高空偽衛星重新成為無人機領域的新戰場

陳濟桁/中國航空工業發展研究中心

傳統地面觀測衛星高發射成本，低分辨率成像已經一定程度上制約了其進一步發展。高空偽衛星（亦稱為高空長航時無人機，本文沿用高空偽衛星稱謂）作為一種新型無人機系統的出現，帶來更低廉的成本、更高的成像分辨率以及更靈活的任務部署，提供一種非常理想的替代方案。隨著包括航空航天工業巨頭和中小型無人機廠商的基體涌入，高空偽衛星有望成為無人機領域的新戰場。

為了滿足科研、軍事等需求，利用衛星對大氣或者地面目標進行觀測和監視，是人類采取的主要方式。半個多世紀以來，航天技術特別是衛星技術的快速發展，為大量的科研探測工作和軍事監視工作提供了有力的支持。但隨著近年來民用、商用航天領域的快速發展，使用用于探測目的的衛星已經逐漸體現出了弊端。其一，衛星的發射和運行的成本非常高昂，且難以進行修理維護，如果僅僅出于民用高空監測目的，使用衛星對于一些企業和科研機構來說，經濟負擔過重。其二，衛星對地目標觀測的分辨率越來越難以滿足要求。利用無線電進行信號傳輸的衛星，無線電中繼器在大于70km的高度差之間將會產生較大差異，人們常用于觀測的近地軌道衛星（LEO）高度一般在350km左右，而對于特定區域進行持續觀測的地球同步軌道衛星（GEO）高度則超過20000km，這對于觀測成果的分辨率影響不言而喻。基于上述原因，發展一種經濟性更好，且更加靠近地面以提高精度的高空探測系統成為了新的需求。

近年來，隨著無人機系統和廉價衛星系統的發展，科研院校、軍工企業和科技公司等均加大研發投入，研究一種可被認為是無人機與衛星的結合體的新系統——高空偽衛星。

圖1 不同類型的高空偽衛星（圖片來源：歐洲航天局地球觀測圖形辦公室）

什么是高空偽衛星？

高空偽衛星（HAPS）也可稱之為高空長航時無人機（HALE），這是一種可在高空中“飄浮”或長時間飛行的系統或平臺，用來代替空間軌道運行的衛星并提供相關服務。它的工作區域在平流層范圍內，飛行高度普遍高于民航班機和商用飛機，一般距離地面20km以上。此外，按照任務需求，高空偽衛星需要在空中持續航行較長時間，因此往往被設計成能無間斷飛行至少數十天乃至數個月。正因如此，這類無人機往往都具備太陽能充電功能，為其續航提供有效保障。

高空偽衛星是通過大氣的升力保持在高空中運行，主要分為兩大類：一種是浮空氣球，主要利用空氣靜力；另一種是飛行器，主要利用空氣動力學。

圖2 NASA于1999年推出的“太陽神”原型機（圖片來源：NASA）

相比較于傳統的軌道衛星，高空偽衛星的優勢是不僅可以與地面上的某一特定區域保持相對靜止，進行長期觀測，還可以根據需要利用自身機動性進行移動，更加容易部署。不僅如此，高空偽衛星的使用成本更低，可定期返回地面更換電池或進行其他方面的更新維護。由于其在距離地面更近的地方執行監測任務，采用航空成像，可拍攝分辨率更高、更清晰的照片。此外，高空偽衛星還可以通過使用激光將信息傳遞給其他的無人機，或者接收來自地面的信息，從而提供優質的帶寬連接，并且提供衛星無法提供的通訊交流服務。

高空偽衛星引起了政府和制造商的廣泛關注

歐洲宇航局（ESA）一直在尋求填補無人機和衛星之間的空缺，而高空偽衛星的出現引起了歐洲宇航局的密切關注。高空偽衛星可以提供更長的高空飛行續航時間，同時能夠得到更好的拍照分辨率，還可可覆蓋較大的監視面積。此外，歐洲宇航局認為，高空偽衛星不會受到衛星必須考慮的時間滯后影響，因此與衛星和無人機不同，高空偽衛星同樣適用于在發生戰爭和自然災害時建立臨時甚至半永久的通信和導航節點，而這一點正是歐洲宇航局過去20年來一直在探索的。因此，歐洲宇航局將其視為目前正在使用的傳統地球觀測衛星系統的一個很好補充，在改進電信系統、搜集情報和科學觀測等領域具有良好的應用前景。

目前，隨著小型航空電子設備、高性能太陽能電池、先進復合材料、地球觀測傳感器的小型化和高帶寬的通信鏈路等設備技術的逐步成熟，發展更具價格競爭力的高空偽衛星也已經逐步成為了無人機廠商的目標。

美國宇航局是首批進軍高空偽衛星領域的機構

1999年美國宇航局推出的一款名為“太陽神”（Helios）的原型驗證機，是首批進軍高空偽衛星技術領域的產品。NASA當時采用了一款外形類似回旋鏢的飛行器，這種飛行器是由碳纖維和泡沫塑料制成，可以用作空中手機信號平臺。

“太陽神”的翼展達到了75m，擁有14個電動螺旋槳，最大飛行高度可以達到30000m，并能在空中停留超過24h。以當時的技術條件，擁有如此翼展長度的飛行器在超高空中飛行，本身就是巨大的挑戰。此外，飛行器還需要利用太陽能提供動力，難度可想而知。承擔該項目的負責人表示，對于“太陽神”來說，能量存儲是致命傷。對于任何一種飛行器來說，續航能力都是非常重要的，因此需要選擇非常可靠的電池。研究團隊也曾嘗試過燃料電池，但經過權衡還是認為采用鋰電池是更好的選擇。不過遺憾的是，這款飛行器最終還是由于技術問題，于2003年在太平洋考艾島附近墜毀。

美國國防部預研局的“禿鷹”計劃明確了高空偽衛星的技術內涵

2009年，美國國防部預研局發布了一個全新的項目，代號“禿鷹”（Vulture）。該項目的目標是開發一種可在至少能在高空中持續飛行5年的飛行器，在特定目標區域上空完成情報、監視與偵察（ISR）以及通信傳輸工作。

圖3 極光公司設計的“禿鷹”概念機（圖片來源：極光公司）

圖4 “西風”S可在軍事監視方面擁有很好的應用前景（圖片來源：空客公司）

“禿鷹”的設計工作高度為18000～27000m的高空，具備自動飛行飛行器的超長續航能力，可由地面操作人員控制，方便在高空中完成重新部署。美國國防部預研局授權了波音、洛克希德·馬丁和極光飛行公司承擔這一項目的研發工作。其中極光飛行科學公司設計的一種“禿鷹”概念機，外觀上看上去就像一個飛行的字母“Z”。

不過，該項目最終只停留在了概念設計階段，美國國防部預研局已經于2014年終止了這一研發計劃。

空客公司在高空偽衛星領域的研發保持領先

空客公司自2008年開始著手研發高空偽衛星。雖然起步較晚，但空客公司憑借自身雄厚的技術積累，很快取得了顯著的研發成果，并在相關技術指標上領跑全球。2010年，空客公司首次推出了“西風”（Zephyr）系列高空偽衛星產品。其中“西風”7原型機刷新了當時在無加油、停落情況下的無人機續航記錄，續航能力達到了14天。在此基礎上，空客公司決定將該系列進行商業化運作，并開發出了兩款商用產品“西風”S與“西風”T。其中“西風”S可提供更好的語音數據和通信服務，而“西風”T可提供更大的有效載荷。由于高海拔地區的摩擦較小，這些系統也使飛行成本更低，并且都可以使用太陽能充電飛行。此外，為了使得他們擁有更好的續航能力，空客公司從大自然中獲得靈感，將傳統商用客機中常見的上翹型翼梢小翼改為尖端向下彎曲，類似禿鷹的翅膀。空客公司表示，由于高空偽衛星對飛行速度要求較低，因此做這樣的改進目的是進一步提升升力。經過改進后，飛行器對風力的搜集和利用能力提高了15%。當然，不斷的減輕機體重量也是空客公司追求的目標，“西風”S的重量在75kg左右，而“西風T”算上有效載荷也僅僅136kg。

“西風”S的翼展約25m，白天可以利用太陽能為飛行器提供所需動力，同時也為攜帶的鋰硫電池充電，以便在夜間充當能源。2018年8月，“西風S”創造了在21300m高空飛行25天23小時7分的大氣層中最長續航飛行紀錄。英國國防部對“西風”S的研發工作進行了資助，并計劃采購一定數量作為英國軍隊的高科技飛行器，監視世界各地的目標。為了使得該系列產品擁有更好的載荷能力，空客公司正籌劃將“西風”T的翼展長度從25m延展到33m左右，這將使得其負載能力提升一倍，達到20kg左右，這足以保證該飛行器攜帶雷達、超高清影像儀及其他客戶想要搭載設備。

圖5 空客“西風”太陽能無人機量產年產可達30架

圖6 “雙翼雨燕”可以主動控制機翼變形，實現靈活、輕便的結構。（圖片來源：UAVOS）

圖6 極光公司研發團隊在廠房前展示巨大的“奧德修斯”（圖片來源：極光公司）

作為目前最先進的太陽能高空偽衛星，“西風”S目前已經飛行了超過1000h。有報道稱，該機已經進入了量產階段，年產量約為30架。

UAVOS試飛了利用太陽能的高空偽衛星

除了傳統航空巨頭企業，很多中小型無人機廠商也紛紛加入了這場關于高空偽衛星的競爭當中。來自美國加利福尼亞州山景市的無人飛行器開發商UAVOS公司，2018年10月針對一種名為“雙翼雨燕”（ApusDuo）的太陽能高空偽衛星（HAPS）完成了10m翼展原型機的初步測試。該機的全尺寸版翼展為28m。

“雙翼雨燕”的主體結構采用碳纖維復合材料，擁有兩組平行機翼，通過三根支柱連結到一起。飛行器的翼展上部配備了一系列太陽能發電板，整機全部運轉都依靠機載計算機控制完成，起飛和降落也都能夠自主完成。機載計算機的CPU配備了UAVOS公司設計的飛行控制系統，可以感知機翼的變形，在天氣和風力狀況發生改變的時控制三個獨立的尾部以實現飛行器偏轉的最小化，保持飛行器最佳空中飛行姿態。這使得無人機可擁有更輕、更靈活的機身結構。

UAVOS公司在今年5月進行了雙翼原型機的首次飛行，在此之前，他們已經對單翼版的“雨燕”進行了飛行測試，并成功驗證了UAVOS公司飛行控制系統可行性。“雙翼雨燕”是在單翼版的基礎上，在三個獨立尾部增加了第二個機翼，太陽能電池陣列覆蓋了兩個機翼的上表面，推進驅動力由安裝在尾翼和垂尾連接處的三個螺旋槳提供。

UAVOS公司官網給出了翼展15m型別的“雙翼雨燕”無人機的性能規格。它重約23kg，其中可包含2kg的有效載荷，這種飛行器的設計使用壽命是可在12000～20000m左右的高空區域浮空飛行一年。

UAVOS公司表示“雙翼雨燕”的原型機試飛的目的是為了測試飛行控制算法，包括起飛和著陸的過程。測試的結果全面驗證了高空偽衛星空氣動力學方面的性能。目前，該機已經在20m左右的高度完成了1000h的飛行測試，機翼在亂流中也能夠從容應對。UAVOS公司有信心讓該機在至少15000m高空中完成飛行測試的目標。

高空偽衛星市場競爭將逐步加劇

2018年11月，波音旗下的極光飛行科學公司宣布，公司正在建造的“奧德修斯”太陽能高空偽衛星將在2019年第一季度開始第一次飛行計劃。“奧德修斯”的設計留空之間為3個月，其翼展達到了74m，目前正在進行地面測試。由于尺寸過大，該機被分成三段裝入位于弗吉尼亞州馬納薩斯的極光總部飛機庫。完成測試后，將在2019年2月底由集裝箱貨船運至波多黎各開始飛行測試。

隨著眾多航空巨頭的入局，高空偽衛星市場即將迎來爆發。據Stratistics MRC的數據統計，全球的高空偽衛星市場在2017-2023年間將以15.2%的復合年增長率持續擴張。這主要是基于兩點原因：一方面，高空偽衛星具有與近地軌道衛星和地球同步衛星相似的功能，但卻更具成本優勢，可以很好的與地面基礎設施和遠程駕駛飛機系統形成優勢互補，一定程度上代替了傳統衛星；另一方面，人們對高通量寬帶和無線服務需求的增加，以及先進材料等技術的發展，也成為了促進高空偽衛星市場增長的主要因素。特別是面臨越來越繁重的網絡通訊服務需求，電信運營商們很可能持續在高空偽衛星領域增加投資。

在上述的預測期內，歐美地區將成為高空偽衛星市場的主要收入來源。這主要是歸功于該地區具有更多高度發達的基礎設施建設，以及諸如ESA、NASA等重要政府機構與新興初創公司合作的擴張。美、英等國家對于軍事情報搜集、特別是對于難以進行加油補給的遠海環境的情報搜集等國防需求增加，也將推動高空偽衛星技術的發展和應用的增長。而在其他領域的應用也正在進一步探索之中，歐洲海事局正在與相關無人機廠商共同研究可以利用高空偽衛星的領域，例如智能交通、海事監測與監視、環境觀測和陸地邊界檢測等。

盡管高空偽衛星這一概念從提出到如今才不過短短十年，但現有的技術已經可以實現將通信、電池、輕質材料和小型嵌入式系統設備進行優質整合，這也使得高空偽衛星獲得更好的發展成為可能。目前包括航空航天工業巨頭、無人機廠商、科創公司、互聯網企業等都積極布局市場，嘗試進行研發，這表明了該領域存在巨大的市場需求和商業價值。可以預見，高空偽衛星領域有望在短期內成為無人機廠商的新戰場。■