng)精確地放置在所需區(qū)域?！拔覀兊脑妇笆浅蔀槠搅鲗又械腟paceX公司”，安東尼奧補充道，他指的是SpaceX公司開發(fā)的可重復(fù)使用運載火箭給火箭發(fā)射行業(yè)帶來翻天覆地的變化。

低成本、靈活性優(yōu)勢顯著

前文提及的世景公司認為，未來氣球商業(yè)前途遠大。僅在遙感領(lǐng)域，到2027年，從能源到國家安全等領(lǐng)域，全球市場價值將達到230億美元。

與地球軌道上的遙感衛(wèi)星相比，使用平流層氣球獲取遙感圖像有著多種優(yōu)勢。2023年2月3日，世景公司宣布，公司擬從氣球旅游轉(zhuǎn)向遙感技術(shù)服務(wù)，與衛(wèi)星和航空平臺競爭，提供高分辨率圖像。經(jīng)過公司驗證，目標區(qū)域空間的分辨率可達到5～7cm。這遠高于目前大多數(shù)分辨率約30cm的遙感衛(wèi)星。

另一方面，平流層氣球的研制、使用成本和使用難度都遠低于地球軌道衛(wèi)星。遙感衛(wèi)星一般需在幾百公里的軌道上運行，而高軌遙感衛(wèi)星需要在距離地表約35000km的地球同步軌道上運行，才能保持和地球自轉(zhuǎn)周期相同。這不僅需要大量前期準備工作，使用火箭將衛(wèi)星發(fā)射到軌道上也需要極大的成本，而后續(xù)獲取和分析衛(wèi)星所拍攝的圖像也需要一定時間。

隨著技術(shù)的發(fā)展，平流層氣球的成本將逐步降低，同時也能夠更加快速、靈活地運用。

城市天空公司微氣球的重復(fù)使用和移動部署相結(jié)合，大大降低了使用成本。出于材料工程的要求，氣球必須非常輕、氣密性非常好且成本低。完成拍攝任務(wù)后，其他公司的一次性氣球通常會讓氣球彈出高空大氣，或在一側(cè)撕開一個洞來將其摧毀。而城市天空公司已經(jīng)為一種氣球終止和下降機制申請了專利，該機制能夠使氣球保持完好無損地返回并重復(fù)使用。

除了移動部署系統(tǒng)之外，該公司還開發(fā)了平流層飛行剖面模擬器，用于預(yù)測氣球的飛行路徑。軟件根據(jù)目標區(qū)域，反向預(yù)測城市天空公司需要從哪里放飛氣球。

這種可重復(fù)使用的氣球使得城市天空公司能夠?qū)?0cm分辨率的圖像成本降至5～10美元/km2。相對比而言，衛(wèi)星對地成像公司Maxar最便宜的圖像，可能在20～25美元/km2，且分辨率低得多。并且平流層氣球更加具有時效性，能夠根據(jù)客戶的需要靈活調(diào)整放飛時間和拍攝區(qū)域，也能夠更加便捷地獲取和分析所拍攝的圖像。

多個市場對城市天空公司的彩色圖像有強烈需求，包括環(huán)境監(jiān)測、財產(chǎn)保險和石油天然氣等行業(yè)。不過，公司CEO安東尼奧認為，公司獲取的圖像與商業(yè)衛(wèi)星圖像沒有直接競爭關(guān)系，也沒有什么客戶用該公司的圖像來取代衛(wèi)星圖像。該公司還在探索其小型氣球的其他用途，比如測試網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。

浮空器前景廣闊

包括氣球和飛艇在內(nèi)的浮空器，在當下仍然有著許多應(yīng)用場景。比如在氣象和科學探測、太空研究、軍事、商業(yè)活動等方面，都有著廣闊的應(yīng)用前景。

在氣象和科學探測方面，雖然現(xiàn)在已經(jīng)有探空火箭、陸基遙感、氣象衛(wèi)星等先進手段，但傳統(tǒng)的探空氣球仍然是高空氣象最主要的直接探測方式。探空氣球從地面放飛后，所攜帶的測量儀器會將不同高度周圍的溫度、濕度、氣壓等數(shù)據(jù)通過信號傳給雷達，雷達通過探空氣球的運動軌跡算出風向、風速等信息，傳送到研究人員的電腦上。據(jù)了解，探空氣球可以實現(xiàn)每秒傳回一組數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常對天氣預(yù)報、氣候預(yù)測、科學研究起著重要作用。

由中國科學院空天信息研究院自主研發(fā)的系留浮空器“極目一號”，于2022年5月中旬在珠穆朗瑪峰旁放飛，其飛行高度達到9032m，打破了浮空艇大氣科學觀測海拔高度世界紀錄?！皹O目一號”體積為2300m3，它采用流線型設(shè)計，可攜帶科學探測儀器進行垂直剖面和駐空觀測。

在商業(yè)應(yīng)用方面，除了傳統(tǒng)的旅游觀光等服務(wù)外，飛艇在貨物運輸領(lǐng)域也有著不小的市場潛力。現(xiàn)有的鐵路、公路、航空等運輸方式都依賴于大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，而飛艇作為一種重型貨物空運設(shè)備，幾乎不需要地面建設(shè)。

此外，氣球和飛艇等浮空器還有著更廣泛的用途。比如2022年12月，重慶首個搭載5G基站的系留氣球試飛成功，該系留氣球聯(lián)動天空和地面平臺，實現(xiàn)通信保障、環(huán)境監(jiān)測、應(yīng)急救援和高清云瞰4項應(yīng)急保障功能。相對于傳統(tǒng)無人機基站，浮空器駐空時間更長、能耗更低、載重更大且不產(chǎn)生噪音。

在未來，隨著技術(shù)的進步，浮空器或許還有更多、更廣泛的用途，為其應(yīng)用的領(lǐng)域帶來新的可能。

文章來源：中國航天報