HAPS 与卫星：关键技术差异

高空平台 (HAPS) 运行在距离地球约 20 公里的平流层，与卫星相比，具有显著更低的延迟、更易于维护且部署成本更低。与在 500 公里外高速运行的近地轨道 (LEO) 卫星不同，HAPs 利用大气升力悬停在固定位置，为通信和传感提供持续的局部覆盖。

低空经济 (LAE) 作为价值数十亿美元的前沿领域正在迅速扩张，涵盖了从物流无人机、基础设施巡检到新兴的电力垂直起降 (eVTOL) 飞行器等各个方面。由 Mohamed-Slim Alouini、Bang Huang 和 Eddine Youcef Belmekki 领导的研究强调，随着城市天空变得日益拥挤，现有的地面网络已不足以管理高密度的空中交通。从实验性无人机飞行向完全实现的空中运输系统的转变，需要一个强大的三维网络架构。这些研究人员认为，HAPs 是连接地面 5G/6G 基站与空间卫星星座之间缺失的“关键环节”，确保下一代自主飞行既安全又具可扩展性。

高空平台与卫星之间有什么区别？

高空平台 (HAPs) 与卫星的区别主要在于其位于 20 公里高度的平流层定位，这实现了毫秒级的延迟，并且无需火箭发射即可进行更简便的维护。虽然卫星从太空提供全球覆盖，但 HAPs 提供静止、高分辨率的区域监管，并可以降落以进行有效载荷升级或维修，使其在应对城市空中交通需求时更加灵活。

定点悬停是 HAPs 相对于 LEO 卫星的一个主要优势，因为它允许对特定大都市区域进行持续覆盖。LEO 卫星必须以每秒数公里的速度移动才能保持在轨道上，这需要不同卫星之间进行复杂的切换才能维持地面的单一连接。相比之下，HAP 可以固定在城市上空，充当永久性的平流层基站。这种稳定性对于 eVTOL 导航等安全至关重要的操作至关重要，因为即使几秒钟的信号丢失也可能导致灾难性后果。此外，HAPs 距离地面极近——比最近的卫星近约 25 倍——能够实现实时远程驾驶和自主决策所需的超高可靠低延迟通信 (URLLC)。

高空平台 (HAPS) 如何实现自主无人机群？

高空平台 (HAPS) 通过充当中心化的平流层“大脑”，提供集群规模协作所需的计算卸载和低延迟连接，从而实现自主无人机群。通过作为空中边缘计算枢纽，HAPs 处理复杂的决策任务，而单个无人机往往缺乏处理这些任务的机载动力，从而确保同步的飞行路径和避障。

协调数千架自主飞行器需要大量的实时数据处理，这是 HAPs 通过平流层边缘计算解决的挑战。小型货运无人机通常受限于重量和电池寿命，限制了其机载处理能力。根据 Alouini 及其同事的研究，HAPs 可以通过提供强大的机载计算和缓存资源来填补这一空白。这允许无人机将路径规划算法和环境感知数据卸载到 HAP，然后由 HAP 将协调指令回传给集群。这种架构的主要优势包括：

• 降低机载功耗： 通过将繁重的处理任务委托给上方平台，无人机可以保持更长时间的飞行。
• 增强集群智能： 中心化协调防止了在高延迟去中心化网络中常见的“混沌”行为。
• 实时数据缓存： HAPs 可以存储城市环境的高清 3D 地图，在无人机穿越复杂的城市景观时即时交付。

HAPs 在 eVTOL 空中交通管理中扮演什么角色？

HAPs 充当空中交通管理的平流层“数字塔台”，在 GPS 或地面信号可能受阻的情况下，为 eVTOL 飞行器提供广域传感和导航完整性。它们的高空视野允许对低空空域进行全面监控，促进细粒度的监管监督，并防止人口密集城市环境中的空中碰撞。

确保导航完整性是飞行汽车广泛采用的最大障碍，特别是在高层建筑阻挡卫星信号的“城市峡谷”中。HAPs 通过提供平流层的第二种定位、导航与授时 (PNT) 数据源来缓解这一问题。通过作为 GPS 的可靠备份，HAPs 确保 eVTOL 飞行器始终能精确掌握其位置。这种水平的监管对于监管机构发放大规模自主运营许可证至关重要。研究提出，HAPs 最终将进化为智能枢纽，不仅能够管理通信，还能管理空域的法律和安全协议，有效地充当永不休息的自动化空中交通管制员。

6G 网络的整合将进一步增强 HAPs 的能力，支持低空经济的下一阶段。未来的 6G 标准预计将把非地面网络 (NTN) 作为核心组件，而 HAPs 将在全球标准化中发挥领导作用。这种连接将支持 4G 或 5G 目前无法实现的传输速率和可靠性水平，从而实现无缝的“边-空-云”闭环系统。在这种未来状态下，HAPs、卫星和地面站将形成一个三层架构（全球-区域-局部），提供从地球表面到空间边缘的“全覆盖”连接。

由 Mohamed-Slim Alouini、Bang Huang 和 Eddine Youcef Belmekki 概述的 高空平台 (HAPS) 演进路线图包含五个不同的发展阶段：

• 第 1 阶段： 提供基础连接的空中基础设施基地。
• 第 2 阶段： 无人机超级后端，处理繁重的数据中继。
• 第 3 阶段： 地面用户的前线支持，增强地面 6G 网络。
• 第 4 阶段： 集群规模的无人机协作和多平台组网。
• 第 5 阶段： 针对完全自主管理的航空生态系统的“边-空-云”闭环自主。

展望 2030 年代，HAPs 有望成为低空经济的关键节点。它们代表了一种可持续且可扩展的方式，用于管理从零星的无人机飞行向持续、繁忙的空中物流和运输网络的过渡。通过结合低延迟连接、强大的边缘计算和广域传感，这些平流层平台将提供必要的信任和安全，让公众拥抱一个天空只是全球运输基础设施另一层级的世界。