联通天地的高空平台通信系统示意图（樊峥绘）今年6月，世界经济论坛第十五届新领军者年会(又称“夏季达沃斯论坛”)在大连举行。会上发布了2024年《十大新兴技术报告》，评选出未来3到5年内将深刻影响世界的10项突破性技术。高空平台通信系统以极强的创新性和巨大的应用潜能位列其中。
高空平台通信系统，顾名思义就是将通信系统安装在高空平台上，使其可以在高空提供通信服务。那么，为什么要发展高空平台通信系统，它有什么特点和优势？高空平台通信系统面临哪些技术挑战？其未来发展前景如何？请看本期解读。
改变世界的移动通信技术
通信是人类最悠久、最基本、最重要的活动之一。从古至今，通信既是社会管理、日常交流的重要保障，也是决定战争胜负的重要因素。为了突破时空限制，人们尝试了烽火狼烟、车马邮驿、鸿雁传书等通信方式，但这些手段的时效性和信息容量都十分有限。
19世纪，电报和电话的发明让人类进入到用电传递信息的通信时代。随着20世纪80年代第一代移动通信技术（1G）的应用，人们正式进入移动通信时代。
在科技进步与市场需求的共同驱动下，移动通信技术历经5次深刻的技术变革，从最开始的1G演进到如今的5G。在这个过程中，其功能也从最基础的语音通话功能，逐步升级到更加高速畅通、覆盖面更为广泛、更加质优价廉的移动互联网服务。
现在，移动通信技术已渗透到人们生产生活的方方面面。那么，移动通信系统是怎样工作的？我们能否在任何时候、任何地方随时保持与外界联系？
移动通信系统主要由移动终端、基站和核心网等组成。其中，移动终端指手机、平板电脑等用户直接使用的设备；基站包括天线、接收机和发射机等，用于收发移动终端的信号，并与核心网连接；核心网负责数据传输与网络管理等，并提供互联网接口。
移动通信系统的工作流程与物流运输类似。当你用手机打电话时，手机先将语音信息转换为电磁波数据“包裹”并发送出去；就近基站就像快递网点，将“包裹”收揽上来；“包裹”通过传输网络将数据传输出去以后，核心网就像“物流管理中心”一样管理这些数据，对数据进行分拣和分发；最后，“包裹”通过传输网络输送至离用户最近的“窗口”基站，并发送至对应的手机。由此可见，使用移动通信时，我们直接打交道的是手机移动终端和就近基站，基站的通信覆盖范围决定了手机的有效区域。
为了让通信范围更大，基站不仅要建得高，还要建得多。据统计，截至2024年第二季度，全球5G基站部署总量约594万个，预计到2027年，5G将成为最主要的移动通信技术，5G用户将达到44亿。
然而，国际电信联盟统计指出，全球约有三分之一的人仍然没有通信保障。即使是一些通信基础设施相对完善的国家，也无法保证每一片国土都有移动通信信号。非洲、拉丁美洲的一些国家和地区，更是存在着大片的移动通信“盲区”。
如何摆脱常规地面基站的限制，提供长时间、高稳定、高品质、低成本的通信与网络服务，成为移动通信技术发展的重要方向。
持久驻空的高空平台技术
为了使基站摆脱对地面设施依赖、扩大覆盖范围，人们把目光投向广袤的苍穹，试图将通信基站搭建到天空。高空平台通信系统应运而生。
高空平台通信系统是利用工作在20公里高度附近的新型飞行平台作为无线中继或空中基站，为地面用户提供通信的一种方式。2020年，包括中国在内的世界多家科技企业、航空企业和电信企业组建高空平台通信系统联盟，共同推动通过平流层飞行器提供通信服务的发展。
高空平台通信系统的主要技术挑战，是发展高空、稳定、持续飞行的飞行器，主要包括新型高空气球、平流层飞艇、临近空间太阳能无人机等。这也是现代航空科技的前沿。
新型高空气球与我们日常生活中所见普通气球有显著区别，由特制高分子薄膜材料制成，既轻薄又坚韧，能确保极低的气体渗漏并适应低温、强紫外线等环境。采用南瓜形的超压设计技术，气球内部气压始终高于外部环境气压，使其可以在长时间极端条件下维持总体积不变，保持飞行高度的稳定。气球中内置了小球，只需将外界空气充入或排出小球，就可以改变飞行高度。在人工智能这个“超级大脑”的加持下，新型高空气球可以预判不同高度、不同区域的风场特征，自主决策飞行路线，实现航线飞行或者区域驻留。
新型高空气球技术发展迅速。如今，谷歌气球已实现300天以上的超长时间持续飞行，可轻松完成环球飞行，能远程放飞后实现对任务区域的部署、多球协同组网等，并为南美、肯尼亚等地区提供网络互联服务。
平流层飞艇是一种能持续在20公里高度附近飞行的飞艇。它通常采用流线型设计，长度达到数百米，体积能达到数万立方米。通过太阳能电池阵白天发电、储能电池晚上供电的方式，平流层飞艇可以实现能源产生与消耗的昼夜平衡。
平流层飞艇能够在特定位置上空实现数月甚至数年的定点驻空，是“高空基站”的理想平台。21世纪初，美国、日本、欧洲等国家和地区相继开展研究。目前，美国一家航空公司已完成20余次飞行试验，并在今年实现跨昼夜驻留飞行试验，验证了远距离宽带通信和对地观测能力。欧洲泰雷兹阿莱尼亚空间公司研制的平流层客车高空飞艇，2022年被欧盟支持为欧洲高空平台系统示范项目，旨在提高情报、监视和侦察等能力。
临近空间太阳能无人机与平流层飞艇类似，依靠铺设在机翼与机身上的太阳能电池阵吸收太阳能，白天将富余的能量传递给储能电池进行存储，夜间通过储能电池供电飞行，理论上可实现持续不断长时间飞行。受到能源技术的限制，太阳能无人机在能量平衡方面的挑战性极大。高效气动设计、轻量化结构设计、新型能源、高效能源管理等是其主要的创新研究方向。
虽然中低空太阳能飞机早已展开探索，但临近空间太阳能无人机在近10年才取得实质性突破。欧洲空客公司研发的西风太阳能无人机已形成超过60天的持续飞行能力，能够提供低延迟、直接到设备的4G/5G服务。日本软银公司正在探索采用Sunglider太阳能无人机搭载基站，实现高空通信。
以上几类高空平台虽各有利弊，但总体上都具有使用成本低、飞行高度高、驻空时间长、机动能力好的特点。在航空航天、新能源、人工智能等领域技术的助力下，这些平台都在提速发展，具备了高空移动通信的基础。
广阔的应用前景和巨大的赋能潜力
随着新型高空气球、平流层飞艇、临近空间太阳能无人机等技术的不断突破，通信基站已经可以从地面铁塔提高到20公里以上的平流层。高空之中，其覆盖范围更广、通信时延更短、更加机动灵活，展现出广阔的应用前景和巨大的赋能潜力。
目前，世界上仍有大量人烟稀少的偏远地区、海洋和欠发达地区未实现通信与互联网覆盖。高空平台通信系统可在不便于架设地面基站的远海岛屿、边远地区等，从高空提供广域、持续、稳定的通信覆盖，为“信息孤岛”搭建信息桥梁、弥合数字鸿沟，为边远、欠发达地区基站建设成本高、维护难等问题提供创新解决方案。
由于气候变化和人类行为等因素影响，全球灾害数量快速攀升，灾害发生时通常会损毁地面通信系统。快速搭建“通信生命线”，是抢险救灾、保障生命财产安全的基石。高空平台通信系统可快速部署、灵活机动至事发地上空，稳定提供不间断、全覆盖的通信保障，破解地面通信网络难以快速打通、天基通信资源有限的难题。
现代战场的战术通信大多数受制于视距通信，超视距通信则主要依赖于性能相对较低的短波和卫星通信，相关装备部署受限。因此，高空平台被多国军方视为战场通信保障最有效的方案之一。近年来，美军持续探索利用新型高空无人平台作为通信中继平台，几乎每年都在军演中加入高空气球在信息化作战中的能力验证，为其构建无缝的空中网络提供相应的通信中继服务。
随着信息化、智能化、无人化等领域科技创新的深化，高空平台通信系统将在飞行时长、载重能力、可控飞行、智能水平等方面更上一层楼。它将跨接地面移动通信、天基移动通信，共同组建空天地一体化信息网络，解决复杂地形与紧急任务中的“宽带通”“远程通”“动中通”问题，有力推动信息化建设加速发展。
（解放军报·中国军号出品）
