Google Loon 的工作和悬浮方式跟气象气球一样吗?

Google Loon 是 Google X 部门下的一个新项目,通过漂浮在平流层的气球,为地面提供无线网络
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和气象气球(或者说所有气球)的原理都类似,但是这么说等于没说,把一个复杂的问题太简化了。实际上,谷歌Loon用的气球技术含量非常高。听我慢慢道来。

控制手段不同绝大部分气象气球都是不停上升到一定高度破裂,运动轨迹完全看风向。而Loon的气球是可以主动调节高度和位置的。调节位置的方法也非常巧妙,利用了平流层不同高度的风向不同这一特点来调整气球的位置。通过充放气来调整气球的高度(非常节省能量)就能借助风力到达指定的位置。为此我特地去美国国家海洋气象管理局NOAA的HYSPLIT项目网站预测了洛杉矶在某个时刻,平流层中颗粒物运动曲线,确实验证了这一点。比如后面两幅图,上图在15000米高度的时候,风会向西吹向大陆;而下图20000米高度的时候,风会向东吹向海洋。显而易见,要实现可靠的位置调节就要对高空风向有精确的预测,并且有一套完整的错误修正机制,背后的计算和控制算法(比如找到合适的高度)都是相当复杂的。


使用次数不同气象气球的无线电探空仪基本上都是用完就丢掉的,因为探空设备、气球和无线电发射机都非常便宜。而Loon的气球和下面的仪器设备是要最终回收的,地面可以远程控制Loon到指定地点降落进行维护,比如充气,检修电子设备,更换电池,修补破损等等。可回收让Loon的系统运营成本大大降低

尺寸不同:气象气球通常携带的无线电探空仪只有250克,所以气球大小最大也不过几米就够了,而Loon的气球由于需要携带重达10公斤的仪器、电池、太阳能板等等,所以尺寸也大多的——下图中的Loon有15米的直径!可以看到下图气球和右下角人的尺寸对比。



材料不同:一般的气象气球由于用完丢掉,所以从成本追求廉价,都是橡皮制成,都充最便宜的氢气Loon为了安全充的是昂贵的氦气。对于Loon来讲,橡皮有两个问题:第一是对于氢气氦气这样微小的分子来讲,橡胶分子之间的间隙足以让氢气或者氦气迅速逃逸;第二就是使用寿命太短,过不了几天橡皮就失去弹性老化破裂了。Loon的气球采用聚乙烯材料,加上特殊涂层,防止氦气泄露。补充一句题外话,氦气是地球上的稀有元素,用一点儿就少一点儿,用完就没了。

任何一项技术,从原理(物理原理大家中学都学过)到实用,其中需要关注的细节不计其数——创新是否成功,魔鬼就在细节之中。Loon用到的气球就是很好的例子,除了简单的物理学浮力原理,还需要考虑空气动力学、不稳定系统的控制理论、可靠的无线电通信、分子材料学、运营规划、成本最优化等诸多领域的知识。

参考:

NOAA HYSPLIT网站

ready.arl.noaa.gov/hysp

,可以自己预测美国当地某个城市的空气中微粒扩散情况。

顺便吐槽一下,国家气象局是没有把这些研究成果(我相信他们一定有这方面研究)公布给纳税人来用的,气象局首页除了各位领导头衔,头条新闻就是“中国气象局传达学习全国组织工作会议精神”。相信在中国的环境,类似Loon的创新是很难做出来的——你没有大气流动的数据,就无法控制你的气球。作为一个初创公司,你不可能自己砸钱建立全国的气流预测网络吧?参考我的另一个回答

为什么中国人缺少创造力?

——其中提到一点,中国人不缺创造力,恶劣的环境抑制了创造力成长出有深远影响的技术和产品

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补充:关于氦气的稀有性不少知友提出了疑问,我简单作答一下

氦气的流失:虽然氦气是宇宙间第二丰富的元素,可是在地球上的含量还是非常稀有的。这就要讲到地球的异质层(Heterosphere),在这里空气没有湍流,不同种类的空气分子(原子)会逐渐按照重量开始分层,就像下图这样。由于氦气比较轻,会逃逸到大气的异质层的最上端氢气层之下。这里空气已经非常稀薄,太阳风和分子的热运动都会让上层的成分逃逸到太空中脱离地球——实际上即使不逃逸这些氦元素在现有技术水平下已经很难再捕捉回地面了。

氦气的制备:氦气在地面空气中含量非常少,主要是靠地球内部其他重元素缓慢核裂变释放出来,大部分都逃逸到空气中,只有一小部分进入地壳的缝隙。这些缝隙通常也是天然气富集的地方,所以通常氦气都是从天然气中提取出来的。

氦气的收支表:支出方面人类2011年氦气的消耗量大约是1.80亿立方米,大约是3200吨,并且这个数字还在快速增长

Helium prices balloon as supplies run out

。而收入方面地球每年通过裂变释放大约3000吨(并且大量逃逸出去)。所以很明显地球的氦气是入不敷出的,有预计几十年内会开采完,即使乐观的估计也是几百年——最要命的是,氦在很多领域是无法替代的元素,比如接近绝对零度的制冷——所以氦气真的是很宝贵的资源,一个例子是,氦气在过去十年价格上涨了将近一倍,而2015年美国国家储备枯竭后(目前美国供给占全球4/5),预计氦气价格会狂飙。你嗅到钱的味道了吗?

从专利的角度分析一下:

问题一:如何控制谷歌气球的高度,并且使其能够灵活乘上自西向东或自东向西的气流呢

方法一,将谷歌气球变为黑白双色:Google气球的第一件专利(pat2013017538)始于2013年,正是为解决这个问题而来:


这件专利很简单,气球的表面分成两个部分,分别具有不同的吸光性能,而且气球可以被驱动旋转以改变不同部分面对太阳的面积,从而改变气球内部气体吸收太阳能的不同,通地这种方式可以控制气球膨胀/收缩从而控制气球升降。

就这样结合前面介绍到的不同高度不同的气流流向,气球就可以通过调整高度实现运动方向的调节。

方法二:太阳能发电(pat20140048646),即在第一模式下利用太阳能发的电将气体从气球内转移至高压气舱存储以使浮力下降,在第二模式下将高压气舱里的气体冲至气球内使浮力上升。

方法三:虚拟力互斥(pat2013017539),即每个气球都对相邻的气球施加一个虚拟力,当距离超过R时是引力,小于R时是斥力,每个气球受到的力的合力决定着气球的运动。

问题二:气球与气球如何进行连接与网络通讯?

谷歌气球并不仅仅是为偏远地区提供网络,城市,甚至海洋都在考虑范围之内,当然不同的区域气球的密度也不一样。


通过射频信号收发设备,每只气球都与其他气球连接在一起,从而构成了一个网状网络,这将提高信号的可靠性。

气球可以自动将自由空间光通讯组件对准另外的气球以进行光通信(Pat20130177322):

谷歌气球也配备了备用信号收发设备和GPS定位设备,因此谷歌可以跟踪气球所在位置。

除了实时获取位置,还可以根据历史运动数据预测气球的位置,使光通信组件能够及时跟随气球,这样能够得到更高的网络传输速率(Pat20130179008)。

另外,还可利用相机拍摄其他的气球,根据气球的照片预测相邻气球的位置,并使自由空通讯组件的光轴指向预测的位置(pat20140099122)。

在通讯方面:气球分成两种,Super node负责接入多个sub node,Super node通过自由空间光通讯与地面的基站连接,sub node通过RF连接接入Super node。

问题三:气球与气球之间如何联动?

当预测到某个区域网络带宽不足时,将周边的气球集中过去提供更多的网络带宽(pat20130303218)

气球网络中的气球是分区域管理的,当检测到有气球进入或者即将进入新的区域时,更新气球的状态(pat20130238784)。

问题四:气球如何进行发射与回收?

(pat20140042042)自动发射车上有多个发射单元,到达预定的位置时自动发射。

(pat20140014470)当检测到气球到达预定位置时,自动剪掉气球, 回收设备。

另外,当气球的寿命终结或需要维修时,控制人员可以安排气球有序地下降。


关于Google专利的一些研究也可关注我在知乎上的专栏:炮制创新 - 知乎专栏


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