陳濟桁/中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心

傳統(tǒng)地面觀測衛(wèi)星高發(fā)射成本，低分辨率成像已經(jīng)一定程度上制約了其進一步發(fā)展。高空偽衛(wèi)星（亦稱為高空長航時無人機，本文沿用高空偽衛(wèi)星稱謂）作為一種新型無人機系統(tǒng)的出現(xiàn)，帶來更低廉的成本、更高的成像分辨率以及更靈活的任務(wù)部署，提供一種非常理想的替代方案。隨著包括航空航天工業(yè)巨頭和中小型無人機廠商的基體涌入，高空偽衛(wèi)星有望成為無人機領(lǐng)域的新戰(zhàn)場。

為了滿足科研、軍事等需求，利用衛(wèi)星對大氣或者地面目標進行觀測和監(jiān)視，是人類采取的主要方式。半個多世紀以來，航天技術(shù)特別是衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，為大量的科研探測工作和軍事監(jiān)視工作提供了有力的支持。但隨著近年來民用、商用航天領(lǐng)域的快速發(fā)展，使用用于探測目的的衛(wèi)星已經(jīng)逐漸體現(xiàn)出了弊端。其一，衛(wèi)星的發(fā)射和運行的成本非常高昂，且難以進行修理維護，如果僅僅出于民用高空監(jiān)測目的，使用衛(wèi)星對于一些企業(yè)和科研機構(gòu)來說，經(jīng)濟負擔(dān)過重。其二，衛(wèi)星對地目標觀測的分辨率越來越難以滿足要求。利用無線電進行信號傳輸?shù)男l(wèi)星，無線電中繼器在大于70km的高度差之間將會產(chǎn)生較大差異，人們常用于觀測的近地軌道衛(wèi)星（LEO）高度一般在350km左右，而對于特定區(qū)域進行持續(xù)觀測的地球同步軌道衛(wèi)星（GEO）高度則超過20000km，這對于觀測成果的分辨率影響不言而喻。基于上述原因，發(fā)展一種經(jīng)濟性更好，且更加靠近地面以提高精度的高空探測系統(tǒng)成為了新的需求。

近年來，隨著無人機系統(tǒng)和廉價衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展，科研院校、軍工企業(yè)和科技公司等均加大研發(fā)投入，研究一種可被認為是無人機與衛(wèi)星的結(jié)合體的新系統(tǒng)——高空偽衛(wèi)星。

圖1 不同類型的高空偽衛(wèi)星（圖片來源：歐洲航天局地球觀測圖形辦公室）

什么是高空偽衛(wèi)星？

高空偽衛(wèi)星（HAPS）也可稱之為高空長航時無人機（HALE），這是一種可在高空中“飄浮”或長時間飛行的系統(tǒng)或平臺，用來代替空間軌道運行的衛(wèi)星并提供相關(guān)服務(wù)。它的工作區(qū)域在平流層范圍內(nèi)，飛行高度普遍高于民航班機和商用飛機，一般距離地面20km以上。此外，按照任務(wù)需求，高空偽衛(wèi)星需要在空中持續(xù)航行較長時間，因此往往被設(shè)計成能無間斷飛行至少數(shù)十天乃至數(shù)個月。正因如此，這類無人機往往都具備太陽能充電功能，為其續(xù)航提供有效保障。

高空偽衛(wèi)星是通過大氣的升力保持在高空中運行，主要分為兩大類：一種是浮空氣球，主要利用空氣靜力；另一種是飛行器，主要利用空氣動力學(xué)。

圖2 NASA于1999年推出的“太陽神”原型機（圖片來源：NASA）

相比較于傳統(tǒng)的軌道衛(wèi)星，高空偽衛(wèi)星的優(yōu)勢是不僅可以與地面上的某一特定區(qū)域保持相對靜止，進行長期觀測，還可以根據(jù)需要利用自身機動性進行移動，更加容易部署。不僅如此，高空偽衛(wèi)星的使用成本更低，可定期返回地面更換電池或進行其他方面的更新維護。由于其在距離地面更近的地方執(zhí)行監(jiān)測任務(wù)，采用航空成像，可拍攝分辨率更高、更清晰的照片。此外，高空偽衛(wèi)星還可以通過使用激光將信息傳遞給其他的無人機，或者接收來自地面的信息，從而提供優(yōu)質(zhì)的帶寬連接，并且提供衛(wèi)星無法提供的通訊交流服務(wù)。

高空偽衛(wèi)星引起了政府和制造商的廣泛關(guān)注

歐洲宇航局（ESA）一直在尋求填補無人機和衛(wèi)星之間的空缺，而高空偽衛(wèi)星的出現(xiàn)引起了歐洲宇航局的密切關(guān)注。高空偽衛(wèi)星可以提供更長的高空飛行續(xù)航時間，同時能夠得到更好的拍照分辨率，還可可覆蓋較大的監(jiān)視面積。此外，歐洲宇航局認為，高空偽衛(wèi)星不會受到衛(wèi)星必須考慮的時間滯后影響，因此與衛(wèi)星和無人機不同，高空偽衛(wèi)星同樣適用于在發(fā)生戰(zhàn)爭和自然災(zāi)害時建立臨時甚至半永久的通信和導(dǎo)航節(jié)點，而這一點正是歐洲宇航局過去20年來一直在探索的。因此，歐洲宇航局將其視為目前正在使用的傳統(tǒng)地球觀測衛(wèi)星系統(tǒng)的一個很好補充，在改進電信系統(tǒng)、搜集情報和科學(xué)觀測等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

目前，隨著小型航空電子設(shè)備、高性能太陽能電池、先進復(fù)合材料、地球觀測傳感器的小型化和高帶寬的通信鏈路等設(shè)備技術(shù)的逐步成熟，發(fā)展更具價格競爭力的高空偽衛(wèi)星也已經(jīng)逐步成為了無人機廠商的目標。

美國宇航局是首批進軍高空偽衛(wèi)星領(lǐng)域的機構(gòu)

1999年美國宇航局推出的一款名為“太陽神”（Helios）的原型驗證機，是首批進軍高空偽衛(wèi)星技術(shù)領(lǐng)域的產(chǎn)品。NASA當時采用了一款外形類似回旋鏢的飛行器，這種飛行器是由碳纖維和泡沫塑料制成，可以用作空中手機信號平臺。

“太陽神”的翼展達到了75m，擁有14個電動螺旋槳，最大飛行高度可以達到30000m，并能在空中停留超過24h。以當時的技術(shù)條件，擁有如此翼展長度的飛行器在超高空中飛行，本身就是巨大的挑戰(zhàn)。此外，飛行器還需要利用太陽能提供動力，難度可想而知。承擔(dān)該項目的負責(zé)人表示，對于“太陽神”來說，能量存儲是致命傷。對于任何一種飛行器來說，續(xù)航能力都是非常重要的，因此需要選擇非常可靠的電池。研究團隊也曾嘗試過燃料電池，但經(jīng)過權(quán)衡還是認為采用鋰電池是更好的選擇。不過遺憾的是，這款飛行器最終還是由于技術(shù)問題，于2003年在太平洋考艾島附近墜毀。

美國國防部預(yù)研局的“禿鷹”計劃明確了高空偽衛(wèi)星的技術(shù)內(nèi)涵

2009年，美國國防部預(yù)研局發(fā)布了一個全新的項目，代號“禿鷹”（Vulture）。該項目的目標是開發(fā)一種可在至少能在高空中持續(xù)飛行5年的飛行器，在特定目標區(qū)域上空完成情報、監(jiān)視與偵察（ISR）以及通信傳輸工作。

圖3 極光公司設(shè)計的“禿鷹”概念機（圖片來源：極光公司）

圖4 “西風(fēng)”S可在軍事監(jiān)視方面擁有很好的應(yīng)用前景（圖片來源：空客公司）

“禿鷹”的設(shè)計工作高度為18000～27000m的高空，具備自動飛行飛行器的超長續(xù)航能力，可由地面操作人員控制，方便在高空中完成重新部署。美國國防部預(yù)研局授權(quán)了波音、洛克希德·馬丁和極光飛行公司承擔(dān)這一項目的研發(fā)工作。其中極光飛行科學(xué)公司設(shè)計的一種“禿鷹”概念機，外觀上看上去就像一個飛行的字母“Z”。

不過，該項目最終只停留在了概念設(shè)計階段，美國國防部預(yù)研局已經(jīng)于2014年終止了這一研發(fā)計劃。

空客公司在高空偽衛(wèi)星領(lǐng)域的研發(fā)保持領(lǐng)先

空客公司自2008年開始著手研發(fā)高空偽衛(wèi)星。雖然起步較晚，但空客公司憑借自身雄厚的技術(shù)積累，很快取得了顯著的研發(fā)成果，并在相關(guān)技術(shù)指標上領(lǐng)跑全球。2010年，空客公司首次推出了“西風(fēng)”（Zephyr）系列高空偽衛(wèi)星產(chǎn)品。其中“西風(fēng)”7原型機刷新了當時在無加油、停落情況下的無人機續(xù)航記錄，續(xù)航能力達到了14天。在此基礎(chǔ)上，空客公司決定將該系列進行商業(yè)化運作，并開發(fā)出了兩款商用產(chǎn)品“西風(fēng)”S與“西風(fēng)”T。其中“西風(fēng)”S可提供更好的語音數(shù)據(jù)和通信服務(wù)，而“西風(fēng)”T可提供更大的有效載荷。由于高海拔地區(qū)的摩擦較小，這些系統(tǒng)也使飛行成本更低，并且都可以使用太陽能充電飛行。此外，為了使得他們擁有更好的續(xù)航能力，空客公司從大自然中獲得靈感，將傳統(tǒng)商用客機中常見的上翹型翼梢小翼改為尖端向下彎曲，類似禿鷹的翅膀?？湛凸颈硎荆捎诟呖諅涡l(wèi)星對飛行速度要求較低，因此做這樣的改進目的是進一步提升升力。經(jīng)過改進后，飛行器對風(fēng)力的搜集和利用能力提高了15%。當然，不斷的減輕機體重量也是空客公司追求的目標，“西風(fēng)”S的重量在75kg左右，而“西風(fēng)T”算上有效載荷也僅僅136kg。

“西風(fēng)”S的翼展約25m，白天可以利用太陽能為飛行器提供所需動力，同時也為攜帶的鋰硫電池充電，以便在夜間充當能源。2018年8月，“西風(fēng)S”創(chuàng)造了在21300m高空飛行25天23小時7分的大氣層中最長續(xù)航飛行紀錄。英國國防部對“西風(fēng)”S的研發(fā)工作進行了資助，并計劃采購一定數(shù)量作為英國軍隊的高科技飛行器，監(jiān)視世界各地的目標。為了使得該系列產(chǎn)品擁有更好的載荷能力，空客公司正籌劃將“西風(fēng)”T的翼展長度從25m延展到33m左右，這將使得其負載能力提升一倍，達到20kg左右，這足以保證該飛行器攜帶雷達、超高清影像儀及其他客戶想要搭載設(shè)備。

圖5 空客“西風(fēng)”太陽能無人機量產(chǎn)年產(chǎn)可達30架

圖6 “雙翼雨燕”可以主動控制機翼變形，實現(xiàn)靈活、輕便的結(jié)構(gòu)。（圖片來源：UAVOS）

圖6 極光公司研發(fā)團隊在廠房前展示巨大的“奧德修斯”（圖片來源：極光公司）

作為目前最先進的太陽能高空偽衛(wèi)星，“西風(fēng)”S目前已經(jīng)飛行了超過1000h。有報道稱，該機已經(jīng)進入了量產(chǎn)階段，年產(chǎn)量約為30架。

UAVOS試飛了利用太陽能的高空偽衛(wèi)星

除了傳統(tǒng)航空巨頭企業(yè)，很多中小型無人機廠商也紛紛加入了這場關(guān)于高空偽衛(wèi)星的競爭當中。來自美國加利福尼亞州山景市的無人飛行器開發(fā)商UAVOS公司，2018年10月針對一種名為“雙翼雨燕”（ApusDuo）的太陽能高空偽衛(wèi)星（HAPS）完成了10m翼展原型機的初步測試。該機的全尺寸版翼展為28m。

“雙翼雨燕”的主體結(jié)構(gòu)采用碳纖維復(fù)合材料，擁有兩組平行機翼，通過三根支柱連結(jié)到一起。飛行器的翼展上部配備了一系列太陽能發(fā)電板，整機全部運轉(zhuǎn)都依靠機載計算機控制完成，起飛和降落也都能夠自主完成。機載計算機的CPU配備了UAVOS公司設(shè)計的飛行控制系統(tǒng)，可以感知機翼的變形，在天氣和風(fēng)力狀況發(fā)生改變的時控制三個獨立的尾部以實現(xiàn)飛行器偏轉(zhuǎn)的最小化，保持飛行器最佳空中飛行姿態(tài)。這使得無人機可擁有更輕、更靈活的機身結(jié)構(gòu)。

UAVOS公司在今年5月進行了雙翼原型機的首次飛行，在此之前，他們已經(jīng)對單翼版的“雨燕”進行了飛行測試，并成功驗證了UAVOS公司飛行控制系統(tǒng)可行性?！半p翼雨燕”是在單翼版的基礎(chǔ)上，在三個獨立尾部增加了第二個機翼，太陽能電池陣列覆蓋了兩個機翼的上表面，推進驅(qū)動力由安裝在尾翼和垂尾連接處的三個螺旋槳提供。

UAVOS公司官網(wǎng)給出了翼展15m型別的“雙翼雨燕”無人機的性能規(guī)格。它重約23kg，其中可包含2kg的有效載荷，這種飛行器的設(shè)計使用壽命是可在12000～20000m左右的高空區(qū)域浮空飛行一年。

UAVOS公司表示“雙翼雨燕”的原型機試飛的目的是為了測試飛行控制算法，包括起飛和著陸的過程。測試的結(jié)果全面驗證了高空偽衛(wèi)星空氣動力學(xué)方面的性能。目前，該機已經(jīng)在20m左右的高度完成了1000h的飛行測試，機翼在亂流中也能夠從容應(yīng)對。UAVOS公司有信心讓該機在至少15000m高空中完成飛行測試的目標。

高空偽衛(wèi)星市場競爭將逐步加劇

2018年11月，波音旗下的極光飛行科學(xué)公司宣布，公司正在建造的“奧德修斯”太陽能高空偽衛(wèi)星將在2019年第一季度開始第一次飛行計劃?！皧W德修斯”的設(shè)計留空之間為3個月，其翼展達到了74m，目前正在進行地面測試。由于尺寸過大，該機被分成三段裝入位于弗吉尼亞州馬納薩斯的極光總部飛機庫。完成測試后，將在2019年2月底由集裝箱貨船運至波多黎各開始飛行測試。

隨著眾多航空巨頭的入局，高空偽衛(wèi)星市場即將迎來爆發(fā)。據(jù)Stratistics MRC的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全球的高空偽衛(wèi)星市場在2017-2023年間將以15.2%的復(fù)合年增長率持續(xù)擴張。這主要是基于兩點原因：一方面，高空偽衛(wèi)星具有與近地軌道衛(wèi)星和地球同步衛(wèi)星相似的功能，但卻更具成本優(yōu)勢，可以很好的與地面基礎(chǔ)設(shè)施和遠程駕駛飛機系統(tǒng)形成優(yōu)勢互補，一定程度上代替了傳統(tǒng)衛(wèi)星；另一方面，人們對高通量寬帶和無線服務(wù)需求的增加，以及先進材料等技術(shù)的發(fā)展，也成為了促進高空偽衛(wèi)星市場增長的主要因素。特別是面臨越來越繁重的網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)需求，電信運營商們很可能持續(xù)在高空偽衛(wèi)星領(lǐng)域增加投資。

在上述的預(yù)測期內(nèi)，歐美地區(qū)將成為高空偽衛(wèi)星市場的主要收入來源。這主要是歸功于該地區(qū)具有更多高度發(fā)達的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以及諸如ESA、NASA等重要政府機構(gòu)與新興初創(chuàng)公司合作的擴張。美、英等國家對于軍事情報搜集、特別是對于難以進行加油補給的遠海環(huán)境的情報搜集等國防需求增加，也將推動高空偽衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的增長。而在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也正在進一步探索之中，歐洲海事局正在與相關(guān)無人機廠商共同研究可以利用高空偽衛(wèi)星的領(lǐng)域，例如智能交通、海事監(jiān)測與監(jiān)視、環(huán)境觀測和陸地邊界檢測等。

盡管高空偽衛(wèi)星這一概念從提出到如今才不過短短十年，但現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)將通信、電池、輕質(zhì)材料和小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)備進行優(yōu)質(zhì)整合，這也使得高空偽衛(wèi)星獲得更好的發(fā)展成為可能。目前包括航空航天工業(yè)巨頭、無人機廠商、科創(chuàng)公司、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)等都積極布局市場，嘗試進行研發(fā)，這表明了該領(lǐng)域存在巨大的市場需求和商業(yè)價值?？梢灶A(yù)見，高空偽衛(wèi)星領(lǐng)域有望在短期內(nèi)成為無人機廠商的新戰(zhàn)場。■