高空伪卫星重新成为无人机领域的新战场

陈济桁/中国航空工业发展研究中心

传统地面观测卫星高发射成本，低分辨率成像已经一定程度上制约了其进一步发展。高空伪卫星（亦称为高空长航时无人机，本文沿用高空伪卫星称谓）作为一种新型无人机系统的出现，带来更低廉的成本、更高的成像分辨率以及更灵活的任务部署，提供一种非常理想的替代方案。随着包括航空航天工业巨头和中小型无人机厂商的基体涌入，高空伪卫星有望成为无人机领域的新战场。

为了满足科研、军事等需求，利用卫星对大气或者地面目标进行观测和监视，是人类采取的主要方式。半个多世纪以来，航天技术特别是卫星技术的快速发展，为大量的科研探测工作和军事监视工作提供了有力的支持。但随着近年来民用、商用航天领域的快速发展，使用用于探测目的的卫星已经逐渐体现出了弊端。其一，卫星的发射和运行的成本非常高昂，且难以进行修理维护，如果仅仅出于民用高空监测目的，使用卫星对于一些企业和科研机构来说，经济负担过重。其二，卫星对地目标观测的分辨率越来越难以满足要求。利用无线电进行信号传输的卫星，无线电中继器在大于70km的高度差之间将会产生较大差异，人们常用于观测的近地轨道卫星（LEO）高度一般在350km左右，而对于特定区域进行持续观测的地球同步轨道卫星（GEO）高度则超过20000km，这对于观测成果的分辨率影响不言而喻。基于上述原因，发展一种经济性更好，且更加靠近地面以提高精度的高空探测系统成为了新的需求。

近年来，随着无人机系统和廉价卫星系统的发展，科研院校、军工企业和科技公司等均加大研发投入，研究一种可被认为是无人机与卫星的结合体的新系统——高空伪卫星。

图1 不同类型的高空伪卫星（图片来源：欧洲航天局地球观测图形办公室）

什么是高空伪卫星？

高空伪卫星（HAPS）也可称之为高空长航时无人机（HALE），这是一种可在高空中“飘浮”或长时间飞行的系统或平台，用来代替空间轨道运行的卫星并提供相关服务。它的工作区域在平流层范围内，飞行高度普遍高于民航班机和商用飞机，一般距离地面20km以上。此外，按照任务需求，高空伪卫星需要在空中持续航行较长时间，因此往往被设计成能无间断飞行至少数十天乃至数个月。正因如此，这类无人机往往都具备太阳能充电功能，为其续航提供有效保障。

高空伪卫星是通过大气的升力保持在高空中运行，主要分为两大类：一种是浮空气球，主要利用空气静力；另一种是飞行器，主要利用空气动力学。

图2 NASA于1999年推出的“太阳神”原型机（图片来源：NASA）

相比较于传统的轨道卫星，高空伪卫星的优势是不仅可以与地面上的某一特定区域保持相对静止，进行长期观测，还可以根据需要利用自身机动性进行移动，更加容易部署。不仅如此，高空伪卫星的使用成本更低，可定期返回地面更换电池或进行其他方面的更新维护。由于其在距离地面更近的地方执行监测任务，采用航空成像，可拍摄分辨率更高、更清晰的照片。此外，高空伪卫星还可以通过使用激光将信息传递给其他的无人机，或者接收来自地面的信息，从而提供优质的带宽连接，并且提供卫星无法提供的通讯交流服务。

高空伪卫星引起了政府和制造商的广泛关注

欧洲宇航局（ESA）一直在寻求填补无人机和卫星之间的空缺，而高空伪卫星的出现引起了欧洲宇航局的密切关注。高空伪卫星可以提供更长的高空飞行续航时间，同时能够得到更好的拍照分辨率，还可可覆盖较大的监视面积。此外，欧洲宇航局认为，高空伪卫星不会受到卫星必须考虑的时间滞后影响，因此与卫星和无人机不同，高空伪卫星同样适用于在发生战争和自然灾害时建立临时甚至半永久的通信和导航节点，而这一点正是欧洲宇航局过去20年来一直在探索的。因此，欧洲宇航局将其视为目前正在使用的传统地球观测卫星系统的一个很好补充，在改进电信系统、搜集情报和科学观测等领域具有良好的应用前景。

目前，随着小型航空电子设备、高性能太阳能电池、先进复合材料、地球观测传感器的小型化和高带宽的通信链路等设备技术的逐步成熟，发展更具价格竞争力的高空伪卫星也已经逐步成为了无人机厂商的目标。

美国宇航局是首批进军高空伪卫星领域的机构

1999年美国宇航局推出的一款名为“太阳神”（Helios）的原型验证机，是首批进军高空伪卫星技术领域的产品。NASA当时采用了一款外形类似回旋镖的飞行器，这种飞行器是由碳纤维和泡沫塑料制成，可以用作空中手机信号平台。

“太阳神”的翼展达到了75m，拥有14个电动螺旋桨，最大飞行高度可以达到30000m，并能在空中停留超过24h。以当时的技术条件，拥有如此翼展长度的飞行器在超高空中飞行，本身就是巨大的挑战。此外，飞行器还需要利用太阳能提供动力，难度可想而知。承担该项目的负责人表示，对于“太阳神”来说，能量存储是致命伤。对于任何一种飞行器来说，续航能力都是非常重要的，因此需要选择非常可靠的电池。研究团队也曾尝试过燃料电池，但经过权衡还是认为采用锂电池是更好的选择。不过遗憾的是，这款飞行器最终还是由于技术问题，于2003年在太平洋考艾岛附近坠毁。

美国国防部预研局的“秃鹰”计划明确了高空伪卫星的技术内涵

2009年，美国国防部预研局发布了一个全新的项目，代号“秃鹰”（Vulture）。该项目的目标是开发一种可在至少能在高空中持续飞行5年的飞行器，在特定目标区域上空完成情报、监视与侦察（ISR）以及通信传输工作。

图3 极光公司设计的“秃鹰”概念机（图片来源：极光公司）

图4 “西风”S可在军事监视方面拥有很好的应用前景（图片来源：空客公司）

“秃鹰”的设计工作高度为18000～27000m的高空，具备自动飞行飞行器的超长续航能力，可由地面操作人员控制，方便在高空中完成重新部署。美国国防部预研局授权了波音、洛克希德·马丁和极光飞行公司承担这一项目的研发工作。其中极光飞行科学公司设计的一种“秃鹰”概念机，外观上看上去就像一个飞行的字母“Z”。

不过，该项目最终只停留在了概念设计阶段，美国国防部预研局已经于2014年终止了这一研发计划。

空客公司在高空伪卫星领域的研发保持领先

空客公司自2008年开始着手研发高空伪卫星。虽然起步较晚，但空客公司凭借自身雄厚的技术积累，很快取得了显著的研发成果，并在相关技术指标上领跑全球。2010年，空客公司首次推出了“西风”（Zephyr）系列高空伪卫星产品。其中“西风”7原型机刷新了当时在无加油、停落情况下的无人机续航记录，续航能力达到了14天。在此基础上，空客公司决定将该系列进行商业化运作，并开发出了两款商用产品“西风”S与“西风”T。其中“西风”S可提供更好的语音数据和通信服务，而“西风”T可提供更大的有效载荷。由于高海拔地区的摩擦较小，这些系统也使飞行成本更低，并且都可以使用太阳能充电飞行。此外，为了使得他们拥有更好的续航能力，空客公司从大自然中获得灵感，将传统商用客机中常见的上翘型翼梢小翼改为尖端向下弯曲，类似秃鹰的翅膀。空客公司表示，由于高空伪卫星对飞行速度要求较低，因此做这样的改进目的是进一步提升升力。经过改进后，飞行器对风力的搜集和利用能力提高了15%。当然，不断的减轻机体重量也是空客公司追求的目标，“西风”S的重量在75kg左右，而“西风T”算上有效载荷也仅仅136kg。

“西风”S的翼展约25m，白天可以利用太阳能为飞行器提供所需动力，同时也为携带的锂硫电池充电，以便在夜间充当能源。2018年8月，“西风S”创造了在21300m高空飞行25天23小时7分的大气层中最长续航飞行纪录。英国国防部对“西风”S的研发工作进行了资助，并计划采购一定数量作为英国军队的高科技飞行器，监视世界各地的目标。为了使得该系列产品拥有更好的载荷能力，空客公司正筹划将“西风”T的翼展长度从25m延展到33m左右，这将使得其负载能力提升一倍，达到20kg左右，这足以保证该飞行器携带雷达、超高清影像仪及其他客户想要搭载设备。

图5 空客“西风”太阳能无人机量产年产可达30架

图6 “双翼雨燕”可以主动控制机翼变形，实现灵活、轻便的结构。（图片来源：UAVOS）

图6 极光公司研发团队在厂房前展示巨大的“奥德修斯”（图片来源：极光公司）

作为目前最先进的太阳能高空伪卫星，“西风”S目前已经飞行了超过1000h。有报道称，该机已经进入了量产阶段，年产量约为30架。

UAVOS试飞了利用太阳能的高空伪卫星

除了传统航空巨头企业，很多中小型无人机厂商也纷纷加入了这场关于高空伪卫星的竞争当中。来自美国加利福尼亚州山景市的无人飞行器开发商UAVOS公司，2018年10月针对一种名为“双翼雨燕”（ApusDuo）的太阳能高空伪卫星（HAPS）完成了10m翼展原型机的初步测试。该机的全尺寸版翼展为28m。

“双翼雨燕”的主体结构采用碳纤维复合材料，拥有两组平行机翼，通过三根支柱连结到一起。飞行器的翼展上部配备了一系列太阳能发电板，整机全部运转都依靠机载计算机控制完成，起飞和降落也都能够自主完成。机载计算机的CPU配备了UAVOS公司设计的飞行控制系统，可以感知机翼的变形，在天气和风力状况发生改变的时控制三个独立的尾部以实现飞行器偏转的最小化，保持飞行器最佳空中飞行姿态。这使得无人机可拥有更轻、更灵活的机身结构。

UAVOS公司在今年5月进行了双翼原型机的首次飞行，在此之前，他们已经对单翼版的“雨燕”进行了飞行测试，并成功验证了UAVOS公司飞行控制系统可行性。“双翼雨燕”是在单翼版的基础上，在三个独立尾部增加了第二个机翼，太阳能电池阵列覆盖了两个机翼的上表面，推进驱动力由安装在尾翼和垂尾连接处的三个螺旋桨提供。

UAVOS公司官网给出了翼展15m型别的“双翼雨燕”无人机的性能规格。它重约23kg，其中可包含2kg的有效载荷，这种飞行器的设计使用寿命是可在12000～20000m左右的高空区域浮空飞行一年。

UAVOS公司表示“双翼雨燕”的原型机试飞的目的是为了测试飞行控制算法，包括起飞和着陆的过程。测试的结果全面验证了高空伪卫星空气动力学方面的性能。目前，该机已经在20m左右的高度完成了1000h的飞行测试，机翼在乱流中也能够从容应对。UAVOS公司有信心让该机在至少15000m高空中完成飞行测试的目标。

高空伪卫星市场竞争将逐步加剧

2018年11月，波音旗下的极光飞行科学公司宣布，公司正在建造的“奥德修斯”太阳能高空伪卫星将在2019年第一季度开始第一次飞行计划。“奥德修斯”的设计留空之间为3个月，其翼展达到了74m，目前正在进行地面测试。由于尺寸过大，该机被分成三段装入位于弗吉尼亚州马纳萨斯的极光总部飞机库。完成测试后，将在2019年2月底由集装箱货船运至波多黎各开始飞行测试。

随着众多航空巨头的入局，高空伪卫星市场即将迎来爆发。据Stratistics MRC的数据统计，全球的高空伪卫星市场在2017-2023年间将以15.2%的复合年增长率持续扩张。这主要是基于两点原因：一方面，高空伪卫星具有与近地轨道卫星和地球同步卫星相似的功能，但却更具成本优势，可以很好的与地面基础设施和远程驾驶飞机系统形成优势互补，一定程度上代替了传统卫星；另一方面，人们对高通量宽带和无线服务需求的增加，以及先进材料等技术的发展，也成为了促进高空伪卫星市场增长的主要因素。特别是面临越来越繁重的网络通讯服务需求，电信运营商们很可能持续在高空伪卫星领域增加投资。

在上述的预测期内，欧美地区将成为高空伪卫星市场的主要收入来源。这主要是归功于该地区具有更多高度发达的基础设施建设，以及诸如ESA、NASA等重要政府机构与新兴初创公司合作的扩张。美、英等国家对于军事情报搜集、特别是对于难以进行加油补给的远海环境的情报搜集等国防需求增加，也将推动高空伪卫星技术的发展和应用的增长。而在其他领域的应用也正在进一步探索之中，欧洲海事局正在与相关无人机厂商共同研究可以利用高空伪卫星的领域，例如智能交通、海事监测与监视、环境观测和陆地边界检测等。

尽管高空伪卫星这一概念从提出到如今才不过短短十年，但现有的技术已经可以实现将通信、电池、轻质材料和小型嵌入式系统设备进行优质整合，这也使得高空伪卫星获得更好的发展成为可能。目前包括航空航天工业巨头、无人机厂商、科创公司、互联网企业等都积极布局市场，尝试进行研发，这表明了该领域存在巨大的市场需求和商业价值。可以预见，高空伪卫星领域有望在短期内成为无人机厂商的新战场。■