利用浮空氣球解決應(yīng)急救援現(xiàn)場信號覆蓋問題的應(yīng)用探索

黃煒堯 趙翊軒

摘要：本文開展了一系列實地測試工作，探索利用浮空氣球搭載通信基站解決災(zāi)害現(xiàn)場通信覆蓋難題。通過在三種典型地形條件下展開浮空氣球搭載通信基站并進(jìn)行信號覆蓋測試，對信號穩(wěn)定性、覆蓋范圍、滯空時長、浮空高度、安全性等指標(biāo)進(jìn)行評價，同時探索依托浮空氣球搭載通信基站，建立空中通信中繼搭建空地一體化網(wǎng)絡(luò)方案，以達(dá)到有效彌補現(xiàn)有災(zāi)害現(xiàn)場信號覆蓋手段的目的。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急救援；浮空氣球；通信中繼；信號覆蓋

一、引言

“大震巨災(zāi)”救援現(xiàn)場信號覆蓋一直是應(yīng)急通信工作的難點。要想解決斷電、斷路、斷網(wǎng)——“三斷”條件下災(zāi)害現(xiàn)場通信信號覆蓋問題，當(dāng)前最常用的三種手段是高點架設(shè)中繼、系留無人機搭載中繼和翼龍無人機搭載中繼[1]，但這些方式都各有短板。應(yīng)急救援力量亟須尋求一種快速靈活部署、續(xù)航時間長、安全系數(shù)高、運輸便捷、載荷大、滯空穩(wěn)定的應(yīng)急通信方案作為現(xiàn)有災(zāi)害現(xiàn)場信號覆蓋手段的有效補充。

系留氣球在海洋科考被用于應(yīng)急通信試驗系統(tǒng)，可以在船上部署，升空高度可以超過300m，載重能力超過30kg，并搭載了4G通信基站，覆蓋范圍超過2300km2。搭載的信號接收機可以接收距離超過250km，而關(guān)于其在高原、高山峽谷等復(fù)雜地形中是否適用于應(yīng)急通信的研究還是空白[2]。依據(jù)任務(wù)需要，近期四川省消防救援總隊開展了利用空飄球掛載通信基站的測試工作，探索利用浮空氣球技術(shù)的優(yōu)勢提升通信基站的滯空高度和時間，以期擴大災(zāi)害現(xiàn)場無線信號的覆蓋范圍，為下一步浮空氣球服務(wù)應(yīng)急救援提供實踐基礎(chǔ)。

二、測試準(zhǔn)備

浮空飄氣球是一種可操控高度的漂浮于空中的飛行器，主要依靠內(nèi)部充滿氦氣的氣囊（及副氣囊）提供的浮力使其懸浮，將浮空氣球及其載荷懸于空中。通過卷揚裝置，浮空氣球可以垂直起降、空中懸停，不需要有專用起降場地，具備無毒、無害、不燃、不爆特點，但飛行速度較慢且無動力，自然上升或下降速度為每秒0.5m至2m[3]。不同的氣球因體積、構(gòu)型、環(huán)境適應(yīng)性等要求的不同，其抗風(fēng)能力大相徑庭。一般而言，系留氣球體積越大，有效載荷能力和抗風(fēng)能力越強，升空高度越高，系統(tǒng)越復(fù)雜，所需配套設(shè)施越多，造價越高[4]。系留式空飄氣球?qū)儆诟】諝馇蛑械淖宇悇e，本次測試用系留氣球為小球，最大直徑5.6m，體積87m3，最大高度可達(dá)1000m。本次測試最大高度為800m，最大載重20公斤，初始充氣量為約80m3氦氣。其余設(shè)備包括卷揚機、回收機、發(fā)電機、寬（窄）帶自組網(wǎng)、濾波器及環(huán)境監(jiān)測設(shè)備。

三、測試方法

（一）場景一：平原地區(qū)

1. 基本環(huán)境

平原區(qū)域選取具有災(zāi)害典型地形的都江堰城區(qū)，海拔640m、地表風(fēng)速2m/s、溫度19～24℃。

2. 場地目的

選取平原地區(qū)測試其最大覆蓋范圍，通過在不同高度下分別對寬窄帶設(shè)備進(jìn)行測試，從而和系留無人機、翼龍無人機進(jìn)行對比，便于結(jié)果對照分析。

（二）場景二：高山峽谷地區(qū)

1. 基本環(huán)境

選取“9.5”瀘定6.8級地震災(zāi)害現(xiàn)場雅安市新民鄉(xiāng)作為自然災(zāi)害山區(qū)典型地形測試點位，海拔930米、地表風(fēng)速1.3～2.4m/s、地表溫度23℃左右。

2. 場地目的

選取高山峽谷地區(qū)，通過對300m模擬系留無人機和800m浮空氣球分別對寬窄帶設(shè)備進(jìn)行測試，從而和系留無人機進(jìn)行對比，便于檢測該系統(tǒng)在貼近實戰(zhàn)條件下的真實表現(xiàn)。

（三）場景三：高原地區(qū)

1. 基本環(huán)境

選取四川省甘孜州的高風(fēng)險地震斷裂帶、高風(fēng)險森林火險區(qū)域、地質(zhì)災(zāi)害隱患點密集區(qū)域的新都橋鎮(zhèn)地區(qū)作為測試點，海拔3460m、地表風(fēng)速1.5～2.3m/s、地表溫度10～21℃。

2. 場地目的

選在高原丘陵地區(qū)，一方面測試浮空氣球在丘陵地帶的覆蓋范圍，一方面探索浮空氣球是否能夠正常在3000m以上高海拔地區(qū)正常工作，從而得出該系統(tǒng)是否具備適應(yīng)性、安全性、可操作性結(jié)論。

四、測試結(jié)果

（一）場景一：平原地區(qū)

1. 覆蓋結(jié)果

升空800m時，圖像最大通信距離為50km，語音最大通信距離為55km；升空500m時，圖像最大通信距離為33公里，語音最大通信距離為40km；升空300m時，圖像最大通信距離為21km，語音最大通信距離為40km；升空100m時，圖像最大通信距離為9km，語音最大通信距離為17km。

2. 測試小結(jié)

本次測試系統(tǒng)展開時間為2小時，氣球升空時間為30分鐘，浮空運行時間8小時，降落時間30分鐘，氦氣回收17小時。在測試過程中，空飄球穩(wěn)定浮空，沿途圖像、語音在覆蓋范圍內(nèi)傳輸，視頻流暢，語音清晰，符合預(yù)期。信號覆蓋范圍直徑隨著氣球升空高度呈線性遞增，相比翼龍無人機萬米高空覆蓋100km、系留無人機300m覆蓋20km的數(shù)據(jù)，浮空氣球800m圖像信號最大覆蓋距離55km、語音信號最大覆蓋距離60km，在經(jīng)濟性、實用性方面具有顯著優(yōu)勢。

（二）場景二：高山峽谷地區(qū)

1. 覆蓋結(jié)果

系留無人機升空高度300m模擬測試，圖像最大通信距離為9km，語音最大通信距離為13km。浮空氣球升空800m測試，圖像最大通信距離為11km，語音最大通信距離為13.5km。

2. 測試小結(jié)

本次測試系統(tǒng)展開時間為1小時31分鐘，氣球升空時間為30分鐘，浮空運行時間6小時45分鐘，降落時間32分鐘，氦氣回收10小時。在測試過程中，空飄球穩(wěn)定浮空，沿途圖像、語音在覆蓋范圍內(nèi)傳輸，視頻流暢，語音清晰。但是，由于高山峽谷影響信號傳輸，覆蓋范圍明顯比平原地區(qū)少了很多，氣球進(jìn)一步升高或可得到解決。模擬系留無人機300m覆蓋9km的數(shù)據(jù)，浮空氣球800m覆蓋13km，對比之下有著明顯優(yōu)勢。

（三）場景三：高原地區(qū)

1. 覆蓋結(jié)果

升空高度800米，分別從東、西、南、北四個方向測試覆蓋情況：

（1）東向覆蓋情況，圖像最大通信距離為16km，語音最大通信距離為23km；

（2）西向覆蓋情況，圖像最大通信距離為13km，語音最大通信距離為20km；

（3）南向覆蓋情況，圖像最大通信距離為7km，語音最大通信距離為12km；

（4）北向覆蓋情況，圖像最大通信距離為8km，語音最大通信距離為13km。

2. 測試小結(jié)

本次測試系統(tǒng)展開時間為1小時，氣球升空時間為32分鐘，浮空運行時間7小時15分鐘，降落時間34分鐘，氦氣回收12小時。在測試過程中，空飄球穩(wěn)定浮空，沿途圖像、語音在覆蓋范圍內(nèi)傳輸，視頻流暢，語音清晰，符合預(yù)期。本次測試首次實踐了空飄氣球在海拔3400m以上仍然能夠正常工作，并且總結(jié)了前兩次展開速度慢的原因，探索了一系列方法節(jié)約展開時間，使空飄氣球在應(yīng)急通信中發(fā)揮作用成為可能。

五、測試結(jié)論

（一）浮空氣球搭載通信基站優(yōu)勢

1.信號覆蓋范圍廣且穩(wěn)定

相較翼龍無人機動輒萬米高空的高度，不易影響其他飛行器的航線，平原地帶升空800m即可覆蓋半徑55km的范圍，位置基本恒定使得信號更加穩(wěn)定。

2.續(xù)航時間長

浮空氣球使用鋁膜內(nèi)膽，連續(xù)滯空時間可達(dá)數(shù)月，且不需要供電和人工維護(hù)。

3.成本較低

一套空飄球裝置（含定制氣球、氣瓶、卷揚機、發(fā)電機）成本約30萬至60萬，相對于系留無人機（300米級的上百萬）和翼龍無人機而言成本較低。

4.操作簡單

空飄球裝置操作簡單，后期經(jīng)過優(yōu)化2人即可操作，并且維護(hù)消耗成本較低，不需要專門的起落機場，僅需100m2左右四周無遮擋場地即可升空。

（二）浮空氣球搭載通信基站不足

1.安全隱患因素較多

救援現(xiàn)場無法像無人機一樣快速下降，可能會影響其他飛行器和救援直升機的航線；風(fēng)速會影響氣球偏移的角度，經(jīng)測試該氣球只能在地面三級以下風(fēng)的環(huán)境中起飛（風(fēng)速不高于4m/s）；溫度和光照會影響氣球內(nèi)外壓強變化，每次飛行前需要平衡內(nèi)外溫度壓強。

2.展開回收時間長

本次測試由于各種設(shè)備多且需要現(xiàn)場組裝，展開時間超過2小時；氦氣回收機功率低，回收氦氣時間需要十幾個小時以上。

3.配套設(shè)備多運輸不便

整個浮空氣球通信系統(tǒng)多達(dá)十五個模塊，體積大、質(zhì)量重，總重量超過2噸，對于運輸或者設(shè)計集成化專業(yè)車輛有著非常大的困難。

4.搭載設(shè)備易造成干擾

掛載設(shè)備需做平衡處理，寬窄帶設(shè)備因功率疊加、倍頻等因素會導(dǎo)致信號互相沖，影響通信質(zhì)量。

六、工作建議

（一）研發(fā)車載式空飄球快速展開系統(tǒng)

經(jīng)測試研判，如將空飄球系統(tǒng)集成在中型卡車上，在車上實現(xiàn)充放，實現(xiàn)升降功能，預(yù)計可在1小時快速展開，操作人員可降低至2人。車上集成氦氣鋼瓶、氦氣回收機、發(fā)電機、載卷揚機、載荷系統(tǒng)、氣球囊體等設(shè)備，到達(dá)災(zāi)害現(xiàn)場后可快速展開。但目前市面上車載式空飄球技術(shù)還不成熟，需要解決均勻充氣、自動展開等問題，同時選擇更優(yōu)材質(zhì)的空飄氣球，以盡可能減輕氣球自身重量、縮小氣球體積，并減少展開的占地面積。

（二）研發(fā)空飄氣球相關(guān)的適配設(shè)備

（1）從產(chǎn)品入手，研發(fā)適用于浮空系統(tǒng)的寬、窄通信中繼設(shè)備，加大發(fā)射功率，加裝濾波器件，加大電池容量，改進(jìn)信號發(fā)射方式，以確保升空的通信設(shè)備發(fā)揮最大功效。

（2）設(shè)計搭載中繼的標(biāo)準(zhǔn)吊籃，針對常用的公網(wǎng)、專網(wǎng)通信中繼設(shè)計帶有不同方向插口卡扣的吊籃，使得搭載兩種以上通信中繼后能夠互不影響且配重均衡。

（3）進(jìn)一步試驗研究論證浮空氣球搭載通信中繼的安全性可靠性，特別是在展開和回收時間、占用飛行器航線以及受高山峽谷地形因素等方面，還需要根據(jù)后續(xù)系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)一步測試。

（三）分場景制定空中中繼手段應(yīng)用規(guī)程

結(jié)合系留無人機、浮空氣球系統(tǒng)、翼龍無人機三種空中中繼手段特點，分地形、分場景、分災(zāi)種制定應(yīng)用規(guī)程，編制實戰(zhàn)操法，明確隊伍各級信號中繼設(shè)備的配備標(biāo)準(zhǔn)，多種手段配合使用，力爭達(dá)到最佳應(yīng)用效果。同時，建立專業(yè)浮空中繼崗位專業(yè)力量，相關(guān)人員定期學(xué)習(xí)理論知識和飛行操作技術(shù)，讓應(yīng)急通信隊伍向著正規(guī)化、專業(yè)化、職業(yè)化的方向轉(zhuǎn)變。

作者單位：黃煒堯 四川省消防救援總隊

趙翊軒 廣元市消防救援支隊

參考文獻(xiàn)

[1]李理，王江.消防救援現(xiàn)場應(yīng)急通信的保障策略[J].電子技術(shù)與軟件工程，2020（12）：32-35.

[2]古彪，何先旺，葉樹林.世界特種飛行器及應(yīng)用[M].北京：航空工業(yè)出版社，2016：6-7.

[3]黃宛寧，栗穎思.現(xiàn)代浮空器軍事應(yīng)用[J].科技導(dǎo)報，2017（15）：67-70.

[4]王鑫.基于系留氣球的球控計算機設(shè)計[J].太赫茲科學(xué)與信息學(xué)報，2015，13（02）：332-336.