【Google's Project Loon】谷歌“潜鸟计划”发展研究

全世界有将近 60% 的人口还无法连上互联网，这43 亿人中的大多数都住在偏远地区，电信公司认为在那些地方投资修建基站等基础设施是毫无意义的。为了让更多的人可以享受到互联网服务，谷歌X实验室发起了“潜鸟计划”（Project Loon）。该计划是将高空超压气球发送至海拔20 km的平流层组成空中无线网络，向所覆盖的区域提供与3G移动通信速度相近的互联网访问服务。

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项目简介

Project Loon计划在平流层放飞几百个到几千个太阳能气球，组成一个无线网络，并与地面基站连接，为广大亚非拉地区的新兴市场民众以及网络条件不好或不稳定的地区提供低价的互联网服务，以填补互联网服务的盲区，使之也能享受到现代互联网服务和快速稳定的WiFi网络连接。在信号覆盖的地区，只要使用谷歌提供的天线，就可以通过一种升级版的WiFi技术进行上网。同时，依托谷歌的Loon气球，可以帮助自然灾害频发地区或受灾断网地区恢复互联网连接，提供灾害情况下的应急通信服务和信息服务，Loon气球将是未来灾害情况下一种非常有用的备用通信设施和手段。

Project Loon的组网结构

（1）系统结构

Loon气球系统由球体、降落伞、气泵、太阳能电池板和吊舱等部分组成。Loon气球使用了类似南瓜型的设计，属于超压气球的范畴，飞行驻空时间将大于100天。要实现如此长的驻空时间，球体采用了0.076mm厚的聚酯薄膜，这种材料既薄又坚韧，非常适合于制作超压气球，即使在高空超压情况下也能保证结构的强度，不至于发生较大的延展或爆裂。气球在地面完全充气之后的直径约为49英尺（15m），高度约为39英尺（12m）。气球下方悬挂的设备包括：天线、无线通信设备、电脑、高度控制设备以及太阳能电池板。气球上的太阳能为所有的电子设备提供电力，功率约为100W，足够保证仪器运转，并充电用于夜间使用。

Project Loon气球及载荷结构

（2）工作频段与作用距离

Loon气球上的控制、GPS与通信系统将实现对整个Loon气球的控制、定位以及与其他Loon气球和地面的通信等。据称，Loon的天线工作于2.4GHz和5.8GHz的免费公用ISM频段，每个Loon气球可为直径40公里的地面区域提供互联网接入服务，速度可达目前3G网络的水平甚至更高。2013年9月，为在2014年于内华达州沙漠地区开展的试验，谷歌自美国联邦通信委员会（FCC）获得了使用2个4G LTE服务频段的许可。Loon气球下方的用户通过特殊的网络天线接入Loon气球提供的互联网服务，通信信号会在Loon气球之间不断反射，然后接入地面的全球互联网服务。

Loon气球可为直径40公里的地面区域提供互联网接入服务

（3）地面基站

在放飞气球的同时，Loon项目将在地面上建立一个基站网络，基站与基站之间的距离约为100km，通过基站来将信号发射到空中的气球上。据称，Loon气球升空15分钟后，地面用户就可以连接到互联网上了。

家用接收天线

（4）飞行速度

Loon气球的飞行速度最快可达41公里/小时，绕地球一圈大约需要33天的时间。在一次试验中，一个Loon气球只用22天就完成了绕地球一周的飞行任务，创下了试验新记录。Loon气球可通过调整其高度到达不同的风层，顺着风力向其期望的方向运动，预测使用的风力数据来自美国国家海洋和大气管理局（NOAA）。气球覆盖区域的用户可以使用安装在他们建筑物外的一种特殊的天线连接到气球网络，信号在气球之间跳转，最后可以到达地面站的互联网服务商（ISP），从而可以访问全球互联网。

Loon气球的飞行速度最快可达41公里/小时

（5）控制软件

在Loon气球测试过程中，谷歌团队还开发了一套控制软件，第一代软件称为“Vulcan”，随着测试的深入，Vulcan最终被一套称为“任务控制”的全能操作系统所取代。这是一套纯粹的网络系统，团队成员可以通过任何PC或平板电脑与之相连，以控制和管理这支围绕地球上方飞行的“气球大军”，使用户在需要的时刻能够使用其中的气球。“任务控制”软件系统能够分析美国国家海洋和大气管理局的数据（包括当前状态与历史记录），能够利用谷歌的计算资源来规划气球飞行的理想路线，能够将气球引导至正确的高度并追踪其具体方位，能够在地图上标注每个气球的状态和位置，能够向气球下方的空管人员发出信息，告知其空管系统屏幕上闪烁的信号并不存在危害等。谷歌团队将其称为“气球的蜂群思维”。

Loon气球生产车间

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项目进展情况

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2011年

谷歌X实验室在加州中央山谷进行了Loon气球的一系列试验。据称，谷歌的工程师向NASA（美国国家航空和太空管理局）和JPL（喷气推进实验室）学习了高空气球的设计技术，还与专业的气球研究公司Raven Aerostar开展了合作设计气球球体。

Raven Aerostar公司举办”气球日“展示其成果，加强与院校交流

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2013年6月15日

谷歌公司在新西兰基督城召开新闻发布会，宣布推出Project Loon，并在航空节上正式开始小规模测试。

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2014年4月

谷歌将有关试验扩展到了内华达州的沙漠地区。Loon气球可在空中漂浮约100天，若寿命终结或需要维修，地面控制人员可安排气球有序下降，Loon气球和球载通信设备均可循环利用。

Loon气球即将升空

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2014年6月初

在巴西西北部，谷歌项目团队在当地一个开阔的农村地区将几个Loon气球成功升上天空。这次飞行试验创造了Loon团队的几个纪录：首次在赤道附近发送Loon气球，克服了湿热环境影响；首次进行了LTE技术的测试，气球与地面的传输速率最高可达22Mbps，与手持设备的传输速率则最高可达5Mbps。

Project Loon项目组在巴西一所学校安装接收器

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2014年12月

谷歌公司宣布与法国航天部门国家太空研究中心（CNES）展开合作。

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2015年7月29日

Project Loon项目迈出了革命性的一步，谷歌宣布已与斯里兰卡政府进行合作，将发射13个氦气球正式投入使用，为斯里兰卡的全部疆土提供宽带上网，使其成为世界上首个全面覆盖网络的国家。

Loon气球试验组图

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2015年10月

谷歌宣布将从2016年开始通过 Project Loon 为印度尼西亚提供上网服务。

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2016年2月

谷歌公司在斯里兰卡对Project Loon项目开始测试。

Loon气球在实验室进行测试

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 应用前景

Project Loon计划的最大优势是可以在提供和城市中一样的宽带互联网连接的同时，价格比卫星和地面方式都要低廉得多，从而可为广大偏远地区提供价格可承受的高速互联网连接服务。在紧急情况下，对人口密集地区而言，Loon也有一展身手的机会，例如，一旦遇到像汶川地震这样的自然灾害，在地面光纤、通信设施、无线上网设备等全部被摧毁的极端情况下，Loon气球漂浮于云层上方海拔20公里的平流层中，台风、暴雨、龙卷风都发生在云层下方，这些气球可以毫发无损地在各种自然灾害、紧急情况下继续保持正常工作。谷歌选址新西兰基督城地区进行Loon试验也是出于这方面考虑，并起演示作用。2011年，基督城地区发生地震，导致185人遇难，并造成数万人无法连接互联网。这次事件让基督城政府切身体会到了危机、应急通信的重要性。谷歌的Loon项目对政府和救援组织等而言都将非常有用，可以帮助其迅速部署通信系统、联通受灾地区并保持局面稳定。

Loon气球高度位于平流层

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 小结

虽然Loon项目看起来很“酷”，但实施起来会遇到一系列难题。技术上最大的难题是进行各种复杂数据的计算，如天气预报、气球飞行的方向和速度、不同气球之间的位置和距离等，保证气球不“随波逐流”。据2016年4月国外媒体报道，谷歌公司的Loon气球在智利一农场坠毁。此外，气球使用的高强度材料、大小、内置气体、供电装置以及当气球结束生命周期后的处置等问题。除技术因素之外，Loon项目还需协调解决许多非技术方面的问题，如飞越领空问题、信息安全问题以及未来投入实际运营后与当地电信运营商的利益竞争问题等。2016年6月17日，国际民航组织向各国发出国家级信函，要求评估谷歌公司Project Loon等高空运行无人驾驶自由气球的影响。由此可见，谷歌公司Project Loon未来发展任重而道远。

Loon气球在智利一农场坠毁

感谢作者：孟祥玲（中国电子科技集团公司第三十八研究所）

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