放飛氣球，獲得高分辨率遙感影像

近日，美國平流層氣球遙感公司城市天空宣布完成A輪融資，共籌集975萬美元。該公司打算利用這筆資金擴大其商業成像業務，開發先進的平流層技術，并擴大其傳感器產品組合。那么，城市天空公司對其微氣球系統的構想是怎樣的？與衛星相比，氣球遙感服務有何特點？未來平流層氣球等浮空器還會有哪些用途？

想做平流層中的SpaceX

這家僅有14名員工的氣球遙感公司于2019年在美國丹佛成立，2位創始人曾在另一家平流層氣球公司世景工作。世景公司使用的氣球更大更貴，最早瞄準載人旅游，后逐步轉向遙感服務。城市天空公司發明了平流層微氣球，這是一種高空遙感平臺，能夠拍攝可見光和長波紅外圖像。該公司旨在利用組件小型化、氣球可重復使用性以及平流層的有利位置，來降低廣泛范圍內獲取遙感數據的成本。

城市天空公司計劃為客戶提供分辨率為10cm的彩色圖像。該公司計劃在遙感器有效載荷質量2.7kg以內的限制條件下，開發分辨率更高的可見光相機和新的紅外相機，用于捕獲分辨率約10cm的高分辨率圖像和分辨率約3.5m的長波紅外數據。

除了目前提供的自然彩色光學圖像外，城市天空公司還在開發近紅外圖像和長波紅外圖像傳感器。這種傳感器被初創公司稱為HotSpot，作為美國宇航局資助和美國空軍支持的一部分，已經被證明可以實時監測野火。

目前，城市天空公司約每周放飛1個氣球，并計劃在未來把放飛頻次提高到每2～3天放飛一次。新一輪融資還將幫助該公司拓展市場，把其飛行和成像業務擴展到美國超過15個州，為美國一些主要的大都市地區拍攝非常新穎、分辨率非常高的照片，而拍攝的重點可能會放在美國中西部。該公司還將這一技術商業化用于多種應用，包括保險分析、公用事業監控、災難響應、野火監控、環境分析以及捕捉高分辨率（小于10cm）的遙感數據。

該公司CEO安東尼奧認為，與其他平流層氣球遙感公司技術路線不同的是，城市天空公司開發的可重復使用的小型平流層氣球，是第一種可以從標準皮卡車后斗釋放的氣球，并且氣球能夠在幾分鐘內通過最少的人員從可移動的裝位置發射。這種移動發射系統與先進的飛行建模軟件，以及安全、受控的下降相結合，可以將這些系統精確地放置在所需區域。“我們的愿景是成為平流層中的SpaceX公司”，安東尼奧補充道，他指的是SpaceX公司開發的可重復使用運載火箭給火箭發射行業帶來翻天覆地的變化。

低成本、靈活性優勢顯著

前文提及的世景公司認為，未來氣球商業前途遠大。僅在遙感領域，到2027年，從能源到國家安全等領域，全球市場價值將達到230億美元。

與地球軌道上的遙感衛星相比，使用平流層氣球獲取遙感圖像有著多種優勢。2023年2月3日，世景公司宣布，公司擬從氣球旅游轉向遙感技術服務，與衛星和航空平臺競爭，提供高分辨率圖像。經過公司驗證，目標區域空間的分辨率可達到5～7cm。這遠高于目前大多數分辨率約30cm的遙感衛星。

另一方面，平流層氣球的研制、使用成本和使用難度都遠低于地球軌道衛星。遙感衛星一般需在幾百公里的軌道上運行，而高軌遙感衛星需要在距離地表約35000km的地球同步軌道上運行，才能保持和地球自轉周期相同。這不僅需要大量前期準備工作，使用火箭將衛星發射到軌道上也需要極大的成本，而后續獲取和分析衛星所拍攝的圖像也需要一定時間。

隨著技術的發展，平流層氣球的成本將逐步降低，同時也能夠更加快速、靈活地運用。

城市天空公司微氣球的重復使用和移動部署相結合，大大降低了使用成本。出于材料工程的要求，氣球必須非常輕、氣密性非常好且成本低。完成拍攝任務后，其他公司的一次性氣球通常會讓氣球彈出高空大氣，或在一側撕開一個洞來將其摧毀。而城市天空公司已經為一種氣球終止和下降機制申請了專利，該機制能夠使氣球保持完好無損地返回并重復使用。

除了移動部署系統之外，該公司還開發了平流層飛行剖面模擬器，用于預測氣球的飛行路徑。軟件根據目標區域，反向預測城市天空公司需要從哪里放飛氣球。

這種可重復使用的氣球使得城市天空公司能夠將10cm分辨率的圖像成本降至5～10美元/km2。相對比而言，衛星對地成像公司Maxar最便宜的圖像，可能在20～25美元/km2，且分辨率低得多。并且平流層氣球更加具有時效性，能夠根據客戶的需要靈活調整放飛時間和拍攝區域，也能夠更加便捷地獲取和分析所拍攝的圖像。

多個市場對城市天空公司的彩色圖像有強烈需求，包括環境監測、財產保險和石油天然氣等行業。不過，公司CEO安東尼奧認為，公司獲取的圖像與商業衛星圖像沒有直接競爭關系，也沒有什么客戶用該公司的圖像來取代衛星圖像。該公司還在探索其小型氣球的其他用途，比如測試網絡通信系統。

浮空器前景廣闊

包括氣球和飛艇在內的浮空器，在當下仍然有著許多應用場景。比如在氣象和科學探測、太空研究、軍事、商業活動等方面，都有著廣闊的應用前景。

在氣象和科學探測方面，雖然現在已經有探空火箭、陸基遙感、氣象衛星等先進手段，但傳統的探空氣球仍然是高空氣象最主要的直接探測方式。探空氣球從地面放飛后，所攜帶的測量儀器會將不同高度周圍的溫度、濕度、氣壓等數據通過信號傳給雷達，雷達通過探空氣球的運動軌跡算出風向、風速等信息，傳送到研究人員的電腦上。據了解，探空氣球可以實現每秒傳回一組數據，這些數據通常對天氣預報、氣候預測、科學研究起著重要作用。

由中國科學院空天信息研究院自主研發的系留浮空器“極目一號”，于2022年5月中旬在珠穆朗瑪峰旁放飛，其飛行高度達到9032m，打破了浮空艇大氣科學觀測海拔高度世界紀錄。“極目一號”體積為2300m3，它采用流線型設計，可攜帶科學探測儀器進行垂直剖面和駐空觀測。

在商業應用方面，除了傳統的旅游觀光等服務外，飛艇在貨物運輸領域也有著不小的市場潛力。現有的鐵路、公路、航空等運輸方式都依賴于大量的基礎設施建設，而飛艇作為一種重型貨物空運設備，幾乎不需要地面建設。

此外，氣球和飛艇等浮空器還有著更廣泛的用途。比如2022年12月，重慶首個搭載5G基站的系留氣球試飛成功，該系留氣球聯動天空和地面平臺，實現通信保障、環境監測、應急救援和高清云瞰4項應急保障功能。相對于傳統無人機基站，浮空器駐空時間更長、能耗更低、載重更大且不產生噪音。

在未來，隨著技術的進步，浮空器或許還有更多、更廣泛的用途，為其應用的領域帶來新的可能。

文章來源：中國航天報