馬洪忠，中國航天科工飛航技術(shù)研究院無人機技術(shù)研究所，研究員，研究方向為飛行器控制、總體設(shè)計；
李慶（通信作者），中國航天科工飛航技術(shù)研究院無人機技術(shù)研究所，工程師，研究方向為飛行器總體設(shè)計。
基于太陽能無人機的臨近空間通信系統(tǒng)是指利用太陽能無人機等可在臨近空間實現(xiàn)長時間飛行的平臺提供通信服務(wù)的系統(tǒng)，是介于目前已有地面通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間的一個新型通信系統(tǒng)，可用于開發(fā)地面與太空之間的高度空間的潛在利益，提高通信容量和頻譜利用率，降低系統(tǒng)設(shè)備成本和復(fù)雜性。基于臨近空間飛行器的互聯(lián)網(wǎng)（HAPS）是“一種具有遠大應(yīng)用前景、可以顛覆電信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新技術(shù)”，國際電信聯(lián)盟（ITU）將其定義為“彌補信息覆蓋縫隙”的新技術(shù)的一種，認(rèn)為“它是下一代無線通信的基礎(chǔ)并且具有能夠充分利用無線頻譜資源、系統(tǒng)用戶容量大、通信質(zhì)量好、運營風(fēng)險小等特點，并可以隨時進行通信載荷的升級”。
美國Google公司和Facebook公司均通過收購公司項目的形式，投入巨資開展了空基互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究和技術(shù)驗證，目前兩家公司均已開展了樣機飛行。其中，Google公司除了被公眾熟知的利用高空氣球?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)信號接入的“潛鳥計劃”（Project Loon，也稱“熱氣球網(wǎng)絡(luò)計劃”）外，為實現(xiàn)更大的通信速率和更加靈活的使用模式，發(fā)展了“索拉拉”（Solara）系列太陽能無人機，采用大展弦比正常式布局，翼展50 m，有效載荷32 kg，2015年5月1日，Solara50（圖1）在美國新墨西哥州進行了試飛。
圖1 Solara50
Facebook公司從2013年開始推行Internet.org項目，以期加強偏遠地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，實現(xiàn)全球三分之二高速互聯(lián)網(wǎng)接入的無線覆蓋率。其空中網(wǎng)絡(luò)基站計劃研制了“天鷹座”（Aquila）太陽能無人機，旨在以激光通信實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，提供“千兆級”通信速率。該無人機采用大展弦比飛翼布局，翼展43 m，起飛重量400~454kg，航時90天（設(shè)計值），外形如圖2所示。該無人機于2016年6月28日在亞利桑那州尤馬縣（Yuma）首次試飛，目前正在開展低空飛行測試。2017年11月，F(xiàn)acebook公司宣布將基于天鷹座無人機與空客公司進行合作開展臨近空間通信系統(tǒng)項目，以此推動HAPS從概念走向現(xiàn)實，并與國際電信聯(lián)盟（ITU）就通信所需的寬波段頻譜支持達成初步意向。
圖2 Aquila
此外，國外還研發(fā)了多型有望應(yīng)用于應(yīng)急通信領(lǐng)域的臨近空間太陽能無人機，如“太陽神”系列太陽能無人機、“禿鷹（Vulture）”研究計劃、“西風(fēng)”系列太陽能無人機等。中國航天科工集團、中國航天科技集團、西北工業(yè)大學(xué)等單位研發(fā)的太陽能無人機平臺也取得了重要進展。
本文基于太陽能無人機的臨近空間通信系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢，對典型的應(yīng)用場景及涉及的關(guān)鍵技術(shù)和潛在的效益進行分析。
太陽能無人機在通信體系中的定位
臨近空間通信系統(tǒng)特點
太陽能無人機續(xù)航時間長、飛行高度高等能力優(yōu)勢，不但具備傳統(tǒng)航空、航天飛行器的諸多優(yōu)點，同時還具備自身獨特的能力優(yōu)勢，一定程度上具有“準(zhǔn)衛(wèi)星”應(yīng)用特征。當(dāng)其搭載通信載荷開展應(yīng)用時，具有以下三大優(yōu)勢：
1）作業(yè)效率高。憑借太陽能無人機平臺的超長續(xù)航能力，單機單次執(zhí)行任務(wù)可實現(xiàn)“周”級以上任務(wù)航時；憑借其超高飛行高度，對下可實現(xiàn)更廣的區(qū)域覆蓋，從而可完成大面積目標(biāo)區(qū)域通信保障工作。
2）綜合效費比高。太陽能無人機平臺成本在千萬量級，相比于衛(wèi)星，不需要通過數(shù)億元的火箭發(fā)射，具有成本優(yōu)勢，且可多次重復(fù)使用，可返回地面升級；相比于其他油動無人機，太陽能無人機沒有燃油消耗，以上因素使得太陽能無人機具有很高的綜合效費比。
3）使用維護便捷?；谀壳皣鴥?nèi)外在輕質(zhì)高強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、高效能源動力系統(tǒng)、總體優(yōu)化等領(lǐng)域的技術(shù)突破，采用硬式機翼技術(shù)路線的太陽能無人機可實現(xiàn)翼展的有效控制，普通小型通航機場即可滿足起降需求；同時可實現(xiàn)快速的展開部署與撤收，實現(xiàn)對應(yīng)急場景的快速響應(yīng)；能夠有效應(yīng)對對流層復(fù)雜紊流環(huán)境，飛行安全性高。
系統(tǒng)能力優(yōu)勢
國內(nèi)目前已有通信手段包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面蜂窩通信系統(tǒng)，地基鐵塔主要用于平原城市等人口密集地區(qū)通信，天基衛(wèi)星主要保障高價值窄帶通信，臨近空間太陽能無人機可利用其機動性好、使用維護效費比高、系統(tǒng)升級簡易等獨特優(yōu)勢，用于偏遠地區(qū)通信補盲、災(zāi)區(qū)應(yīng)急通信、遠程通信、人口密集地區(qū)的通信備份和增強等，與以上2種手段形成有效互補。
基于太陽能無人機的臨近空間通信系統(tǒng)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，第一，與地面終端距離更近，處于臨近空間的無人機與地球同步衛(wèi)星相比，自由空間衰減減少65 dB，通信保障速率較衛(wèi)星有數(shù)量級的提升；可有效降低通信時延，提升通信質(zhì)量，更有利于遠程語音通信；也更有利于實現(xiàn)通信終端的小型化、寬帶化和低成本；第二，不受衛(wèi)星嚴(yán)格的發(fā)射窗口要求，可根據(jù)使用需求，快速反應(yīng)實現(xiàn)應(yīng)急補網(wǎng)；第三，制造及發(fā)射成本相對較低，其制造成本遠低于價值達數(shù)億元的衛(wèi)星，其使用運行費用低廉，綜合效費比高；第四，可根據(jù)使用或維護需求，快速返回地面更換有效載荷。
基于太陽能無人機的臨近空間通信系統(tǒng)與地面蜂窩通信系統(tǒng)相比，第一，具有更廣的覆蓋范圍，并可有效覆蓋偏遠山區(qū)、小型島礁等難以架設(shè)地面基站的地區(qū)；第二，更強的任務(wù)適應(yīng)性，可在遭受重大災(zāi)害時，快速應(yīng)急恢復(fù)災(zāi)區(qū)通信能力；第三，更小的信道損耗，到地面近似為自由空間，信道損耗僅為蜂窩通信2/5，可獲得更高的通信容量，實現(xiàn)任務(wù)設(shè)備的小型化。
基于太陽能無人機的臨近空間通信系統(tǒng)可與目前已有的衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面通信系統(tǒng)綜合組網(wǎng)，并可在某些情況下應(yīng)急替代地面、衛(wèi)星通信系統(tǒng)功能，因此臨近空間通信系統(tǒng)是空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)體系中重要組成部分，與地面、衛(wèi)星通信系統(tǒng)可形成有效的補充和增強作用，未來可與衛(wèi)星、地面通信系統(tǒng)共同構(gòu)建“全域多維、立體覆蓋”的天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)。
應(yīng)用方向
基于太陽能無人機的臨近空間通信系統(tǒng)根據(jù)其自身應(yīng)用特點，可實現(xiàn)增強、補盲、應(yīng)急、遠程中繼等4類應(yīng)用模式?？沙休d語音、圖片、視頻等信息，具備單向、雙向通信能力。
第一，作為已有通信服務(wù)增強，隨著無人機和通信技術(shù)的發(fā)展，基于臨近空間太陽能無人機的臨近空間通信系統(tǒng)能夠提供更高的通信速率（可達到1 Gbit/s）。可根據(jù)實際場景需求，提供局部地區(qū)臨時通信增強能力，解決大型活動、體育賽事等短時間內(nèi)局部區(qū)域通信容量需求增強問題。
第二，作為偏遠地區(qū)通信補盲，偏遠地區(qū)及海島不便于架設(shè)地面基站，同時地面通信的使用維護成本過高?；谂R近空間太陽能無人機的臨近空間通信系統(tǒng)利用其機動部署的特點，能夠為遠海島嶼（礁）、邊遠地區(qū)等提供局部通信。例如，可通過約20架臨近空間太陽能無人機即可實現(xiàn)對南海全域覆蓋，解決中國南海部分島礁無法架設(shè)基站、通信存在盲區(qū)的問題。
第三，作為應(yīng)急通信，在地震等災(zāi)害導(dǎo)致地區(qū)通信設(shè)施受到損毀的條件下，多機升空組網(wǎng)，在災(zāi)害發(fā)生后數(shù)小時內(nèi)快速恢復(fù)通信能力，并可提供“周級”甚至更長時間的不間斷應(yīng)急通信服務(wù)，為黃金72小時救援行動提供信息保障，提高應(yīng)對災(zāi)害的能力，減少損失。
第四，作為遠程中繼通信，以往中國遠程中繼通信多通過銥星或海事衛(wèi)星系統(tǒng)，存在運營成本高、傳輸速率有限等問題，且系統(tǒng)升級困難，采用臨近空間太陽能無人機作為遠程中繼通信平臺，能夠以更低的成本實現(xiàn)更大的傳輸速率，系統(tǒng)升級維護簡易，從而可提供一種新型的遠程語音和數(shù)據(jù)傳輸中繼方式。
典型應(yīng)用場景
面向不同的任務(wù)場景，應(yīng)用的形式也有所不同。既可作為一個空中“Wi-Fi”對下覆蓋，保障覆蓋范圍內(nèi)用戶的局域網(wǎng)通信，也可構(gòu)建一個前后方通信的“空中信息走廊”，保障覆蓋范圍用戶與后方的即時通信。既可自主接入現(xiàn)有運營商網(wǎng)絡(luò)（公網(wǎng)），也可構(gòu)建獨立于公網(wǎng)之外的專用網(wǎng)絡(luò)（專網(wǎng)）。以下介紹了基于太陽能無人機的臨近空間通信系統(tǒng)的3種典型應(yīng)用場景。
空中局域網(wǎng)
基于太陽能無人機的空中局域網(wǎng)，是以太陽能無人機為空基平臺，搭載機載局域網(wǎng)單元，構(gòu)建完整的空基局域網(wǎng)絡(luò)，提供信息服務(wù)。憑借太陽能無人機飛行高度高、機動性強、滯空時間長等優(yōu)勢，系統(tǒng)可提供遠大于地面基站的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍以及不受區(qū)域限制的“伴隨式”網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)部用戶信息互聯(lián)互通，并為用戶的IP數(shù)據(jù)、語音、視頻等業(yè)務(wù)提供接口和傳輸鏈路。在區(qū)域反恐維穩(wěn)、災(zāi)區(qū)應(yīng)急救援等場景下，可有效支撐實現(xiàn)前方現(xiàn)場內(nèi)部指揮調(diào)度功能。目前國內(nèi)的中國航天科工集團正面向該類應(yīng)用方向，通過商業(yè)航天的形式開展“飛云”工程的系統(tǒng)研發(fā)工作。
基于太陽能無人機的空中局域網(wǎng)由太陽能無人機平臺、機載局域網(wǎng)單元、地面指揮控制單元和地面用戶終端組成（圖3）。其中地面用戶終端根據(jù)用戶類型分為靜中通和動中通用戶終端。
圖3 基于太陽能無人機的空中局域網(wǎng)系統(tǒng)組成
根據(jù)任務(wù)需求，太陽能無人機起飛并按照預(yù)先規(guī)劃的飛行航跡飛抵任務(wù)區(qū)域，在目標(biāo)區(qū)域上方盤旋飛行。通過機載局域網(wǎng)單元對下形成局域網(wǎng)覆蓋，為覆蓋范圍內(nèi)的地面用戶提供局域網(wǎng)接入服務(wù)，覆蓋范圍內(nèi)用戶之間可實現(xiàn)內(nèi)部通信及數(shù)據(jù)交互。指揮控制單元通過測控鏈路對無人機進行任務(wù)規(guī)劃及實時監(jiān)控。根據(jù)實際任務(wù)情況，無人機平臺可對地/海面用戶進行“伴隨式”保障。系統(tǒng)使用模式如圖4所示。
圖4 基于太陽能無人機的空中局域網(wǎng)應(yīng)用示意
海上應(yīng)急通信
利用太陽能無人機的高空飛行能力以及超長滯空時間，可形成海上方向的應(yīng)急通信手段，為覆蓋范圍內(nèi)的沿岸受災(zāi)地區(qū)、值守島礁、海上鉆井平臺、出海漁船等一定范圍內(nèi)手機用戶提供前后方之間語音通話等應(yīng)急通信保障服務(wù)，便于后方實時掌握前方情況，組織救援等行動開展。
系統(tǒng)由太陽能無人機平臺分系統(tǒng)、機載通信載荷分系統(tǒng)、地面通信載荷分系統(tǒng)、機載指揮控制分系統(tǒng)、地面指揮控制分系統(tǒng)、地面支援保障分系統(tǒng)組成。系統(tǒng)包含視距通信無人機和衛(wèi)星通信無人機兩架無人機，根據(jù)不同任務(wù)場景需求，配置有不同載荷（表1），實現(xiàn)近/遠海廣域通信覆蓋。
表1 無人機應(yīng)用場景及載荷配置情況
當(dāng)任務(wù)區(qū)域處于視距數(shù)據(jù)終端測控范圍內(nèi)時，采用視距通信無人機進行業(yè)務(wù)保障，利用無人機搭載LTE通信基站對下形成區(qū)域覆蓋，并通過視距微波鏈路實現(xiàn)前后方語音、短信、上網(wǎng)等信息交互，可保障覆蓋范圍內(nèi)400個用戶同時在線使用。此外，無人機還可利用搭載的船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）信號接收機或呼救（SOS）信號接收機，實現(xiàn)覆蓋范圍內(nèi)的船只AIS信號接收或SOS信號接收。當(dāng)任務(wù)區(qū)域處于視距數(shù)據(jù)終端測控范圍外時，采用衛(wèi)星通信無人機執(zhí)行任務(wù)，通過衛(wèi)星通信鏈路實現(xiàn)前后方語音、短信、上網(wǎng)等信息交互。系統(tǒng)使用模式如圖5所示。
圖5 太陽能無人機海洋應(yīng)急通信保障應(yīng)用示意
偏遠地區(qū)網(wǎng)絡(luò)接入
針對偏遠地區(qū)不便于架設(shè)地面基站，以及用戶較為分散的實際情況，利用太陽能無人機續(xù)航能力強、覆蓋范圍大、使用維護便捷、可實現(xiàn)快速系統(tǒng)升級等能力優(yōu)勢，執(zhí)行偏遠地區(qū)網(wǎng)絡(luò)接入保障任務(wù)，滿足相關(guān)地區(qū)人員與外界通信交流需求。
基于太陽能無人機的空基互聯(lián)通訊系統(tǒng)主要包括無人機機群組成的空中互聯(lián)通信平臺、無人機控制/通信地球站（網(wǎng)關(guān)）、微基站、固定終端、移動終端等，具體拓?fù)潢P(guān)系如圖6所示。
圖6 系統(tǒng)組成及信息傳輸拓?fù)?/p>
太陽能無人機作為空中互聯(lián)通信平臺，每架無人機配置一副多波束天線，天線在其所覆蓋范圍內(nèi)能發(fā)射多個點波束，每個波束實現(xiàn)對一個蜂窩小區(qū)的覆蓋，無人機平臺即相當(dāng)于城市移動通信中的空中蜂窩基站。
無人機控制/通信地球站通過與無人機之間的雙向通信，實現(xiàn)對無人機的控制，以及無人機覆蓋區(qū)域用戶信息與地面通信網(wǎng)絡(luò)之間的無縫接入。無人機控制/通信地球站具備同時接入和控制多架無人機的能力。多架無人機直接或間接實現(xiàn)相互連通，構(gòu)建空中互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，無法直接接入控制/通信地球站的無人機可經(jīng)由其他無人機中繼間接接入地球站。微基站主要用于手機、筆記本電腦等較微弱信號用戶與無人機通信的中繼，通過一個或多個微基站實現(xiàn)對一個蜂窩小區(qū)的覆蓋，實現(xiàn)該小區(qū)中用戶的無線通信接入功能。固定終端或移動（車載）終端主要是針對一些特定無微基站覆蓋的應(yīng)用場景，用戶通過在家中或車上安裝一個專門的信號增強轉(zhuǎn)發(fā)器，經(jīng)由轉(zhuǎn)發(fā)器的中繼實現(xiàn)用戶的無線通信接入。
整個系統(tǒng)運行過程中，各空間太陽能無人機按照計劃依次定期返航進行維護，確保整個系統(tǒng)可靠運行。
關(guān)鍵技術(shù)分析
基于太陽能無人機提供通信保障服務(wù)是一種嶄新的應(yīng)用模式，其中涉及的無人機平臺、通信載荷及其應(yīng)用方面均存在一些技術(shù)難點有待攻關(guān)。以下對系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行分析。
高效能源系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)
高效的能源系統(tǒng)是太陽能無人機實現(xiàn)超長任務(wù)航時的關(guān)鍵支撐，具體包括高轉(zhuǎn)化效率的太陽能電池、高能重比儲能電池以及高效能源管理系統(tǒng)等。
太陽能電池方面，目前傳統(tǒng)單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率偏低，組陣后轉(zhuǎn)化效率為20%~23%，受材料特性影響，后續(xù)進一步提升空間有限；轉(zhuǎn)化效率可達30%以上的砷化鎵太陽能電池受目前工藝、設(shè)備等因素影響，價格在50萬/km2以上，過高的價格導(dǎo)致其難以大規(guī)模應(yīng)用。需針對襯底復(fù)用等技術(shù)開展攻關(guān)，以進一步降低成本，并提升太陽能電池效率。此外，為滿足機翼曲面敷設(shè)以及臨近空間環(huán)境適應(yīng)性需求，需開展太陽能電池封裝及敷設(shè)技術(shù)研究，嚴(yán)格控制由封裝、敷設(shè)帶來的質(zhì)量增加，同時使太陽能電池具備良好的柔性，并具備耐高/低溫變化、耐輻射、耐臭氧腐蝕、高可靠性等特點。
儲能電池方面，儲能電池組質(zhì)量可占太陽能無人機總重的20%~50%，提高儲能電池的能量密度可有效提升太陽能無人機整體性能，增加夜間飛行高度和任務(wù)載荷能力。傳統(tǒng)鋰電池組的能重比在200~230（W·h）/kg，目前正在針對具有更高能重比的新型鋰電池、鋰硫電池、固態(tài)電池等開展技術(shù)攻關(guān)，重點解決充放電循環(huán)次數(shù)、電池衰減性能、放電倍率等方面的問題。此外，儲能電池對環(huán)境溫度要求較為苛刻，儲能電池組在臨近空間低溫低氣壓環(huán)境下的環(huán)境控制問題也是一個重要技術(shù)難點，需綜合采用“被動+主動”環(huán)境控制措施滿足環(huán)控需求。
能量管理系統(tǒng)方面，通過最大功率點跟蹤器（MPPT）可實現(xiàn)對太陽能電池能量采集的最優(yōu)控制，需進一步針對變功率跟蹤技術(shù)進行深入研究，并提高基礎(chǔ)元器件性能水平，降低器件損耗。利用儲能電池管理系統(tǒng)（BMS）對能源的存儲和使用進行精細化管理，對電池的狀態(tài)進行監(jiān)測和保護，并重點針對能量均衡技術(shù)、剩余電量（SOC）高精度指示技術(shù)等開展技術(shù)攻關(guān)。通過提高能源管理技術(shù)水平，實現(xiàn)能源的精打細算，進一步支撐無人機總體性能提升。
太陽能無人機總體優(yōu)化設(shè)計技術(shù)
太陽能無人機基于在低雷諾數(shù)高升阻比氣動設(shè)計、大型輕質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造、跨大空域高效螺旋槳設(shè)計等領(lǐng)域先進技術(shù)成果，采用硬式機翼技術(shù)路線，通過總體優(yōu)化設(shè)計，可實現(xiàn)總體性能和使用維護性之間的平衡，滿足相關(guān)任務(wù)需求。
在低雷諾數(shù)高升阻比氣動設(shè)計方面，太陽能無人機典型雷諾數(shù)在數(shù)十萬量級，流動分離、轉(zhuǎn)捩、流動再附等現(xiàn)象復(fù)雜，目前數(shù)值模擬計算結(jié)果存在較大偏差且計算不易收斂，在可容納試驗?zāi)Ｐ统叽?、風(fēng)洞湍流度等方面，國內(nèi)目前已有的大型風(fēng)洞距離該類無人機試驗需求尚有一定差距。后續(xù)需綜合采用數(shù)值模擬、工程估算、部件級風(fēng)洞試驗、外場試飛等多種手段，提高該類大展弦比低速無人機的低雷諾數(shù)氣動設(shè)計及評估能力。
在大型輕質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造方面，設(shè)計中需要平衡結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化和剛度/強度要求之間的關(guān)系，制造中需要有效控制樹脂含量并實現(xiàn)結(jié)構(gòu)制造的低成本化，通過盡可能降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù)以增加任務(wù)載荷能力。因此可通過選用在航空領(lǐng)域應(yīng)用日趨成熟的高強碳纖維預(yù)浸料，配合真空袋模壓成型等非熱壓罐成型工藝形式，將樹脂含量控制在40%左右，并大幅降低復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成本，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能和成本的兼顧。
在跨大空域高效螺旋槳設(shè)計方面，20 km臨近空間高度空氣密度約為海平面處的1/14、壓強約為海平面處的1/18，高低空差別巨大的飛行工況對于螺旋槳的設(shè)計要求截然不同，其中臨近空間低雷諾數(shù)條件對螺旋槳氣動設(shè)計更是提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，需考慮采用變槳距等手段，面向全程優(yōu)化飛行目標(biāo)進行優(yōu)化設(shè)計。
基于太陽能無人機平臺的信息服務(wù)技術(shù)
基于太陽能無人機平臺開展通信類信息服務(wù)，為了實現(xiàn)高速率、大容量、廣覆蓋等特點，滿足各種復(fù)雜應(yīng)用場景的需求，仍需突破抗多普勒頻偏設(shè)計、多用戶資源調(diào)度、設(shè)備臨近空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)。
在抗多普勒頻偏設(shè)計方面，當(dāng)太陽能無人機平臺相對地（海）面用戶有較快移動，尤其是發(fā)生徑向運動時，多普勒效應(yīng)將會對通信質(zhì)量造成影響。需要通過通信波形設(shè)計，物理層頻偏校正算法等，解決由無人機飛行速度引發(fā)的多普勒頻偏等通信問題。
在多用戶資源調(diào)度方面，隨著空中通信系統(tǒng)覆蓋范圍增大，用戶接入數(shù)量和系統(tǒng)服務(wù)能力需求持續(xù)增加，對系統(tǒng)設(shè)計提出了較高要求。需采用子載波分配、功率控制、自適應(yīng)調(diào)制編碼等技術(shù)設(shè)計合理高效的多址接入信道（MAC）資源調(diào)度，實現(xiàn)信道資源利用的最大化，為系統(tǒng)服務(wù)提供最優(yōu)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障。
在設(shè)備臨近空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計方面，臨近空間強輻照、高臭氧、高低溫交變，低氣壓等復(fù)雜飛行環(huán)境對信息服務(wù)系統(tǒng)的長時間可靠工作提出了挑戰(zhàn)，并且由于太陽能無人機對質(zhì)量、功耗指標(biāo)敏感，需要基于現(xiàn)有鏈路和通信載荷設(shè)備開展環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計、輕量化設(shè)計和低功耗設(shè)計，最終適應(yīng)平臺系統(tǒng)的使用需求。
效益分析
基于太陽能無人機的臨近空間通信系統(tǒng)可在應(yīng)急通信等領(lǐng)域發(fā)揮重大作用，社會效益顯著。還可向公眾及企事業(yè)單位提供廣泛的通信服務(wù)，形成對現(xiàn)有通信基礎(chǔ)設(shè)施體系的有益補充。并能夠有效帶動與其相關(guān)聯(lián)的上下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
社會效益巨大
在地震、泥石流等重大自然災(zāi)害中，通過臨近空間太陽能無人機可實現(xiàn)快速反應(yīng)，構(gòu)建應(yīng)急信息保障體系，短時間內(nèi)恢復(fù)災(zāi)區(qū)通信能力，能夠滿足了解災(zāi)區(qū)實時情況和救援的需求，防止恐慌情緒和不實信息擴散，便于救援工作策劃和開展。
在南海島礁、青藏高原山區(qū)等偏遠地區(qū)布設(shè)基于太陽能無人機的臨近空間通信系統(tǒng)，可填補相關(guān)通信覆蓋空白，為及時了解當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)情況，開展防止非法越界、保衛(wèi)邊疆、宣示主權(quán)等相關(guān)工作提供信息支撐。
在大型體育賽事、集會等活動中，基于太陽能無人機的臨近空間通信系統(tǒng)可有效滿足活動開展期間的通信保障需求，解決因人群聚集導(dǎo)致的區(qū)域內(nèi)通信流量激增、通信質(zhì)量下降問題。
具有潛在的經(jīng)濟價值
基于太陽能無人機的臨近空間通信系統(tǒng)在投資運營方面的主要優(yōu)勢包括：
1）建設(shè)周期短、可快速形成能力。系統(tǒng)中單架太陽能無人機配合相應(yīng)的地面設(shè)備即可獨立執(zhí)行任務(wù)。后續(xù)可通過在運營過程中的“自發(fā)造血”形成滾動發(fā)展，從而根據(jù)實際用戶需求擴大建設(shè)規(guī)模。
2）初期投資成本小、收益見效快。單架無人機價值在1000萬左右，初期投入千萬量級的資金即可開展系統(tǒng)的初步建設(shè)運營。單機投入運營后便可創(chuàng)造經(jīng)濟效益。
3）場景適應(yīng)性強、服務(wù)內(nèi)容廣泛。系統(tǒng)可基于無人機的快速到達、靈活部署能力，實現(xiàn)用戶需求快速響應(yīng)，滿足受災(zāi)地區(qū)、遠海、山區(qū)、沙漠、人群聚集區(qū)域等各類特殊任務(wù)場景需求。提供互聯(lián)網(wǎng)接入、語音通信、AIS信號接收、SOS信號接收等各類服務(wù)。
在商業(yè)模式上，可通過出售全系統(tǒng)產(chǎn)品、提供信息服務(wù)、與運營商聯(lián)合運營等多種方式實現(xiàn)盈利，并可與“一帶一路”沿線國家（尚未建設(shè)有完備的通信基礎(chǔ)設(shè)施）開展合作，構(gòu)建空中信息走廊，在創(chuàng)造經(jīng)濟效益的同時，也具有顯著的戰(zhàn)略價值。
有力帶動上下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展
基于太陽能無人機的臨近空間通信系統(tǒng)建設(shè)，一方面可牽引臨近空間太陽能無人機平臺發(fā)展，另一方面牽引通信終端研發(fā)行業(yè)發(fā)展，促進通信載荷小型化，進而降低對衛(wèi)星、地面通信系統(tǒng)的載荷能力需求或在同等載荷能力下實現(xiàn)更強的通信功能。
基于太陽能無人機的臨近空間通信系統(tǒng)的加入以及空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建將提供更多樣化的通信及互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，有效降低系統(tǒng)成本，便于推廣普及并帶動整個通信服務(wù)行業(yè)的發(fā)展。
結(jié) 論
臨近空間太陽能無人機憑借自身的超長續(xù)航時間、大范圍對地/海面覆蓋能力、快速反應(yīng)能力和高性價比，有望成為一種高效、便捷的新型通信平臺，能夠良好適應(yīng)海上應(yīng)急通信、突發(fā)自然災(zāi)害救援等應(yīng)急通信任務(wù)場景?？梢灶A(yù)見，隨著太陽能無人機技術(shù)不斷發(fā)展，基于太陽能無人機的臨近空間應(yīng)急通信系統(tǒng)將在不久的將來實現(xiàn)工程應(yīng)用，創(chuàng)造社會經(jīng)濟價值。建議后續(xù)針對該系統(tǒng)運營涉及的空域管理、頻段申請、牌照資質(zhì)等開展相關(guān)研究，提供相關(guān)政策保障。
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