聯通天地的高空平臺通信系統示意圖（樊崢繪）今年6月，世界經濟論壇第十五屆新領軍者年會(又稱“夏季達沃斯論壇”)在大連舉行。會上發布了2024年《十大新興技術報告》，評選出未來3到5年內將深刻影響世界的10項突破性技術。高空平臺通信系統以極強的創新性和巨大的應用潛能位列其中。
高空平臺通信系統，顧名思義就是將通信系統安裝在高空平臺上，使其可以在高空提供通信服務。那么，為什么要發展高空平臺通信系統，它有什么特點和優勢？高空平臺通信系統面臨哪些技術挑戰？其未來發展前景如何？請看本期解讀。
改變世界的移動通信技術
通信是人類最悠久、最基本、最重要的活動之一。從古至今，通信既是社會管理、日常交流的重要保障，也是決定戰爭勝負的重要因素。為了突破時空限制，人們嘗試了烽火狼煙、車馬郵驛、鴻雁傳書等通信方式，但這些手段的時效性和信息容量都十分有限。
19世紀，電報和電話的發明讓人類進入到用電傳遞信息的通信時代。隨著20世紀80年代第一代移動通信技術（1G）的應用，人們正式進入移動通信時代。
在科技進步與市場需求的共同驅動下，移動通信技術歷經5次深刻的技術變革，從最開始的1G演進到如今的5G。在這個過程中，其功能也從最基礎的語音通話功能，逐步升級到更加高速暢通、覆蓋面更為廣泛、更加質優價廉的移動互聯網服務。
現在，移動通信技術已滲透到人們生產生活的方方面面。那么，移動通信系統是怎樣工作的？我們能否在任何時候、任何地方隨時保持與外界聯系？
移動通信系統主要由移動終端、基站和核心網等組成。其中，移動終端指手機、平板電腦等用戶直接使用的設備；基站包括天線、接收機和發射機等，用于收發移動終端的信號，并與核心網連接；核心網負責數據傳輸與網絡管理等，并提供互聯網接口。
移動通信系統的工作流程與物流運輸類似。當你用手機打電話時，手機先將語音信息轉換為電磁波數據“包裹”并發送出去；就近基站就像快遞網點，將“包裹”收攬上來；“包裹”通過傳輸網絡將數據傳輸出去以后，核心網就像“物流管理中心”一樣管理這些數據，對數據進行分揀和分發；最后，“包裹”通過傳輸網絡輸送至離用戶最近的“窗口”基站，并發送至對應的手機。由此可見，使用移動通信時，我們直接打交道的是手機移動終端和就近基站，基站的通信覆蓋范圍決定了手機的有效區域。
為了讓通信范圍更大，基站不僅要建得高，還要建得多。據統計，截至2024年第二季度，全球5G基站部署總量約594萬個，預計到2027年，5G將成為最主要的移動通信技術，5G用戶將達到44億。
然而，國際電信聯盟統計指出，全球約有三分之一的人仍然沒有通信保障。即使是一些通信基礎設施相對完善的國家，也無法保證每一片國土都有移動通信信號。非洲、拉丁美洲的一些國家和地區，更是存在著大片的移動通信“盲區”。
如何擺脫常規地面基站的限制，提供長時間、高穩定、高品質、低成本的通信與網絡服務，成為移動通信技術發展的重要方向。
持久駐空的高空平臺技術
為了使基站擺脫對地面設施依賴、擴大覆蓋范圍，人們把目光投向廣袤的蒼穹，試圖將通信基站搭建到天空。高空平臺通信系統應運而生。
高空平臺通信系統是利用工作在20公里高度附近的新型飛行平臺作為無線中繼或空中基站，為地面用戶提供通信的一種方式。2020年，包括中國在內的世界多家科技企業、航空企業和電信企業組建高空平臺通信系統聯盟，共同推動通過平流層飛行器提供通信服務的發展。
高空平臺通信系統的主要技術挑戰，是發展高空、穩定、持續飛行的飛行器，主要包括新型高空氣球、平流層飛艇、臨近空間太陽能無人機等。這也是現代航空科技的前沿。
新型高空氣球與我們日常生活中所見普通氣球有顯著區別，由特制高分子薄膜材料制成，既輕薄又堅韌，能確保極低的氣體滲漏并適應低溫、強紫外線等環境。采用南瓜形的超壓設計技術，氣球內部氣壓始終高于外部環境氣壓，使其可以在長時間極端條件下維持總體積不變，保持飛行高度的穩定。氣球中內置了小球，只需將外界空氣充入或排出小球，就可以改變飛行高度。在人工智能這個“超級大腦”的加持下，新型高空氣球可以預判不同高度、不同區域的風場特征，自主決策飛行路線，實現航線飛行或者區域駐留。
新型高空氣球技術發展迅速。如今，谷歌氣球已實現300天以上的超長時間持續飛行，可輕松完成環球飛行，能遠程放飛后實現對任務區域的部署、多球協同組網等，并為南美、肯尼亞等地區提供網絡互聯服務。
平流層飛艇是一種能持續在20公里高度附近飛行的飛艇。它通常采用流線型設計，長度達到數百米，體積能達到數萬立方米。通過太陽能電池陣白天發電、儲能電池晚上供電的方式，平流層飛艇可以實現能源產生與消耗的晝夜平衡。
平流層飛艇能夠在特定位置上空實現數月甚至數年的定點駐空，是“高空基站”的理想平臺。21世紀初，美國、日本、歐洲等國家和地區相繼開展研究。目前，美國一家航空公司已完成20余次飛行試驗，并在今年實現跨晝夜駐留飛行試驗，驗證了遠距離寬帶通信和對地觀測能力。歐洲泰雷茲阿萊尼亞空間公司研制的平流層客車高空飛艇，2022年被歐盟支持為歐洲高空平臺系統示范項目，旨在提高情報、監視和偵察等能力。
臨近空間太陽能無人機與平流層飛艇類似，依靠鋪設在機翼與機身上的太陽能電池陣吸收太陽能，白天將富余的能量傳遞給儲能電池進行存儲，夜間通過儲能電池供電飛行，理論上可實現持續不斷長時間飛行。受到能源技術的限制，太陽能無人機在能量平衡方面的挑戰性極大。高效氣動設計、輕量化結構設計、新型能源、高效能源管理等是其主要的創新研究方向。
雖然中低空太陽能飛機早已展開探索，但臨近空間太陽能無人機在近10年才取得實質性突破。歐洲空客公司研發的西風太陽能無人機已形成超過60天的持續飛行能力，能夠提供低延遲、直接到設備的4G/5G服務。日本軟銀公司正在探索采用Sunglider太陽能無人機搭載基站，實現高空通信。
以上幾類高空平臺雖各有利弊，但總體上都具有使用成本低、飛行高度高、駐空時間長、機動能力好的特點。在航空航天、新能源、人工智能等領域技術的助力下，這些平臺都在提速發展，具備了高空移動通信的基礎。
廣闊的應用前景和巨大的賦能潛力
隨著新型高空氣球、平流層飛艇、臨近空間太陽能無人機等技術的不斷突破，通信基站已經可以從地面鐵塔提高到20公里以上的平流層。高空之中，其覆蓋范圍更廣、通信時延更短、更加機動靈活，展現出廣闊的應用前景和巨大的賦能潛力。
目前，世界上仍有大量人煙稀少的偏遠地區、海洋和欠發達地區未實現通信與互聯網覆蓋。高空平臺通信系統可在不便于架設地面基站的遠海島嶼、邊遠地區等，從高空提供廣域、持續、穩定的通信覆蓋，為“信息孤島”搭建信息橋梁、彌合數字鴻溝，為邊遠、欠發達地區基站建設成本高、維護難等問題提供創新解決方案。
由于氣候變化和人類行為等因素影響，全球災害數量快速攀升，災害發生時通常會損毀地面通信系統。快速搭建“通信生命線”，是搶險救災、保障生命財產安全的基石。高空平臺通信系統可快速部署、靈活機動至事發地上空，穩定提供不間斷、全覆蓋的通信保障，破解地面通信網絡難以快速打通、天基通信資源有限的難題。
現代戰場的戰術通信大多數受制于視距通信，超視距通信則主要依賴于性能相對較低的短波和衛星通信，相關裝備部署受限。因此，高空平臺被多國軍方視為戰場通信保障最有效的方案之一。近年來，美軍持續探索利用新型高空無人平臺作為通信中繼平臺，幾乎每年都在軍演中加入高空氣球在信息化作戰中的能力驗證，為其構建無縫的空中網絡提供相應的通信中繼服務。
隨著信息化、智能化、無人化等領域科技創新的深化，高空平臺通信系統將在飛行時長、載重能力、可控飛行、智能水平等方面更上一層樓。它將跨接地面移動通信、天基移動通信，共同組建空天地一體化信息網絡，解決復雜地形與緊急任務中的“寬帶通”“遠程通”“動中通”問題，有力推動信息化建設加速發展。
（解放軍報·中國軍號出品）
