美国正在投资下一个5G网络！平流层高空平台（HAPS）军用市场广阔

Original 学术plus观察员学术plus 2022-07-29

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2020年8月，谷歌母公司ALPHABET旗下的LOON公司发布一份题为“在平流层高空平台（HAPS）上实现更伟大的抱负”（HAPS,High Altitude, High Ambitions）的白皮书。

文章详细介绍了平流层高空平台的技术发展现状与具体情景，以及该公司在过去几十年里，利用平流层高空平台为第三世界国家偏远地区提供网络覆盖的贡献。该报告还指出，平流层HAPS在当前世界气候变化背景下，是弥补对地观测卫星和无人系统网络通信必不可少的新型网络媒介。

在平流层高空平台（HAPS）上实现更伟大的抱负

作者：学术plus高级军事观察员竹亿

本文主要内容及关键词： 1. 平流层上高空平台（HAPS）的基本概念2. HAPS发展现状：电信产业商机，通信领域新力量，技术难点，最新进展与合作；
3. 应用领域：对地观测，网络通信；4. 优势与市场：将带来巨大的经济效益，美国、德国等国家正在大力投资该领域，军用前景与市场广阔

内容主要整理自外文网站相关资料

仅供学习参考，欢迎交流指正！

文章观点不代表本机构立场

1.HAPS

平流层（stratosphere），亦称同温层，夹于对流层与中间层之间，是地球大气层里上热下冷的一层，在中纬度地区，平流层位于离地表10公里至50公里的高度。

多年以来，平流层上高空平台（HAPS）在工业和学术界没有受到太多研究和关注。具体理由很充分: -65℃的高空压力和热条件，风速超过 40km/小时，重力波和太阳辐射在20km以上。这些条件非常恶劣，不适合长时间飞行，更不适合大型商业的运营。然而，在过去的十年里，太阳能、电池和人工智能技术的发展使其设计成为可能，平流层飞行器，也称为高空平台站、高空伪卫星或高空平台，也能够在生产和规模上安全运行，因此开始受到越来越多的关注。

2.发展现状

2.1 各大公司纷纷抢占电信产业巨大商机

尽管面临种种挑战，平流层中所蕴含的大量产业的机会仍十分诱人，其中主要就包括总额为数十亿美元电信市场。平流层高空平台的机会开始吸引了众多行业的关注，从航空和航天制造企业到全球技术领导者、电信运营商和初创企业。尽管这个市场刚刚起步，已经看到了显著的发展：

（1）飞行器

LOON公司已经运营飞行了数千架高空作业HAPS，平均航行时间超过4个月，最长飞行记录达223天，与电信运营商的合作互联网连接人口超过30万人
空客公司使用固定翼飞行器就完成了为期26天的平流层飞行
软银公司控股的HAPS Mobile与 AeroVironment和波音公司合作，正在开发约80米固定翼飞行器
World View公司已完成了40多天的气球飞行
Raven公司定期执行气球飞行任务
泰勒斯和Sceye正在开发高空飞艇

（2）技术团队
除了长航时的平流层飞行器，商用HAPS运营还将需要一个由人员和管理软件组成的技术团队，用来进行天气预报和网络联接，并搭载专业化的平流层加固有效载荷和硬件等等。

日本软银公司及其子公司HAPS Mobile正在努力连接世界上所有的人和事
LOON公司正在利用平流层HAPS实现弥合数字世界鸿沟的愿景

2.2 HAPS将成通信领域的有力补充

HAPS也是通信领域的一个强有力的补充，全球基础设施在自然灾害期间如果能在短时间恢复，HAPS的应急部署和进行广域通信无疑会带来吉祥的福音。这也能够使无人机利用率、物联网应用和5G部署得到有效发挥。

软银公司代表总监兼首席技术官，HAPS Mobile总经理Junichi Miyakawa说，“我们很高兴能与战略合作伙伴的LOON公司进行合作，并已经共同开发了一个无人驾驶飞机系统的通信有效载荷。我们期待与LOON继续合作，部署尖端技术以进一步提升HAPS的商业潜力。”

2.3 技术难点与攻克

【难点1：持续停留与性能稳定】

建造一个持续停留的HAPS，LOON团队需要设计一个可以在平流层中持续100多天的气球，以便保持连接的稳定性和一致性。在平流层恶劣条件下，气球在高空会遇到150℃的极端温差波动，最低至零下90℃。每个体积规模如网球场大小的聚乙烯气球需要在平流层的这种恶劣条件下生存100多天，这是保证HAPS运营稳定的难点。【难点2：识别不同风层的风速和方向】在平流层航行很特别的一点是：平流层中的风是分层的，每一层风的方向和速度都不同。虽然其中某一层可能会导致气球远离其目标位置，但另一层可能会将气球吹向目标方向。为了识别这些有用的风型，LOON使用先进的预测模型来创建天空地图。这些地图允许团队确定每个高度、时间和位置的风速和风向。有了这些地图，研究小组开发了智能算法来帮助确定平流层路径的最有效组合。在这些算法的帮助下，气球可以准确地在数千公里的风中航行，到达他们需要去的地方，然后通过操纵风的路径，保持聚集在这些目的地周围。2.4 LOON公司最新进展与应用合作作为Alphabet的子公司，LOON是平流层领域的开拓者公司。在过去的七年里，在保证安全运营的前提下，还实现了许多世界第一，包括：

最长的，持续时间导航平流层飞行 (223天)，平均飞行时间为 4个多月
建造“自飞气球” 利用机器学习算法，积累了基于平流层风数据集长达35年以上
第一个在平流层连接真实用户的供应商

秘鲁：2017年与Telefonica合作，为秘鲁各地因极端气候降雨和洪水而流离失所的数万人提供基本的互联网连接，服务对象超过30万人。

波多黎各：飓风“玛利亚”登陆后，LOON团队还与波多黎各的AT&T和T-Mobile密切合作，将互联网带给波多黎各的20多万人。肯尼亚：2020年，LOON开始在非洲在肯尼亚与肯尼亚电信公司合作提供部署提供商业服务。

3.应用领域

3.1 对地观测（EO）

除了连通性，平流层还能进行对地观测，从而打入这个目前由卫星和无人机技术主导的巨大市场。与地球静止卫星相比，HAPS距离地面的距离仅为前者的1/1000，因此可以获得分辨率更高的图像。与无人机相比，HAPS的行驶距离更长更远，因此可以在很长一段时间内，战略性地悬停在一个区域上密集地收集数据。

在应用方面，HAPS的对地观测优势还包括:

收集关于自然和人为灾害的数据，以更有效地应对山火、石油泄漏，洪水等等
跟踪气象以改进天气预报
监测自然资源、农业和基础设施
监视大片海洋的非法捕鱼活动，海水污染和海盗活动

空客国防和航天公司执行副总裁Evert Dudok认为，HAPS是卫星、无人机和载人飞船的补充，可以提供可负担起的、持久的、类似本地卫星的服务。它将彻底改变我们的生活方式，承担环境治理和人道主义对地观测以及世界各地的通信任务等。

3.2 网络通信

该白皮书指出，在过去的几十年里，地面无线网络与卫星网络已经形成了高速率、低延时、覆盖广的特点。虽然目前在线联网人数已高达23亿人，但仍有38亿人无法访问互联网。目前网络系统的局限性也非常明显，不仅在人口密集的城市地区卫星基础设施的力面临挑战，在那些人口稀少和交通不便的偏远地区，仅仅通过安装信号发射与中继铁塔来传播信号很难实行。

高空平台（HAPS）或称浮空器可以延伸电信服务提供商的覆盖范围，从而满足这些市场的需求。

HAPS可以作为浮动的通信塔，提供与地面基站相似的网络时延
HAPS可在仅20公里的高空上，采用标准4G LTE和5G协议直接连接到移动手机、调制解调器和物联网设备
除了扩大通信范围、覆盖农村和复杂崎岖的地形之外， HAPS在全天候运行，并且可以随意移动，且能在覆盖区域和紧急情况如停电和灾难时展现灵活性

国际通信卫星组织（Intelsat）战略和业务发展副总裁Greg Ewert称，“作为天基通信和视频广播服务的基础架构，国际通信卫星组织不断探索新的创新，为我们的客户推动和获取无限的应用程序。全球规模无处不在的通信，不断增长的对网络低时延和高性能的期望都要求整合众多网络和技术协调一起工作。国际通信卫星组织致力于兑现承诺全球通讯的普及，通过令人兴奋的创新进步变成现实。我们认为平流层的机遇是对我们网络设计的逻辑扩展。”

该白皮书称，平流层上的HAPS可以推动3.9万亿美元的移动通信技术和服务业务，让数百万生活在偏远地区的人上网，且能在灾后重建，建设下一个5G网络，连接物联网（IoT）的未来。

4.优势与市场

在HAPS技术推动下，平流层(20公里以上)高空平台具有以下特点：

显著降低发射和回收成本
飞行持续时间更长
相比地球静止轨道(约36000公里)或低地球轨道(LEO)上的卫星(300~1200公里)有效载荷灵活性更大
可能是资本密集型的
对飞机(10公里范围)飞行具有威胁和挑战
成本高且规模有限

诺基亚公司总裁Kathrine Buvac称，“作为创新的管理者，我们很自豪能与Alphabet的子公司Loon合作，将未能连通世界的人连接起来。我们一起带来了无与伦比的技能、专业知识和技术组合，克服了与高空网络基础设施相关的挑战。现在增强的LTE无线网络和未来的5G将在充满挑战的环境下，为偏远地区的社区带来重大的经济和社会效益。”

在发射和回收成本方面，HAPS的飞行高度是商用飞机巡航高度的两倍，不到地球静止卫星的距离0.1%，比低地球轨道卫星小6%还多。这个距离高度允许HAPS利用轻气体或太阳能，可持续地、安静地升空并提供动力。当一架HAPS返回地面时，可以有效地收集、分析甚至被重新利用。

在飞行持续时间上，HAPS包括气球和固定翼飞机利用太阳能作为其主要或者唯一能源，被设计成可以一次飞行数月。

在有效载荷上，平流层浮空飞行器灵活性更大，能够模块化定制有效载荷，进行高分辨率对地观测，或者能采用5G或物联网等新兴标准，甚至可以替换掉这些任务依赖型的技术。此外，HAPS还可以不断更新并搭载最新的技术，在较低的高度实现定向通信，使其能力更加紧密地匹配和适应地面的需求。

在实时数据处理方面。借由物联网的发展，HAPS可以配备先进的传感器和边缘计算。因此，可以实现飞行数据的实时监控、汇总和处理。这为改进对地观测、天气预报和公共安全等应用提供了可能。

对地观测市场的30亿美元卫星部分和44亿美元的无人机服务市场一样在稳步增长。随着HAPS的发展，HAPS因其独特的能力将同事利用两个市场来刺激带动新的市场需求。

结语

据美国市场调研公司Kenneth Research2021年2月发布的报告《HAPS系统市场份额、趋势、机会和预测》，高空平台飞行器市场价值预计将快速增长，复合年均增长率（CAGR）将达16.10%。

在高空平台方面，预计大型浮空器系统将占据最大的市场份额，而对混合飞行器和先进飞艇日益增长的需求预计也会助推全球浮空器系统市场的发展。在可预见的未来，全球平流层HAPS可以实现搭载侦察探测和通信导航市场的技术进步，推动在军事和应急应用系统快速发展。美国和德国等国家目前正在大规模投资国防领域，白皮书的发布预计将会对HAPS技术与市场发展起到积极作用。

（全文完）

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作者专栏

竹亿，学术plus高级军事观察员，专注研究预警探测、外军装备等。