“Google Loon”高空超壓氣球網絡技術綜述

陳聲麒，周 萌

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 浮空平臺部，安徽 合肥 230088)

“Google Loon”高空超壓氣球網絡技術綜述

陳聲麒，周 萌

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 浮空平臺部，安徽 合肥 230088)

Google公司推出的“Google Loon”氣球網絡項目，用漂浮的高空氣球作為通訊中繼實現地面互聯網的覆蓋。重點介紹了基于高空超壓氣球的氣球網絡原理、Loon超壓氣球組成結構及各組成部分的作用及性能，分析了“Google Loon”高空超壓氣球的軌跡控制、高度調節、充氣及發射等關鍵技術。最后，對Loon項目的試驗歷程和商業推廣情況進行了回顧，并對未來工作計劃進行了展望。

“Google Loon”項目；互聯網通信；高空超壓氣球

0 引言

盡管互聯網已經廣泛普及并融入了人們的生活，由于地形復雜等因素，世界上仍有三分之二的人無法使用互聯網服務。有鑒于此，Google公司于2013年6月正式對外公布了高空氣球網絡計劃，旨在使用大量的高空超壓氣球作為網絡通信中繼平臺，為全球范圍內沒有接入互聯網服務的農村或偏遠地區提供一種全新的廉價互聯網接入服務[1]。經過2014年的飛行測試和2015年的技術改進，Loon項目已經取得了巨大進展。目前，Loon團隊已經基本解決了超壓氣球氦氣泄露的問題，大幅提高了氣球的續航時間，最長留空時間已達到187天，平均的留空時間也已接近100天。單個氣球飛行最長距離達到了113000km。此外，Loon團隊還攻克了氣球軌跡控制、高度控制、充氣及放飛技術等關鍵技術，技術愈發成熟。目前，已經在斯里蘭卡等地區進行了網絡覆蓋推廣，正在加快其商業化推廣腳步①。

本文著重介紹Loon網絡原理，重點分析高空超壓氣球中繼平臺的組成以及關鍵技術攻關情況，介紹項目試驗進展及商業推廣情況。

1 Google氣球網絡原理

Google Loon氣球網絡工作原理圖如圖1所示。Google公司將攜帶了無線網絡信號收發器的氣球發射到距離地面約20km的高度，這些高空氣球便可以跟地面的基站進行網絡數據的傳輸。超壓氣球之間也可以相互通訊，將互聯網連接發送到各個氣球上。這些氣球通過地面接收裝置與地面交換數據，從而實現地面用戶的網絡連接。

Loon氣球上電子設備將實現對Loon氣球的控制、定位以及氣球之間的通信、氣球與地面的通信等。地面用戶則通過特殊的網絡天線接入Loon氣球提供的互聯網服務(見圖2)。

在放飛氣球的同時，Loon項目將在地面上建立一個基站網絡，基站與基站之間的距離約為100km，可以通過基站將信號發射到空中的氣球上。

2 氣球網絡關鍵技術分析

2.1 氣球軌跡控制技術

基于大量的風流信息以及復雜算法，Loon團隊實現了在復雜的平流層環境下氣球的軌跡控制。美國國家海洋和大氣局為其提供了大規模的氣象數據。團隊已在氣球操縱的問題上取得了重大改進。通過數以千次的軌道模擬計算，現在已經非常接近于預定目標。在里程長達9000km的飛行旅途中，氣球抵達地點與目標目的地之間的距離誤差已可控制在1.5km以內，而這一點純粹是通過預測平流層風向并以此為據進行氣球導航實現的。

2.2 氣球高度控制技術

除了通過氣泵向副氣囊充入或排出空氣實現高度變化以外，Loon氣球還可以通過以下三種方式實現自身飛行高度的變化：

(1)通過太陽能動力系統不斷在封膜和儲藏室中轉移氣體，通過排出或充入空氣改變氣球的浮力，實現高空超壓氣球高度的變化。

(2)氣球中的燃料電池可以通過化學反應產生氫氣傳遞到封膜中進而增加氣球的浮力。當這些氫氣再返回到燃料電池箱中和氧氣反應生成水時，氣球的高度又隨之下降了。

(3)通過在球體表明涂上黑白兩種不同材料，當氣球需要升高時就把黑色的一面朝向太陽，氣球中的氣體吸熱膨脹，浮力增加，實現高度的上升；反之，則把白色一面朝向太陽，氣球中的氣體降溫，減小浮力以實現高度的下降。

對于以上三種控制途徑，第二種實現難度過大，也許只是Loon團隊的一種設想。第三種途徑如何實現氣球朝向的變化是難點。

2.3 氣球充氣及發射技術

Google公司表示，他們已經開發了新的氣球充氣裝置。現在，只需5分鐘時間便可做好一個氣球的升空準備工作。

此外，Google開發出了自動發射器(又稱“鳥屋”)，如圖3所示[2]。鳥屋是一個金屬框架，四周用帆布遮住，這樣就可以擋住外界的風，從而讓氣球保持空中姿態，避免了以前氣球起飛時天線發生漂移的情況。在風速小于大約24km/h(相當于4級風力)的情況下，地面只需4個人即可在15分鐘之內將氣球送上天；而以往發射耗時則需要45分鐘，而且風力不能夠大于9.6km/h(相當于2級風力)。對于要覆蓋一個信號盲區往往需要投放數百個超壓氣球的Google公司來說，這種裝置極大提高了發射的效率和可靠性。

2.4 網絡信號中繼形式

此前為了能有效提供互聯網信號，Google公司的高空氣球需要與遠至80km以外的運營商合作伙伴(如沃達豐、西班牙電信等)的地面站進行直接連接來提供互聯網信號中繼，要設立大量的地面站，效率低且價格高昂。利用氣球本身來進行中繼，一旦某個氣球從附近的地面站獲得信號后，再從空中把信號中繼給附近的氣球，這樣附近的氣球就不再從地面站尋找中繼了。通過這種辦法，一個地面站的漫游距離可以達到 400-800km，覆蓋整個西非地區只需要8個地面站。

但是這種辦法的技術挑戰也非常大，因為平流層上面的氣球在水平風的作用下會移動，通訊中繼位置便發生移動，要想找出另一個氣球的某個時間的位置和高度需要非常精確復雜的計算。此外，平流層的環境條件也非常惡劣，最低溫度可以達到零下50°，這種情況下傳統的金屬平衡環和電機都會發生故障或者失靈。

3 高空超壓氣球組成研究

Loon高空超壓氣球從上到下依次為：降落傘、球體、氣泵、太陽能電池板和吊艙，其整體外形示意如圖4所示[3-4]。

高空超壓氣球各個組成部分指標及功能描述如下：

3.1 降落傘

降落傘安裝在氣球的頂部。當Loon氣球完成了飛行任務需要降落的時候，地面操控人員通過排出氦氣的方式減小氣球浮力。若氣球下降速度過快，降落傘包便會自動打開，將下降速度控制在可控范圍之內，以便氣球能夠完好回收。

3.2 球體

球體分為主氣囊和副氣囊。為了達到預期飛行時間超過100天的目的，它采用的是超壓型氣球設計，氣球球體采用了南瓜型外形設計。氣球直徑約為15m，高約12m，主氣囊內部充著浮升氣體(氦氣)。所使用的氣球囊體采用材料強度非常高的聚乙烯材料，厚度約為0.076mm，氣球的超壓量可以達到800Pa，根據最新公布的實驗室測試數據，氣球的極限超壓量已經突破了1200Pa。副氣囊內充有空氣，通過氣泵排出或充入空氣，實現Loon氣球高度的調節。

3.3 氣泵

Loon氣球的底部安裝了高度調節裝置——氣泵。氣泵向副氣囊充入空氣或者排出空氣來改變氣球的浮力，從而實現氣球高度的下降或升高。這種浮力調節方式，可以實現氣球1.7km范圍的高度調節。

3.4 太陽能電池

氣球上任務設備所有能量來源均為太陽能電池(見圖5)。每個氣球上有兩塊1.5m×1.5m的電池板相對放置，便于吸收各個方向的太陽光，即使氣球在高空中改變朝向，也不會中斷供電。太陽能電池板采用的是輕質高效的薄膜單晶硅材質，光照充足時可提供100W的功率。在光照充足時，僅需4個小時就可以完成吊艙內鋰電池的充電過程。白天光照充足時太陽能電池不僅可以滿足球上設備能量需求，還可以將剩余能量儲存在吊艙內的鋰電池中，以供夜間或光照不足時球上設備使用。這樣就可以保證氣球能在20km高度持續工作很多天而不需要地面給予額外的能量。

3.5 吊艙

Loon氣球的主要電子設備以及任務載荷設備都安裝在氣球最底端的吊艙內。吊艙尺寸約為30cm×25cm×60cm，吊艙總重約為10kg。吊艙內主要設備有：通訊設備、溫控系統、GPS接收機、鋰電池、測控設備、雷達角反射器、二次雷達應答機以及主控電路。

4 Loon氣球試驗及推廣歷程

4.1 試驗歷程

2013年6月，Google公司在新西蘭南島克萊斯特徹奇市郊區和萊克特卡波市的坎特伯雷兩個發放點進行了首次公開飛行測試，氣球在空中的最初留空時間普遍只有幾天。此次飛行試驗結果對Loon氣球技術的改進和完善提供了很大的幫助。Google公司通過飛行試驗中收集的風力數據改善其預測模型，使預測精度達到之前的兩倍。此外，Loon氣球經過不斷的改進升級，已經從最初的留空時間只有幾天提高到100天甚至是180天以上。

為了完善和提高Loon高空超壓氣球技術，在完成了氣球升級后，團隊又在加利福利亞的中央谷開展了一系列的飛行試驗，成功飛越了附近的福勒斯諾市。通過飛行，成功地獲取了城市中無線電信號噪聲對Loon氣球網絡傳輸能力影響的數據。由于噪聲的存在，造成Loon氣球信號的誤碼率提高，有效帶寬降低，他們采用了增加信號強度的措施降低噪聲對信號的干擾。

隨后，編號為IBIS-167的氣球用了22天時間完成了繞地球一周的飛行：氣球先在太平洋上繞了幾圈，然后乘著西風飛向了智利和阿根廷，然后回到了澳大利亞和新西蘭。由于采用了改良后的氣泵以及之前的飛行測試數據，氣球能夠更快地改變自身的工作高度，保持自己的航向。

2014年6月初，在皮奧伊州首府特雷西納靠近赤道地區，Google公司在當地放飛了5個高空氣球。這次試驗，在收發數據方面采用了移動通信長期演進技術(Long Term Evolution，LTE)，讓人們可以通過手機直接連接并訪問互聯網。通過此項技術，Loon氣球與地面天線建立的傳輸速率最高可達22Mbps，與手持設備建立的傳輸速率則最高可達5Mbps。而且這也是Google公司首次克服濕熱環境的影響，在赤道附近放飛Loon氣球。

4.2 商業推廣歷程

Loon項目商用化的能力也日漸完善。斯里蘭卡政府2016年2月初曾宣布與Google公司合作為其提供高速網絡服務，在二者合資企業中斯里蘭卡政府將持有25%的股份。雖然斯里蘭卡不會提供任何資金支持，但會為Google Loon計劃開放頻段。此外，還有10%股份交由島上現有的電話業務供應商。該項目承諾會擴大網絡覆蓋面并提供更加便利的數據服務。這也意味著斯里蘭卡成為第一個全面覆蓋互聯網的國家，也成了氣球網絡項目首個覆蓋的國家。

目前，印尼僅有大約1/3的居民可以上網，在組成印尼的1.7萬個小島間連接光纖網絡或者建設及維護移動通信塔難度非常大。Google公司2016年與印尼本地的indosat、telkomsel和XL axiata三大移動網絡運營商合作，在印尼開展氣球互聯網項目測試。通過氣球間的通信，Loon項目已經能夠實現最偏遠地方的居民上網的目標。在飛行測試中，Loon團隊已經能夠使漂浮在平流層高度，相距100 km遠的兩個氣球之間通過無線電傳輸數據，本土運營商便可以通過這種方式將他們的網絡服務提供給更大范圍的用戶，而在此之前要實現起來非常困難。

根據Google公司向美國聯邦通信委員會提交的文件顯示，它正在計劃在全美國測試其Project Loon項目。谷歌公司請求聯邦通信委員會批準在美國50個州以及波多黎各測試基于毫米波帶寬無線頻譜的試驗性無線電技術。Google公司表示，他們原計劃于2016年1月1日起開始測試，測試期為24個月。這項測試計劃表明Google公司有進一步擴大Loon項目的遠景規劃。

5 展望

Google氣球網絡計劃從開始發布至今已經取得了一系列技術上的突破以及商業化的推廣。目前，Project Loon氣球主要分布在南半球，主要是因為南半球人口密度低，偏遠地區多，寬帶網絡難以抵達，對于大氣層的管制也比較寬松。而在北半球，Project Loon則面臨著復雜的政策因素。由于氣球完全靠空氣流動帶動，氣球能否到達要覆蓋的地區依賴途經國家的態度。不過Project Loon由于其受天氣影響小這一獨特優勢仍然吸引了一些發達國家(如日本)的興趣。

Google公司本身也在積極調整策略來推進Loon項目的進展。從最初采用Wi-Fi頻段到與當地運營商合作以尋求更大商機，如此一來網絡不僅速度更快而且可靠性更強。對于運營商來說，這是可以提高網絡覆蓋率的一個有效解決方案，因為在地面部署基站總會受制于地理條件(尤其是偏遠地區)，而利用這些空中的流動基站，可以有效、低成本地實現網絡的全方位覆蓋。

此外，Google公司還在開展一項名為“Project Skybender”的高空計劃，以期讓太陽能無人機帶來5G網絡連接，“Solara 50”太陽能無人機如圖6所示。它主要依托毫米波技術，理論上速度可達數GB/s，是普通4G LTE的40多倍。

注釋：

①參見黃宛寧、祝榕辰、張強輝《Project Loon——谷歌高空氣球網絡計劃》，《浮空器研究》2014年第4期，第5-13頁。

[1] Google Company.Project Loon,Loon for All [EB/OL].(2014-10-12)[2017-02-25].http://www.google.com/loon.

[2] 卜娜.谷歌放飛“潛鳥”[N].中國計算機報,2013-06-24(8).

[3] RAK D.Revolutionizing telecommunication:Google′s Project Loon[EB/OL].(2016-02-22)[2017-02-25].http://www.linkedin.com/pulse/revolutionizing-telecommunication-googles-project-loon-daniel-rak?trk=pulse-det-nav_art.

[4] FINCHER J.Google floats balloon-powered internet network with Project Loon[EB/OL].(2013-06-18)[2017-02-27].http://newatlas.com/google-project-loon/27955/.

[責任編輯、校對：李 琳]

Study on Google Loon High-Altitude Super Pressure Balloon Network Project

CHENSheng-Qi,ZHOUMeng

(Department of Floating Platform,No.38 Research Institute of CETC,Hefei 230088,China)

The"Google Loon"network project launched by Google employs high-altitude super pressure balloons as the communication replay platform so as to cover the earth with the Internet.The paper mainly introduces the network principle of high-altitude super pressure balloons,composition and structure of Loon super pressure balloons,and the role and performance of each component,analyzes its key technologies such as trajectory control,altitude control,inflation and launch,and finally reviews the experimental course and commercial promotion of the Loon project and also forecasts the future working plan.

"Google Loon" project;Internet communications;high-altitude super pressure balloon

2017-03-31

陳聲麒(1987-)，男，安徽池州人，博士，工程師，主要從事浮空器及無人機總體設計研究。

TN926；TN929.5

A

1008-9233(2017)03-0025-05