黃煒堯 趙翊軒

摘要：本文開展了一系列實(shí)地測試工作，探索利用浮空氣球搭載通信基站解決災(zāi)害現(xiàn)場通信覆蓋難題。通過在三種典型地形條件下展開浮空氣球搭載通信基站并進(jìn)行信號覆蓋測試，對信號穩(wěn)定性、覆蓋范圍、滯空時(shí)長、浮空高度、安全性等指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)探索依托浮空氣球搭載通信基站，建立空中通信中繼搭建空地一體化網(wǎng)絡(luò)方案，以達(dá)到有效彌補(bǔ)現(xiàn)有災(zāi)害現(xiàn)場信號覆蓋手段的目的。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急救援；浮空氣球；通信中繼；信號覆蓋

一、引言

“大震巨災(zāi)”救援現(xiàn)場信號覆蓋一直是應(yīng)急通信工作的難點(diǎn)。要想解決斷電、斷路、斷網(wǎng)——“三斷”條件下災(zāi)害現(xiàn)場通信信號覆蓋問題，當(dāng)前最常用的三種手段是高點(diǎn)架設(shè)中繼、系留無人機(jī)搭載中繼和翼龍無人機(jī)搭載中繼[1]，但這些方式都各有短板。應(yīng)急救援力量亟須尋求一種快速靈活部署、續(xù)航時(shí)間長、安全系數(shù)高、運(yùn)輸便捷、載荷大、滯空穩(wěn)定的應(yīng)急通信方案作為現(xiàn)有災(zāi)害現(xiàn)場信號覆蓋手段的有效補(bǔ)充。

系留氣球在海洋科考被用于應(yīng)急通信試驗(yàn)系統(tǒng)，可以在船上部署，升空高度可以超過300m，載重能力超過30kg，并搭載了4G通信基站，覆蓋范圍超過2300km2。搭載的信號接收機(jī)可以接收距離超過250km，而關(guān)于其在高原、高山峽谷等復(fù)雜地形中是否適用于應(yīng)急通信的研究還是空白[2]。依據(jù)任務(wù)需要，近期四川省消防救援總隊(duì)開展了利用空飄球掛載通信基站的測試工作，探索利用浮空氣球技術(shù)的優(yōu)勢提升通信基站的滯空高度和時(shí)間，以期擴(kuò)大災(zāi)害現(xiàn)場無線信號的覆蓋范圍，為下一步浮空氣球服務(wù)應(yīng)急救援提供實(shí)踐基礎(chǔ)。

二、測試準(zhǔn)備

浮空飄氣球是一種可操控高度的漂浮于空中的飛行器，主要依靠內(nèi)部充滿氦氣的氣囊（及副氣囊）提供的浮力使其懸浮，將浮空氣球及其載荷懸于空中。通過卷揚(yáng)裝置，浮空氣球可以垂直起降、空中懸停，不需要有專用起降場地，具備無毒、無害、不燃、不爆特點(diǎn)，但飛行速度較慢且無動力，自然上升或下降速度為每秒0.5m至2m[3]。不同的氣球因體積、構(gòu)型、環(huán)境適應(yīng)性等要求的不同，其抗風(fēng)能力大相徑庭。一般而言，系留氣球體積越大，有效載荷能力和抗風(fēng)能力越強(qiáng)，升空高度越高，系統(tǒng)越復(fù)雜，所需配套設(shè)施越多，造價(jià)越高[4]。系留式空飄氣球?qū)儆诟】諝馇蛑械淖宇悇e，本次測試用系留氣球?yàn)樾∏?，最大直?.6m，體積87m3，最大高度可達(dá)1000m。本次測試最大高度為800m，最大載重20公斤，初始充氣量為約80m3氦氣。其余設(shè)備包括卷揚(yáng)機(jī)、回收機(jī)、發(fā)電機(jī)、寬（窄）帶自組網(wǎng)、濾波器及環(huán)境監(jiān)測設(shè)備。

三、測試方法

（一）場景一：平原地區(qū)

1. 基本環(huán)境

平原區(qū)域選取具有災(zāi)害典型地形的都江堰城區(qū)，海拔640m、地表風(fēng)速2m/s、溫度19～24℃。

2. 場地目的

選取平原地區(qū)測試其最大覆蓋范圍，通過在不同高度下分別對寬窄帶設(shè)備進(jìn)行測試，從而和系留無人機(jī)、翼龍無人機(jī)進(jìn)行對比，便于結(jié)果對照分析。

（二）場景二：高山峽谷地區(qū)

1. 基本環(huán)境

選取“9.5”瀘定6.8級地震災(zāi)害現(xiàn)場雅安市新民鄉(xiāng)作為自然災(zāi)害山區(qū)典型地形測試點(diǎn)位，海拔930米、地表風(fēng)速1.3～2.4m/s、地表溫度23℃左右。

2. 場地目的

選取高山峽谷地區(qū)，通過對300m模擬系留無人機(jī)和800m浮空氣球分別對寬窄帶設(shè)備進(jìn)行測試，從而和系留無人機(jī)進(jìn)行對比，便于檢測該系統(tǒng)在貼近實(shí)戰(zhàn)條件下的真實(shí)表現(xiàn)。

（三）場景三：高原地區(qū)

1. 基本環(huán)境

選取四川省甘孜州的高風(fēng)險(xiǎn)地震斷裂帶、高風(fēng)險(xiǎn)森林火險(xiǎn)區(qū)域、地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)密集區(qū)域的新都橋鎮(zhèn)地區(qū)作為測試點(diǎn)，海拔3460m、地表風(fēng)速1.5～2.3m/s、地表溫度10～21℃。

2. 場地目的

選在高原丘陵地區(qū)，一方面測試浮空氣球在丘陵地帶的覆蓋范圍，一方面探索浮空氣球是否能夠正常在3000m以上高海拔地區(qū)正常工作，從而得出該系統(tǒng)是否具備適應(yīng)性、安全性、可操作性結(jié)論。

四、測試結(jié)果

（一）場景一：平原地區(qū)

1. 覆蓋結(jié)果

升空800m時(shí)，圖像最大通信距離為50km，語音最大通信距離為55km；升空500m時(shí)，圖像最大通信距離為33公里，語音最大通信距離為40km；升空300m時(shí)，圖像最大通信距離為21km，語音最大通信距離為40km；升空100m時(shí)，圖像最大通信距離為9km，語音最大通信距離為17km。

2. 測試小結(jié)

本次測試系統(tǒng)展開時(shí)間為2小時(shí)，氣球升空時(shí)間為30分鐘，浮空運(yùn)行時(shí)間8小時(shí)，降落時(shí)間30分鐘，氦氣回收17小時(shí)。在測試過程中，空飄球穩(wěn)定浮空，沿途圖像、語音在覆蓋范圍內(nèi)傳輸，視頻流暢，語音清晰，符合預(yù)期。信號覆蓋范圍直徑隨著氣球升空高度呈線性遞增，相比翼龍無人機(jī)萬米高空覆蓋100km、系留無人機(jī)300m覆蓋20km的數(shù)據(jù)，浮空氣球800m圖像信號最大覆蓋距離55km、語音信號最大覆蓋距離60km，在經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性方面具有顯著優(yōu)勢。

（二）場景二：高山峽谷地區(qū)

1. 覆蓋結(jié)果

系留無人機(jī)升空高度300m模擬測試，圖像最大通信距離為9km，語音最大通信距離為13km。浮空氣球升空800m測試，圖像最大通信距離為11km，語音最大通信距離為13.5km。

2. 測試小結(jié)

本次測試系統(tǒng)展開時(shí)間為1小時(shí)31分鐘，氣球升空時(shí)間為30分鐘，浮空運(yùn)行時(shí)間6小時(shí)45分鐘，降落時(shí)間32分鐘，氦氣回收10小時(shí)。在測試過程中，空飄球穩(wěn)定浮空，沿途圖像、語音在覆蓋范圍內(nèi)傳輸，視頻流暢，語音清晰。但是，由于高山峽谷影響信號傳輸，覆蓋范圍明顯比平原地區(qū)少了很多，氣球進(jìn)一步升高或可得到解決。模擬系留無人機(jī)300m覆蓋9km的數(shù)據(jù)，浮空氣球800m覆蓋13km，對比之下有著明顯優(yōu)勢。

（三）場景三：高原地區(qū)

1. 覆蓋結(jié)果

升空高度800米，分別從東、西、南、北四個(gè)方向測試覆蓋情況：

（1）東向覆蓋情況，圖像最大通信距離為16km，語音最大通信距離為23km；

（2）西向覆蓋情況，圖像最大通信距離為13km，語音最大通信距離為20km；

（3）南向覆蓋情況，圖像最大通信距離為7km，語音最大通信距離為12km；

（4）北向覆蓋情況，圖像最大通信距離為8km，語音最大通信距離為13km。

2. 測試小結(jié)

本次測試系統(tǒng)展開時(shí)間為1小時(shí)，氣球升空時(shí)間為32分鐘，浮空運(yùn)行時(shí)間7小時(shí)15分鐘，降落時(shí)間34分鐘，氦氣回收12小時(shí)。在測試過程中，空飄球穩(wěn)定浮空，沿途圖像、語音在覆蓋范圍內(nèi)傳輸，視頻流暢，語音清晰，符合預(yù)期。本次測試首次實(shí)踐了空飄氣球在海拔3400m以上仍然能夠正常工作，并且總結(jié)了前兩次展開速度慢的原因，探索了一系列方法節(jié)約展開時(shí)間，使空飄氣球在應(yīng)急通信中發(fā)揮作用成為可能。

五、測試結(jié)論

（一）浮空氣球搭載通信基站優(yōu)勢

1.信號覆蓋范圍廣且穩(wěn)定

相較翼龍無人機(jī)動輒萬米高空的高度，不易影響其他飛行器的航線，平原地帶升空800m即可覆蓋半徑55km的范圍，位置基本恒定使得信號更加穩(wěn)定。

2.續(xù)航時(shí)間長

浮空氣球使用鋁膜內(nèi)膽，連續(xù)滯空時(shí)間可達(dá)數(shù)月，且不需要供電和人工維護(hù)。

3.成本較低

一套空飄球裝置（含定制氣球、氣瓶、卷揚(yáng)機(jī)、發(fā)電機(jī)）成本約30萬至60萬，相對于系留無人機(jī)（300米級的上百萬）和翼龍無人機(jī)而言成本較低。

4.操作簡單

空飄球裝置操作簡單，后期經(jīng)過優(yōu)化2人即可操作，并且維護(hù)消耗成本較低，不需要專門的起落機(jī)場，僅需100m2左右四周無遮擋場地即可升空。

（二）浮空氣球搭載通信基站不足

1.安全隱患因素較多

救援現(xiàn)場無法像無人機(jī)一樣快速下降，可能會影響其他飛行器和救援直升機(jī)的航線；風(fēng)速會影響氣球偏移的角度，經(jīng)測試該氣球只能在地面三級以下風(fēng)的環(huán)境中起飛（風(fēng)速不高于4m/s）；溫度和光照會影響氣球內(nèi)外壓強(qiáng)變化，每次飛行前需要平衡內(nèi)外溫度壓強(qiáng)。

2.展開回收時(shí)間長

本次測試由于各種設(shè)備多且需要現(xiàn)場組裝，展開時(shí)間超過2小時(shí)；氦氣回收機(jī)功率低，回收氦氣時(shí)間需要十幾個(gè)小時(shí)以上。

3.配套設(shè)備多運(yùn)輸不便

整個(gè)浮空氣球通信系統(tǒng)多達(dá)十五個(gè)模塊，體積大、質(zhì)量重，總重量超過2噸，對于運(yùn)輸或者設(shè)計(jì)集成化專業(yè)車輛有著非常大的困難。

4.搭載設(shè)備易造成干擾

掛載設(shè)備需做平衡處理，寬窄帶設(shè)備因功率疊加、倍頻等因素會導(dǎo)致信號互相沖，影響通信質(zhì)量。

六、工作建議

（一）研發(fā)車載式空飄球快速展開系統(tǒng)

經(jīng)測試研判，如將空飄球系統(tǒng)集成在中型卡車上，在車上實(shí)現(xiàn)充放，實(shí)現(xiàn)升降功能，預(yù)計(jì)可在1小時(shí)快速展開，操作人員可降低至2人。車上集成氦氣鋼瓶、氦氣回收機(jī)、發(fā)電機(jī)、載卷揚(yáng)機(jī)、載荷系統(tǒng)、氣球囊體等設(shè)備，到達(dá)災(zāi)害現(xiàn)場后可快速展開。但目前市面上車載式空飄球技術(shù)還不成熟，需要解決均勻充氣、自動展開等問題，同時(shí)選擇更優(yōu)材質(zhì)的空飄氣球，以盡可能減輕氣球自身重量、縮小氣球體積，并減少展開的占地面積。

（二）研發(fā)空飄氣球相關(guān)的適配設(shè)備

（1）從產(chǎn)品入手，研發(fā)適用于浮空系統(tǒng)的寬、窄通信中繼設(shè)備，加大發(fā)射功率，加裝濾波器件，加大電池容量，改進(jìn)信號發(fā)射方式，以確保升空的通信設(shè)備發(fā)揮最大功效。

（2）設(shè)計(jì)搭載中繼的標(biāo)準(zhǔn)吊籃，針對常用的公網(wǎng)、專網(wǎng)通信中繼設(shè)計(jì)帶有不同方向插口卡扣的吊籃，使得搭載兩種以上通信中繼后能夠互不影響且配重均衡。

（3）進(jìn)一步試驗(yàn)研究論證浮空氣球搭載通信中繼的安全性可靠性，特別是在展開和回收時(shí)間、占用飛行器航線以及受高山峽谷地形因素等方面，還需要根據(jù)后續(xù)系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)一步測試。

（三）分場景制定空中中繼手段應(yīng)用規(guī)程

結(jié)合系留無人機(jī)、浮空氣球系統(tǒng)、翼龍無人機(jī)三種空中中繼手段特點(diǎn)，分地形、分場景、分災(zāi)種制定應(yīng)用規(guī)程，編制實(shí)戰(zhàn)操法，明確隊(duì)伍各級信號中繼設(shè)備的配備標(biāo)準(zhǔn)，多種手段配合使用，力爭達(dá)到最佳應(yīng)用效果。同時(shí)，建立專業(yè)浮空中繼崗位專業(yè)力量，相關(guān)人員定期學(xué)習(xí)理論知識和飛行操作技術(shù)，讓應(yīng)急通信隊(duì)伍向著正規(guī)化、專業(yè)化、職業(yè)化的方向轉(zhuǎn)變。

作者單位：黃煒堯 四川省消防救援總隊(duì)

趙翊軒 廣元市消防救援支隊(duì)

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