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“GoogleLoon”高空超压气球网络技术探究

来源:www.timetimetime.net 时间:2019-11-05 编辑:情感语录

尽管互联网已经普及并融入了人们的生活,但由于地形复杂,全世界三分之二的人无法使用互联网服务。有鉴于此,Google于2013年6月正式宣布了高气球网络计划,旨在将大量高海拔超压气球用作全球范围内无法访问Internet的农村或偏远地区的网络通信中继平台。提供一种新型的廉价互联网访问服务。经过2014年的飞行测试和2015年的技术改进后,Loon项目取得了长足的进步。目前,Loon团队已基本解决了空中气球窒息的问题,从而大大增加了气球的电池寿命。最大空白时间为187天,平均空白时间接近100天。一个气球飞行的最长距离为km。此外,Loon团队还克服了关键技术,例如气球轨迹控制,高度控制,充气和释放技术,并且该技术正在变得越来越成熟。目前,在诸如斯里兰卡等地区已经促进了网络覆盖,并且其商业化促进也在加速。

本文着眼于Loon网络原理,重点介绍了高空超压气球中继平台的组成和关键技术研究,并介绍了项目测试进展和商业推广。

1 Google Balloon Network原则

GoogleLoon气球网络的工作原理如图1所示。Google已经发射了一个气球,该气球携带无线网络信号收发器,离地面约20公里。这些高空球可以将网络数据传输到地面上的基站。超压气球还可以彼此通信,以向每个气球发送Internet连接。这些气球通过地面接收设备与地面交换数据,从而实现地面用户的网络连接。

Loon气球电子设备将控制Loon气球,在气球之间定位和通信,与气球通信等等。地面用户通过特殊的网络天线访问Loon气球提供的Internet服务。

放开气球时,Loon项目将在地面上建立一个基站网络。基站与基站之间的距离约为100公里,信号可以通过基站传输到气球。

2气球网络关键技术分析

2.1气球轨迹控制技术

基于大量的风流信息和复杂的算法,Loon团队在复杂的平流层环境中实现了气球的轨迹控制。国家海洋和大气管理局提供了大规模的气象数据。该团队在气球处理问题上做出了重大改进。通过数千次轨道仿真计算,它现在非常接近预期目标。在里程为9000 km的飞行中,气球到达点与目标目的地之间的距离误差可以控制在1.5 km之内,这完全是通过预测平流层风向并将其用作气球导航的基础。

2.2气球高度控制技术

除了通过气泵改变高度以将空气填充或排放到副气囊之外,Loon气球还可以通过以下三种方式实现其自身飞行高度的改变:

(1)通过太阳能发电系统,气体在密封膜和储藏室中不断传递,通过释放或充入空气来改变气球的浮力,从而实现高压超压高度的变化气球。

(2)气球中的燃料电池可以通过化学反应将氢气产生到密封膜中,以增加气球的浮力。当氢气返回到燃料电池箱中并且氧气发生反应形成水时,气球的高度会降低。

(3)通过在球体上施加黑白两种不同的材料,当气球需要上升时,黑色面朝着太阳,气球中的气体吸收热量并膨胀,浮力增加,高度上升;否则,白色的一面朝向太阳,气球中的气体冷却下来,减少浮力以达到高度下降。

对于以上三种控制方法而言,第二种实现方式太困难了,也许仅仅是Loon团队的一个想法。实现气球方向改变的第三种方法是困难的。

2.3气球充气和发射技术

谷歌表示已开发出一种新的气球充气机。现在,只需5分钟,您就可以准备升空气球了。

此外,Google还开发了自动发射器(也称为“鸟屋”),如图3所示。鸟屋是金属框架,上面覆盖着帆布,因此可以阻挡外界风,从而使气球保持空气姿态,避免气球起飞时天线漂移。如果风速小于24 km/h(相当于4风),地面只能在4分钟内15分钟内将气球送上天空;在过去,发射需要45分钟,并且风速不能大于9.6km/h(相当于2级风)。对于想要覆盖通常需要数百个超压气球的信号盲点的Google来说,该设备极大地提高了发射的效率和可靠性。

2.4网络信号中继表

为了有效地提供Internet信号,Google的高空球需要直接与运营商合作伙伴的地面站(例如Vodafone,Telefonica等)相距80公里,以提供Internet信号中继,并且大量必须设置理由。电站,效率低,价格高。气球本身用于中继。气球一旦从附近的地面站收到信号,便会将信号从空中中继到附近的气球,以使附近的气球不再从地面站寻找中继站。这样,一个地面站的漫游距离可以达到400-800km,只需要8个地面站即可覆盖整个西非。

但是,此方法的技术挑战也非常大,因为平流层上方的气球将在水平风的作用下移动,并且通信中继位置也将移动,以便找到另一个气球的位置和高度。一定的时间。非常精确和复杂的计算。另外,平流层环境也很恶劣,最低温度可以达到负50°,在这种情况下,传统的金属平衡环和电动机将失效或失效。

3高空超压气球组成研究

从上到下,Loon的高压超压气球是:降落伞,球体,气泵,太阳能电池板和吊舱。高空超压气球各组成部分的指示灯和功能描述如下:

3.1降落伞

降落伞安装在气球的顶部。当Loon气球完成任务并需要降落时,地勤人员会通过排出氦气来降低气球的浮力。如果气球掉落得太快,降落伞袋将自动打开,下降速度将控制在可控范围内,以便可以恢复气球。

3.2球体

该球体分为一级安全气囊和二级安全气囊。为了实现超过100天的预期飞行时间,它采用了南瓜形状的超压气球设计。气球的直径约为15m,高度约为12m。主气囊的内部充满了浮动气体(氦气)。所使用的气球由聚乙烯材料制成,具有很高的材料强度,厚度约为0.076mm,气球的超压可达到800Pa。根据最新发布的实验室测试数据,气球的最终超压已经突破。 1200Pa。子气球充满空气,然后抽气或充满空气以调节月球气球的高度。

3.3气泵

懒人气球的底部装有高度调节装置-气泵。气泵向子袋填充空气或排出空气以改变气球的浮力,从而实现气球高度的下降或增加。这种浮力调节方法可以实现气球在1.7km范围内的高度调节。

3.4太阳能电池

气球上的任务设备的所有能源都是太阳能电池。每个气球有两个1.5m x 1.5m的面板,彼此相对放置,以方便各个方向吸收阳光。即使气球在空中改变方向,也不会中断电源。太阳能电池板由重量轻,高效的薄膜单晶硅制成,在照亮时可提供100W的功率。当光线充足时,仅需4个小时即可完成电池盒中锂电池的充电过程。当日光充足时,太阳能电池不仅可以满足球上设备的能量需求,而且还可以将剩余能量存储在吊舱中的锂电池中,以便在晚上或光线不足时在球上使用。这将确保气球在20 km的高度下可以继续工作许多天,而无需在地面上增加能量。

3.5个豆荚

懒人气球的主要电子设备和任务装载设备安装在气球底部的吊舱中。豆荚的大小约为30厘米x 25厘米x 60厘米,豆荚的总重量约为10公斤。吊舱中的主要设备是通信设备,温度控制系统,GPS接收器,锂电池,测控设备,雷达角反射器,辅助雷达应答器和主控制电路。

4 Loon气球测试及其推广

4.1测试记录

2013年6月,Google在新西兰南岛克赖斯特彻奇市郊和莱克特卡普市坎特伯雷市郊的两个配送点进行了首次公开飞行测试,气球通常只有几天的初始通气时间。飞行测试结果对改进和完善Loon气球技术非常有帮助。 Google通过从飞行测试中收集风力数据改进了其预测模型,使其准确性比以前提高了一倍。此外,对Loon的气球进行了改进和升级,从几天到100多天甚至180天。为了改进和改进Loon的高空超压气球技术,在完成气球升级后,该团队在加利福尼亚中央谷地进行了一系列飞行测试,成功地在附近的Forrest Snow上空飞行。通过飞行,成功获得了无线电信号噪声对城市懒人气球网络传输能力影响的数据。由于存在噪声,使得气球信号的误码率增加,有效带宽减小。他们采取增加信号强度的措施来减少噪声对信号的干扰。

然后,IBIS 167气球用了22天的时间完成了环球飞行:它首先绕过太平洋几次,然后以西风飞到智利和阿根廷,然后返回澳大利亚和新西兰。由于改进了气泵和先前的飞行测试数据,气球可以更快地更改其工作高度并保持其航向。

2014年6月,Google在Piaui首都特雷西纳(Teresina)的赤道区附近,释放了五个高空球。在此实验中,采用了长期演进(LTE)技术来发送和接收数据,从而使人们可以通过手机直接连接和访问Internet。借助该技术,Loon气球可以以高达22 Mbps的传输速率连接到地面天线,并以高达5 Mbps的传输速率连接到手持设备。这是Google首次克服酷热和潮湿环境的影响,将Loon气球放到赤道附近。

4.2业务推广流程

将Loon项目商业化的能力也在提高。斯里兰卡政府于2016年2月初宣布,它将与Google合作提供高速网络服务。在合资企业中,斯里兰卡政府将持有25%的股份。尽管斯里兰卡不会提供任何财务支持,但它将为GoogleLoon开设乐队。另外,将10%的股份移交给岛上现有的电话服务提供商。该项目有望扩大网络覆盖范围,并提供更方便的数据服务。这也意味着斯里兰卡成为第一个完全覆盖Internet的国家,并成为第一个覆盖气球网络项目的国家。

目前,只有大约三分之一的印尼居民可以访问互联网。在组成印度尼西亚的17,000个小岛中,很难连接光纤网络或建立和维护移动通信塔。 2016年,Google与印度尼西亚的三大移动网络运营商indosat,telkomsel和XLaxi ata合作,在印度尼西亚测试了热气球互联网项目。通过气球到气球的通信,Loon项目已经能够实现最偏远地区居民的Internet访问目标。在飞行测试中,Loon的团队已能够在相距100公里的平流层高空漂浮的两个气球之间广播数据,从而使本地运营商能够以前所未有的方式向更广泛的用户提供网络服务。

根据Google向美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission)提交的文件,该公司计划在美国范围内测试其Project Loon项目。 Google已要求联邦通信委员会批准在美国和波多黎各的50个州基于毫米波带宽无线电频谱的实验性无线电技术的测试。谷歌表示计划从2016年1月1日开始进行为期24个月的测试。测试计划表明Google有进一步扩展Loon项目的愿景。

5期待

自启动以来,Google Balloon Network计划已实现了一系列技术突破和商业化。目前,ProjectLoon气球主要分布在南半球,主要是因为南半球的人口密度低,并且有许多偏远地区。宽带网络难以到达,并且对大气的控制相对宽松。在北半球,ProjectLoon面临着复杂的政策因素。由于气球完全由气流驱动,因此气球能否到达要覆盖的区域取决于国家的态度。但是,ProjectLoon因其较小的天气影响而具有的独特优势仍然吸引了日本等一些发达国家的关注。

Google本身也在积极调整其战略以推进Loon项目。从最初采用Wi-Fi频段到与本地运营商合作以寻求更大的商机,该网络不仅更快,更可靠。对于运营商而言,这是提高网络覆盖范围的有效解决方案,因为在地面上部署基站始终会受到地理条件的影响(尤其是在偏远地区),并且在空中使用这些移动基站可能是_r_m_ -_i_7以有效且低成本的方式实现网络的完整覆盖。

此外,谷歌还启动了一个名为“ ProjectSkybender”的高空计划,将太阳能无人机连接到5G网络。 “ Solara50”太阳能无人机如图6所示。它主要依靠毫米波技术。从理论上讲,速度可以达到数GB/s,是普通4GLTE的40倍以上。

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