利用浮空气球解决应急救援现场信号覆盖问题的应用探索

黄炜尧 赵翊轩

摘要：本文开展了一系列实地测试工作，探索利用浮空气球搭载通信基站解决灾害现场通信覆盖难题。通过在三种典型地形条件下展开浮空气球搭载通信基站并进行信号覆盖测试，对信号稳定性、覆盖范围、滞空时长、浮空高度、安全性等指标进行评价，同时探索依托浮空气球搭载通信基站，建立空中通信中继搭建空地一体化网络方案，以达到有效弥补现有灾害现场信号覆盖手段的目的。

关键词：应急救援；浮空气球；通信中继；信号覆盖

一、引言

“大震巨灾”救援现场信号覆盖一直是应急通信工作的难点。要想解决断电、断路、断网——“三断”条件下灾害现场通信信号覆盖问题，当前最常用的三种手段是高点架设中继、系留无人机搭载中继和翼龙无人机搭载中继[1]，但这些方式都各有短板。应急救援力量亟须寻求一种快速灵活部署、续航时间长、安全系数高、运输便捷、载荷大、滞空稳定的应急通信方案作为现有灾害现场信号覆盖手段的有效补充。

系留气球在海洋科考被用于应急通信试验系统，可以在船上部署，升空高度可以超过300m，载重能力超过30kg，并搭载了4G通信基站，覆盖范围超过2300km2。搭载的信号接收机可以接收距离超过250km，而关于其在高原、高山峡谷等复杂地形中是否适用于应急通信的研究还是空白[2]。依据任务需要，近期四川省消防救援总队开展了利用空飘球挂载通信基站的测试工作，探索利用浮空气球技术的优势提升通信基站的滞空高度和时间，以期扩大灾害现场无线信号的覆盖范围，为下一步浮空气球服务应急救援提供实践基础。

二、测试准备

浮空飘气球是一种可操控高度的漂浮于空中的飞行器，主要依靠内部充满氦气的气囊（及副气囊）提供的浮力使其悬浮，将浮空气球及其载荷悬于空中。通过卷扬装置，浮空气球可以垂直起降、空中悬停，不需要有专用起降场地，具备无毒、无害、不燃、不爆特点，但飞行速度较慢且无动力，自然上升或下降速度为每秒0.5m至2m[3]。不同的气球因体积、构型、环境适应性等要求的不同，其抗风能力大相径庭。一般而言，系留气球体积越大，有效载荷能力和抗风能力越强，升空高度越高，系统越复杂，所需配套设施越多，造价越高[4]。系留式空飘气球属于浮空气球中的子类别，本次测试用系留气球为小球，最大直径5.6m，体积87m3，最大高度可达1000m。本次测试最大高度为800m，最大载重20公斤，初始充气量为约80m3氦气。其余设备包括卷扬机、回收机、发电机、宽（窄）带自组网、滤波器及环境监测设备。

三、测试方法

（一）场景一：平原地区

1. 基本环境

平原区域选取具有灾害典型地形的都江堰城区，海拔640m、地表风速2m/s、温度19～24℃。

2. 场地目的

选取平原地区测试其最大覆盖范围，通过在不同高度下分别对宽窄带设备进行测试，从而和系留无人机、翼龙无人机进行对比，便于结果对照分析。

（二）场景二：高山峡谷地区

1. 基本环境

选取“9.5”泸定6.8级地震灾害现场雅安市新民乡作为自然灾害山区典型地形测试点位，海拔930米、地表风速1.3～2.4m/s、地表温度23℃左右。

2. 场地目的

选取高山峡谷地区，通过对300m模拟系留无人机和800m浮空气球分别对宽窄带设备进行测试，从而和系留无人机进行对比，便于检测该系统在贴近实战条件下的真实表现。

（三）场景三：高原地区

1. 基本环境

选取四川省甘孜州的高风险地震断裂带、高风险森林火险区域、地质灾害隐患点密集区域的新都桥镇地区作为测试点，海拔3460m、地表风速1.5～2.3m/s、地表温度10～21℃。

2. 场地目的

选在高原丘陵地区，一方面测试浮空气球在丘陵地带的覆盖范围，一方面探索浮空气球是否能够正常在3000m以上高海拔地区正常工作，从而得出该系统是否具备适应性、安全性、可操作性结论。

四、测试结果

（一）场景一：平原地区

1. 覆盖结果

升空800m时，图像最大通信距离为50km，语音最大通信距离为55km；升空500m时，图像最大通信距离为33公里，语音最大通信距离为40km；升空300m时，图像最大通信距离为21km，语音最大通信距离为40km；升空100m时，图像最大通信距离为9km，语音最大通信距离为17km。

2. 测试小结

本次测试系统展开时间为2小时，气球升空时间为30分钟，浮空运行时间8小时，降落时间30分钟，氦气回收17小时。在测试过程中，空飘球稳定浮空，沿途图像、语音在覆盖范围内传输，视频流畅，语音清晰，符合预期。信号覆盖范围直径随着气球升空高度呈线性递增，相比翼龙无人机万米高空覆盖100km、系留无人机300m覆盖20km的数据，浮空气球800m图像信号最大覆盖距离55km、语音信号最大覆盖距离60km，在经济性、实用性方面具有显著优势。

（二）场景二：高山峡谷地区

1. 覆盖结果

系留无人机升空高度300m模拟测试，图像最大通信距离为9km，语音最大通信距离为13km。浮空气球升空800m测试，图像最大通信距离为11km，语音最大通信距离为13.5km。

2. 测试小结

本次测试系统展开时间为1小时31分钟，气球升空时间为30分钟，浮空运行时间6小时45分钟，降落时间32分钟，氦气回收10小时。在测试过程中，空飘球稳定浮空，沿途图像、语音在覆盖范围内传输，视频流畅，语音清晰。但是，由于高山峡谷影响信号传输，覆盖范围明显比平原地区少了很多，气球进一步升高或可得到解决。模拟系留无人机300m覆盖9km的数据，浮空气球800m覆盖13km，对比之下有着明显优势。

（三）场景三：高原地区

1. 覆盖结果

升空高度800米，分别从东、西、南、北四个方向测试覆盖情况：

（1）东向覆盖情况，图像最大通信距离为16km，语音最大通信距离为23km；

（2）西向覆盖情况，图像最大通信距离为13km，语音最大通信距离为20km；

（3）南向覆盖情况，图像最大通信距离为7km，语音最大通信距离为12km；

（4）北向覆盖情况，图像最大通信距离为8km，语音最大通信距离为13km。

2. 测试小结

本次测试系统展开时间为1小时，气球升空时间为32分钟，浮空运行时间7小时15分钟，降落时间34分钟，氦气回收12小时。在测试过程中，空飘球稳定浮空，沿途图像、语音在覆盖范围内传输，视频流畅，语音清晰，符合预期。本次测试首次实践了空飘气球在海拔3400m以上仍然能够正常工作，并且总结了前两次展开速度慢的原因，探索了一系列方法节约展开时间，使空飘气球在应急通信中发挥作用成为可能。

五、测试结论

（一）浮空气球搭载通信基站优势

1.信号覆盖范围广且稳定

相较翼龙无人机动辄万米高空的高度，不易影响其他飞行器的航线，平原地带升空800m即可覆盖半径55km的范围，位置基本恒定使得信号更加稳定。

2.续航时间长

浮空气球使用铝膜内胆，连续滞空时间可达数月，且不需要供电和人工维护。

3.成本较低

一套空飘球装置（含定制气球、气瓶、卷扬机、发电机）成本约30万至60万，相对于系留无人机（300米级的上百万）和翼龙无人机而言成本较低。

4.操作简单

空飘球装置操作简单，后期经过优化2人即可操作，并且维护消耗成本较低，不需要专门的起落机场，仅需100m2左右四周无遮挡场地即可升空。

（二）浮空气球搭载通信基站不足

1.安全隐患因素较多

救援现场无法像无人机一样快速下降，可能会影响其他飞行器和救援直升机的航线；风速会影响气球偏移的角度，经测试该气球只能在地面三级以下风的环境中起飞（风速不高于4m/s）；温度和光照会影响气球内外压强变化，每次飞行前需要平衡内外温度压强。

2.展开回收时间长

本次测试由于各种设备多且需要现场组装，展开时间超过2小时；氦气回收机功率低，回收氦气时间需要十几个小时以上。

3.配套设备多运输不便

整个浮空气球通信系统多达十五个模块，体积大、质量重，总重量超过2吨，对于运输或者设计集成化专业车辆有着非常大的困难。

4.搭载设备易造成干扰

挂载设备需做平衡处理，宽窄带设备因功率叠加、倍频等因素会导致信号互相冲，影响通信质量。

六、工作建议

（一）研发车载式空飘球快速展开系统

经测试研判，如将空飘球系统集成在中型卡车上，在车上实现充放，实现升降功能，预计可在1小时快速展开，操作人员可降低至2人。车上集成氦气钢瓶、氦气回收机、发电机、载卷扬机、载荷系统、气球囊体等设备，到达灾害现场后可快速展开。但目前市面上车载式空飘球技术还不成熟，需要解决均匀充气、自动展开等问题，同时选择更优材质的空飘气球，以尽可能减轻气球自身重量、缩小气球体积，并减少展开的占地面积。

（二）研发空飘气球相关的适配设备

（1）从产品入手，研发适用于浮空系统的宽、窄通信中继设备，加大发射功率，加装滤波器件，加大电池容量，改进信号发射方式，以确保升空的通信设备发挥最大功效。

（2）设计搭载中继的标准吊篮，针对常用的公网、专网通信中继设计带有不同方向插口卡扣的吊篮，使得搭载两种以上通信中继后能够互不影响且配重均衡。

（3）进一步试验研究论证浮空气球搭载通信中继的安全性可靠性，特别是在展开和回收时间、占用飞行器航线以及受高山峡谷地形因素等方面，还需要根据后续系统研发进一步测试。

（三）分场景制定空中中继手段应用规程

结合系留无人机、浮空气球系统、翼龙无人机三种空中中继手段特点，分地形、分场景、分灾种制定应用规程，编制实战操法，明确队伍各级信号中继设备的配备标准，多种手段配合使用，力争达到最佳应用效果。同时，建立专业浮空中继岗位专业力量，相关人员定期学习理论知识和飞行操作技术，让应急通信队伍向着正规化、专业化、职业化的方向转变。

作者单位：黄炜尧 四川省消防救援总队

赵翊轩 广元市消防救援支队

参考文献

[1]李理，王江.消防救援现场应急通信的保障策略[J].电子技术与软件工程，2020（12）：32-35.

[2]古彪，何先旺，叶树林.世界特种飞行器及应用[M].北京：航空工业出版社，2016：6-7.

[3]黄宛宁，栗颖思.现代浮空器军事应用[J].科技导报，2017（15）：67-70.

[4]王鑫.基于系留气球的球控计算机设计[J].太赫兹科学与信息学报，2015，13（02）：332-336.