高空平台系统发展趋势

  当前全球各国在国防、民用和商业领域大规模部署高空平台系统 (HAPS) 或自主飞行器的道路并不平坦。包括谷歌（Alphabet）和脸书（Facebook），现为元界（Meta）在内的领先科技公司的努力已被搁置，谷歌Loon高空气球网络计划和脸书Aquila推行全球连网计划的高空太阳能无人机分别在2021年和2016年宣布取消。然而，尽管有这些挫折案例，但各国对高空平台持续的投资最终证明了其未来发展的潜力。下面依据全球数据公司确定的影响高空平台系统主题的关键发展趋势：

  从目前已知的高空平台系统发展的技术趋势看，材料、人工智能、引擎能源、平台及仪器重量等是影响高空平台系统发展的重要因素。

  复合材料对高空平台系统至关重要。轻质复合材料对于高空平台系统至关重要，特别是对于固定翼重于空气 (HTA) 平台，这一些平台的有效载荷能力和飞行时间在很大程度上取决于飞机的重量，因此，在机身和系统组件的构造中部署轻质材料将赋予高空平台系统更大范围的能力和作用。

  人工智能(AI)。在未来的网络中，AI可以在 HAPS 系统的编排和管理中发挥作用。同时，高空平台系统将成为航空和空间网络中AI和计算的驱动力，因为高空平台系统能构成航空数据中心并执行边缘计算功能。由于海拔高、覆盖范围广，高空平台系统系统能收集大量数据，此类数据可用于揭示趋势、隐藏模式和不可见的相关性，并实现自动化决策。

  对太阳能的依赖。许多正在开发的主要高空平台系统项目都依赖太阳能为平台提供动力。这带来的主要好处是持久性，允许平台长时间保持在站上而无需加油。因此，高空平台系统能将地球静止卫星的持久性与传统固定翼飞机的低延迟和机动性结合起来，这增加了平台上的功能和用例，并减少了维持连续覆盖所需的单架飞机数量。展望未来，随着光伏 (PV)电池效率的提高，太阳能高空平台系统将能够承载更大的有效载荷，并且将提供更小的配置。从2003年开始，美国宇航局的Helios太阳能飞机的翼展为75米，以容纳所需的光伏电池；而空中客车的Zephyr太阳能超高空无人机，在更高效的光伏电池的支持下，翼展已缩小至25米。

  氢燃料电池。氢燃料电池是一种选择。该系统总体上比太阳能替代品更重，燃料箱和燃料本身会增加负载。然而，氢燃料电池具有比太阳能替代品产生更大功率的优势，这使得平台能够承载更重的有效载荷。氢能还允许昼夜24/7全天候运行，而无需“断电”进入缩减运行模式，因为太阳能无人驾驶飞行器 (UAV) 需要在夜间进行，以及在极北和南纬。

  机载仪器的小型化。有几个因素正在推动高空平台系统应用的远程传感器小型化。这些遥感仪器体积更小、质量更轻，对功率要求、燃料消耗、任务寿命和卫星高空平台系统有重大影响。物理学对最小平台可实现的性能限制有一些基本限制。例如，高分辨率成像需要大孔径光学器件，即使采用可部署技术，在小型平台上也可能难以适应。同样，微波测量可能需要非常大的天线，尤其是在较低频率下。

  热管理。对于轻于空气(LTA)的飞机，有效的热管理至关重要。因为，此时飞机直接受到升力气体（包络内气体）与外部大气之间的温差的影响。当内部气体的温度高于外部空气的温度时，这种效应称为过热，或者在相反的情况下称为过冷。这种温差可能是由几个可归因于高空平台系统预期运行高度的因素造成的。这些包括直接太阳辐射、从地球表面或云层反射的太阳辐射（反照率）、上升过程中升力气体的膨胀或下降过程中的压缩、大气温度的变化以及光伏电池运行引起的变暖。

  正在开发高空平台系统，以在国防应用中提供持久而灵活的情报、监视和侦察 (ISR) 能力。与依赖低地球轨道(LEO)、中地球轨道 (MEO) 和高地球轨道(HEO)卫星星座的现有能力相比，高空平台系统能以更实惠的价格提供类似的服务。高空平台系统还可用于防御环境，以增强通信并提供安全的长期演进(LTE)等服务。

  高空平台系统的“最后十亿”。推出高空平台系统商业通信的一个持久而长期的价值主张是针对缺乏任何类型蜂窝基础设施的农村和欠发达地区。根据联合国教科文组织的数据，2019年全球只有54.8%的家庭可以上网。大多数尚未接入互联网的家庭都位于不发达的农村地区。例如，在2020年的巴西，拥有互联网接入的城市家庭比例为65%，而拥有互联网接入的农村家庭比例为34%。此外，家庭互联网采用的上涨的速度正在放缓，每年增长不到1%。这种放缓的步伐表明传统通信提供商无法以具有成本效益的方式促进这些领域的服务。由于人口密度较低、地形恶劣或缺乏电力和电信基础设施，在这些地点部署传统的无线接入网络基础设施对运营商来说是一项挑战。在这里，可能会为利用高空平台系统等创新技术的颠覆性供应商提供机会。

  国防应用。高空平台系统正在为军事市场开发，以填补一系列能力。这中间还包括持续的 ISR、陆地/沿海边界保护、信号情报(SIGINT)，以及在战术关键任务环境中提供连接。

  当前，高空平台系统市场仍处于起步阶段，平台刚刚成熟。其用例和实施方案将根据当地市场需求、监管情况、地理、经济发展和其他特定于每个部署的参数而不一样，所以，不可能有一个万能的解决方案。

  法律定义（空间与航空航天物体）。国际法在空域结束和外层空间开始的确切边界上是模棱两可的。但是，航空和太空法律制度之间有明显差异。由于高空平台系统计划运行的平流层区域是大气和太空之间的灰色地带，因此监管制度适用于这些系统存在一些模糊性：太空法或航空法。一些关键的差异可能会影响高空平台系统的推出。首先，主权问题。航空法声称，每个国家都有权适用自己的法律和法规，并对其领土上空的空域行使管辖权。然而，太空法与此背道而驰，并禁止主张太空主权。没有一点一个国家对其领土上空拥有任何管辖权，所有国家都有权自由使用外空。HAPS 在这两个区域的边缘运行，HAPS 联盟等组织正在寻求关于 HAPS 可能属于哪个制度的明确指导。其次，责任方面。航空法将航空器造成的损害由承运人或运营人承担相应的责任。然而，空间法将责任置于发射国，即发射国；促成发射；空间物体是从谁的领土发射的；或发射该空间物体的设备。由私人活动引起的国际责任也要承担：每个国家对其国民在太空中的活动承担相应的责任和义务。这种区别可能会影响各州与 HAPS 运营商合作的意愿。第三，飞机和航天器的不同注册要求也将对高空平台系统产生一定的影响。飞机只需制造一次并承担多项义务，例如确保适当的适航认证和人员许可。航天器必须在国家登记处登记，每次发射都必须告知联合国秘书长，并且必须要提供有关航天器的有限信息，例如其预定轨道、发射日期和一般用途。

  高空平台系统启动和恢复。高空平台系统的大部分飞行时间都高于空中控制高度限制，通常定义为20公里（65,000 英尺）。然而，在较低高度发生的发射和回收阶段必须与空域控制机构一起计划，并为该操作定义特定的隔离区域。无人驾驶飞机在非隔离空域的整合是一个尚未规范的主题，主要是由于避免空中碰撞的问题。

  航空法规。国际民用航空组织（ICAO）将高空平台系统分为两类：无人驾驶自由气球和无人驾驶飞机。在他们的定义中，无人驾驶自由气球被理解为自由飞行的非动力驱动、无人驾驶、比空气轻的飞机，而无人驾驶飞机是指在没有飞行员的情况下运行的飞机。该领域的监管指导仍处于初期阶段，高空平台系统联盟等组织正在推动监督管理的机构解决这一问题。然而，就目前而言，这两个类别存在显着的监管差异。一个主要的区别是气球被排除在实时管理之外。目前，航空法规由国家民航按照国际民航组织等机构的国际标准制定和监督。然而，一些大规模的高空平台系统部署旨在由国际财团运营，超越国界。缺乏一套用于管理许可和运营的大规模高空平台系统部署的国际规则和标准可能会抑制该行业的增长。

  频谱规定。地对高空平台系统链路需要396MHz -2969MHz 的带宽。高空平台系统到地面的链路需要324MHz-1505MHz的带宽。2019年，在重点讨论高空平台系统和非对地静止卫星系统监管框架的世界无线电通信大会上，商定了高空平台系统使用的频段。31-31.2GHz和 38-39.5GHz频段被添加到现有的专用47.2-47.5 GHz和47.948.2 GHz频段以供全球使用。国际电信联盟(ITU)还指定了 GHz和6GHz 频段中的其他频段。最后，高空平台系统能在区域2的固定业务中使用21.4-22 GHz和24.25-27.5 GHz频段，该区域覆盖美洲，包括格陵兰岛和一些东太平洋岛屿。

  注：本文是根据全球数据专题研究制作的高空平台系统专题研究报告的编辑摘录，其观点不代表蓝海长青智库立场。

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