世界上三分之一的人上不了网—HAPS可以改变这种情况

百科 2024-08-28 09:37 北京

像这艘太阳能飞艇这样的实验飞机有朝一日可能会在为农村地区或灾区提供互联网接入方面发挥作用。

由于基础设施限制、经济差异和地理隔离，全球约有三分之一的人口（约 30 亿人）无法访问互联网或连接不佳。

今天的卫星和地面网络留下了通信空白，由于地理位置的原因，设置传统的地面通信设备会过于昂贵。

高空平台站（HAPS）——位于高空中的无人气球、飞艇、滑翔机和飞机上的电信设备——可以通过填补地面和卫星覆盖的互联网连接空白来促进社会和经济平等。这可能会让更多人充分参与数字时代。

Mohamed-Slim Alouini 是一名电气工程师，他为一项实验做出了贡献，该实验表明可以从平流层提供高数据速率和无处不在的 5G 覆盖。平流层是大气层中第二低的层，距离地球 4 到 30 英里不等。商用飞机通常在平流层的下部飞行。该实验在三种情况下测量了平台站和地面用户之间的信号：静止状态的个人，行驶中的车辆和行驶中的船只。

我的同事们测量了信号相对于干扰和背景噪声水平的强度。这是衡量网络可靠性的指标之一。结果表明，平台站可以支持高数据速率应用，例如流式传输 4K 分辨率视频，并且可以覆盖标准地面塔的 15 到 20 倍的面积。

Facebook 和 Google 早期尝试商业部署平台站未成功。但最近的投资、技术改进以及传统航空公司和专业航空航天初创公司的兴趣可能会改变这种局面。

目标是全球连接，这一事业使HAPS的想法在世界经济论坛的 2024 年 10 大新兴技术报告中得到认可。包括学术合作伙伴在内的国际行业倡议 HAPS 联盟也在努力实现这一目标。

快速、经济高效、灵活

平台站将比基于卫星的系统更快、更具成本效益且更灵活。

因为它们使通信设备比卫星更靠近地球，所以这些站可以提供更强、更高容量的信号。这将使实时通信速度足够快，以便与标准智能手机进行通信，为成像任务提供高分辨率功能，并为传感应用提供更高的灵敏度。它们通过自由空间光学器件或光束以及大型天线阵列系统传输数据，这些系统可以快速发送大量数据。

当卫星的轨道飞越敌对国家时，它们可能容易受到窃听或干扰。但平台电台仍然在一个国家的领空内，这降低了这种风险。

高空平台站也比卫星更容易安装，因为卫星的发射和维护成本很高。而且，确保平流层位置所需的监管要求和合规程序可能比管理卫星轨道的复杂国际法律更简单。平台站也更容易升级，因此可以更快地部署改进。

高空平台站的污染也可能比卫星巨型星座少，因为卫星在重返大气层时会燃烧殆尽，并可能将有害金属释放到大气中，而平台站可以由太阳能和绿色氢等清洁能源提供动力。

实际平台站面临的主要挑战是将它们可以在高空停留的时间增加到一次数月，提高绿色机载动力并提高可靠性——尤其是在通过大气的较低湍流层自动起飞和着陆期间。

超越卫星

互连的高空平台站网络可以连接农村地区的移动用户和物联网设备。

平台站可以在紧急情况和人道主义情况下发挥关键作用，在地面网络受损或无法运行时支持救援工作。

HAPS还可以连接远程设置中的物联网（IoT）设备和传感器，以更好地监控环境和管理资源。

在农业方面，HAPS可以使用成像和传感技术来帮助农民监测作物健康状况、土壤状况和水资源。

它们的高分辨率成像能力还可以支持对制图、城市规划和灾害响应至关重要的导航和测绘活动。

HAPS还可以通过携带用于大气监测、气候研究和地球表面特征、植被和海洋遥感的仪器来发挥双重作用。

从气球到飞机

HAPS可以基于不同类型的飞行器。

气球在高海拔地区提供稳定、长时间的运行，并且可以系留或自由漂浮。飞艇，也称为硬式飞艇或软式飞艇，使用比空气轻的气体，比气球更大、更易操纵。它们特别适合用于监控、通信和研究。

滑翔机和动力飞机可以比气球更精确地控制，气球对风速变化很敏感。此外，动力飞机（包括无人机和固定翼飞机）可以为通信设备、传感器和摄像头供电。

新一代电源

HAPS可以利用多种能源，包括越来越轻和高效的太阳能电池、高能量密度电池、绿色氢内燃机、绿色氢燃料电池（目前正处于测试阶段），以及最终由地面或太空太阳能站供电的激光束。

轻型飞机设计的发展，加上高效电机和螺旋桨的进步，使飞机能够飞行更长时间并携带更重的有效载荷。这些尖端的轻型飞机技术使得这种类型的HAPS能够在平流层中长时间机动。

同时，平流层天气模型和大气模型的改进使得预测和模拟平台站的运行条件变得更加容易。

弥合全球数字鸿沟

平台站的商业部署，至少在灾后或紧急情况下，可能会在本十年末到位。例如，日本是一个拥有偏远山区和岛屿社区的国家，其一个财团（软银）已拨款 1 亿美元用于太阳能HAPS。

HAPS可以通过增加获得教育和医疗保健等关键服务的机会、提供新的经济机会以及改善应急响应和环境监测来弥合数字鸿沟。随着技术的进步不断推动其发展，站台站将在更具包容性和弹性的数字未来中发挥关键作用。

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