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基于飞艇浮空器的空地一体化5G应急保障系统的落地探索

时间:2022-10-31 17:23 作者:本地君

项目简介:本项目是中国移动重庆公司与上海交通大学重庆临近空间创新研发中心,依照“产学研”模式联合研发。5G无人飞艇应急系统以5G通信为核心,搭建空中平台和地面控制两大平台,整体架构采用空地一体化“双平台”设计,实现通信保障、环境监测、高清云瞰、应急救援四项应急保障功能。这是业内一次全新的有意义创新和探索,为应对越来越多复杂救援场景提供更丰富手段,为国家“科学应急、智慧应急”政策落实“添砖加瓦”。

导读

随着越来越多的复杂救援场景对应急通信保障提出了更高要求,聚焦基于飞艇浮空器的空地一体化5G应急保障系统的研发,为5G应急通信发展带来了新的机遇。近期,移动Labs邀请到中国移动重庆公司专家方东旭,深入5G无人飞艇试飞成功背后的探索历程。

我国应急通信起步较晚,2001年以后指挥调度系统才兴起。经过二十多年的发展,当前随着大数据、云计算、人工智能以及5G技术等新技术驱动,我国应急通信已逐渐走向卫星化、专网宽带化、数智化、可视化、多媒体化,通过遥感测绘、高清红外摄像、图像识别、人工智能、高精定位等多种应急手段融合,相关应急指挥调度系统及信息显示系统不断地同步升级演进,也促进了我国应急通信进入空天地水一体化立体组网的全新阶段。

近年来我国自然灾害频发,洪涝、地震、山火、台风、干旱、低温冷冻、雪灾等灾害有不同程度发生,“科学应急、智慧应急”已上升为国家战略高度。党的十九大后,国家专门成立了应急管理部,天地一体化的应急通信网络进入规划和建设时期。2021年国务院印发了 “十四五”国家应急体系规划,同时科技部在2022年度重点科研攻关项目中,单列了“重大自然灾害防控与公共安全”项目,把研制天空地一体化救援通信指挥关键技术及装备已列入国家级重点研发计划。

上海交通大学临近空间团队作为国内临近空间领域研究的重要力量之一,近年来取得了一系列重要的研究成果,也是国内飞艇研究和应用的引领者。2019年落户重庆,成立了上海交通大学重庆临近空间创新研发中心,秉承“产学研一体化”发展模式,在与中国移动重庆公司技术交流沟通中,双方达成一致,成立了技术联合研发团队,聚焦基于飞艇浮空器的空地一体化5G应急保障系统的研发,充分发挥各自优势,积极朝着校企产业融合的方向迈进。

越来越多的复杂救援场景对应急通信保障提出了更加严峻的挑战,研究空地一体化通信应急保障系统意义重大。该项目积极落实“十四五”国家应急体系规划,促进应急管理体系和能力现代化建设,利用飞艇搭载5G基站开展应急工作,在业内是一次全新的有意义的创新和探索,将为“科学应急、智慧应急”添砖加瓦,丰富现有的应急手段,并以实际行动践行“以人民为中心”发展理念。

据方东旭介绍,在本项目中,基于飞艇浮空器的空地一体化5G应急保障系统以5G通信为核心,搭建了空中平台和地面控制两大平台,整体架构采用空地一体化“双平台”模式设计。概括起来就是围绕“一个核心”,联动“两大平台”,扩展“四项功能”

? 一个核心:以5G通信为核心

依托于5G高速率、低时延和大容量技术特点,满足应急保障中基本通信需求,实现平台搭载的相关设备的数据传输。同时设计了云台和机械臂调节天面方向的模块,用于5G覆盖的动态调整,支持灵活部署和差异化业务场景,还可以通过5G massive MIMO波束赋型、CA载波聚合等增强技术的运用,使系统功能更强大。

? 两大平台:空中飞艇平台和地面控制平台

飞艇浮空器作为空中平台,搭载5G基站及相应机械控制云台、高清摄像头、空气和环境采集、夜间照明等应急保障设备,各个设备间相互独立,低耦合设计,按需部署。地面平台,包含了飞艇状态监控模块、环境空气检测控制模块、摄像头和基站天面的方向控制模块。空中平台和地面平台通过5G信号实现控制信令下发和数据回传。完成数据处理,通过系留绳以及光电复合缆与地面平台连接。

? 基于以上构架,实现通信保障、环境监测、高清云瞰、应急救援四项应急保障功能。

相较于传统基站,以无人飞艇为载体的5G基站又有哪些功能特点和优势?

方东旭介绍,传统的基站和常规应急通信车,高度一般在25米以内,基站的天面是由抱箍完全固定在抱杆上,再加上可能受周边建筑、山体等环境阻挡因素影响,虽然能通过5G天线权值参数进行一定方向优化调整,但调整方向的范围有限不够灵活,且覆盖的范围受高度影响,通信性能发挥受限。

而5G飞艇应急基站,升空高度可达上百米,从高空向下覆盖,全向360度一览无余,覆盖区域更广更大,同时地面控制平台可以通过云台和机械臂远程控制基站天面方向,增强了覆盖调整的灵活性。

在一些复杂的应急场景下,如山体滑坡、洪水、地震、山火,车辆无法通行时候,后续通过增强飞艇基站设计,把静态系留固定方式的飞艇基站,改进设计成自带动力、搭载高性能电源以及卫星通信的系统,具备一定移动能力,可有效摆脱线缆的束缚,更好满足应急需求。

首个5G无人飞艇的试飞成功,搭建了应急通信的新模式。方东旭总结了基于无人飞艇的5G应急保障系统在研究过程中所产生的成果:

一是全流程验证5G无人飞艇技术环节,为后续改进掌握了第一手的现场实测数据。比如高温暴晒下空中设备的散热、浮空器飞艇被大风吹的稳定性等问题。二是借助云台机械远程控制的设计,最大程度发挥5G基站的空中覆盖性能。三是递交了3项发明专利申请,发表了1篇论文,团队有意识地进行知识产权保护,为系统的下一步研发迭代储备技术能力。四是有效落实了国家和中国移动“产学研”的政策,该成果入选了“重庆市经信委2022年智能化赋能行动项目”、荣获了5G绽放杯创新应用大赛——5G增强技术专题赛道二等奖、中国移动重庆公司2022年科技进步一等奖。

为了成果的进一步推广,方东旭认为需要以下两方面支持:

  • 在社会上加强应用引导,以用促研,不断释放行业需求。浮空器飞艇5G通信系统不仅可以用于应急上,还可以用在非应急上,比方说偏远大型施工现场、智慧农业、森林防火等场景下,利用高空优势提供临时的通信或视频监控等场景。
  • 加大相关环节的研究和应用支持力度,降低飞艇运营造价,带动产业链发展。目前飞艇所用填充的高纯度惰性气体氦气以及生产飞艇的高韧性高密闭外体材料,都还属于小众化产品,且成本较高,通过产业化研发创新氦气提纯技术,降低运营成本。

5G无人飞艇试飞现场

当前5G网络仍然是以地面移动通信网络为主,单个基站覆盖范围有限,在地广人稀的地区,例如沙漠、海洋、原始森林、大草原等空旷场景进行全覆盖的成本过高,能够有效覆盖的方式还很欠缺。目前主要可依靠的方式还是卫星通信,但普通用户终端直接利用卫星通信进行数据传输的能力比较弱,即使市面上推出的高端手机的卫星通信功能,在现阶段只是收发卫星短报文消息作用,真正的卫星通信语音和数据业务还需要配备专门终端收发,在未来很长一段时间内难以普及。之前著名的谷歌气球互联网计划,是最早空中基站通信探索项目之一。

目前利用空中平台搭载通信基站的可选方式有两种:无人机、浮空器飞艇。其中无人机是靠螺旋桨的机械动力驻空,载荷较低,长期驻空能力较弱,但快速敏捷灵活特性,可以做即时性信息收集和临时短暂通信覆盖补充。浮空器飞艇主要依靠自身填充的氦气物理浮力,驻空时长可达数天甚至上月,载荷较大,但飞艇由于体积庞大,在空中航速较慢。

通过以上对比,我们可以看出,无人机与飞艇浮空器的能力刚好互补,其中无人机的应用已非常丰富,尤其近5年来在高速发展。而飞艇在民用上还处于起步阶段,产业链并不完善,飞艇运营成本较高,对维护团队也有较高的专业要求。除了应急救援场景外,在沙漠、原始森林、大草原、野外大型施工现场等地广人稀场景下,能够有效解决静态或者半静态的长期驻空通信能力。方东旭认为,飞艇是一种高价值选项,也许经过社会培育和引导,在未来会像无人机一样飞入寻常百姓家。

当前,我国已全面进入新型信息化社会,数字化浪潮扑面而来,通信网络是承担数字中国最重要的基础力量。智慧城市的空天地一体化立体通信,也是未来大势所趋。方东旭表示,在产业链打造与合作中,我们最大的优势就是强大的通信网络连接能力,这也是各类产品发挥出更强性能不可或缺的一环。以升空的飞艇5G基站项目为例,离开通信网络,监测数据和视频就无法实时回传,升空后的应用价值就大打折扣。因此,在各类项目中,以网络连接作为各模块能力串联,发挥网络连接的强大粘合力,是我们的不二选择。

对于后续的研发,方东旭给出了规划。

1?? 在现有产品自身性能打造上,引入利用卫星通信作为基站传输通道和高性能电池,摆脱对线缆的束缚。加强飞艇平衡和动力设计,提升稳定性和机动能力,向更专业的应急通信体系迈进。

2?? 研发低能耗小型便携式飞艇,利用飞艇驻空时间长的特征,在工业园、智慧农业、智慧渔业、工程施工、江河水域、旅游景点等场景下,实现一键式升空智慧监控,拓展应用场景,让产品具备广泛应用。

3?? 加强产学研联合团队产品研发能力,同时争取融入集团指定的内部专业公司,增强项目的技术支持力度和产品推广力度(有效地向政企行业、应急通信领域进发),利用好“空中平台”与结合集团公司的相关产品有机组合和功能集成,以便尽快形成公司高价值的产品能力。

未来,信息技术创新不断加深加快,信息领域新产品、新服务、新业态大量涌现,根据应急通信的场景和需求不同,围绕着智慧城市建设、国家应急平台建设、卫星应急系统开发、北斗星项目、飞艇浮空器、无人机、无人船等新的市场需求将不断被激发,各类与之匹配的应急解决方案将呈“井喷”之势快速发展,为我国应急通信带来新的市场机遇和发展活力。

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