Google Loon 的工作原理

Project Loon 的气球并非您常见的派对气球，它们在高海拔的极端条件下表现不佳。派对气球也无法携带太多设备。Google Loon 团队开发了一种更类似于气象气球的产品，旨在承受恶劣的大气条件，如气压差异、高风、紫外线照射和极端温度（高海拔地区常远低于冰点）。这意味着它们能比之前开发的任何气球保持更长时间的漂浮。各种气球模型都以鸟类命名，包括猎鹰（Falcon）、朱鹮（Ibis）、黑鹂（Grackle）和最近的夜鹰（NightHawk）。

这些气球由聚乙烯塑料制成，厚度与三明治袋相近。每个充气后的气球（被称为气球的“外壳”部分）大约宽50英尺（15米），高40英尺（12米），表面积约5381平方英尺（500平方米）。它们的大小决定了必须在巨大的机库中进行作业，例如Google在加利福尼亚州莫菲特联邦机场租用的空间。

气球有两个腔室（有点像气球中的气球），内腔充满空气，外腔充满氦气。气球底部附带的阀门和风扇可用于抽入或排出空气。向内腔充气会增加质量，导致气球下降；而释放空气则会使气球上升。

该项目早期的许多气球破裂或未能长时间停留在空中。团队不遗余力地分析问题并进行改进。Google聘请了气球、航空航天、纺织和其他领域的专家来研究它们失败的原因，并雇佣了退役军人来回收坠落的气球（这些气球有时会落在难以到达的地方）。

部分测试是在气球可能面临的极端大气条件下进行的。一度，南达科他州（其中一个气球制造地）的气温意外骤降至冰点以下。最近的测试是在佛罗里达州埃格林空军基地的麦金利气候实验室进行的，这使得他们能够在受控的实验室环境中，让气球经受极端天气条件，例如强风和冰点以下的温度。

许多故障被发现是由难以检测的微小泄漏造成的。即使是针眼大小的孔洞也会大大缩短气球的滞空时间。由于这些发现，接缝得到了加固，并实施了更细致的气球处理协议，包括团队成员只能穿着非常柔软的毛绒袜在气球上行走。

除了提高自身项目的可行性，Google的努力还在气球技术本身取得了突破。由于设计改进，他们的气球现在可以漂浮约100天。其中一个甚至创纪录地漂浮了187天，并绕地球九周 [来源：Raven Aerostar]。这些是前所未闻的飞行时间，甚至被一些专家认为是不可思议的。

自项目开始以来，Loon团队也极大地改进了部署流程。以前，工作人员必须将气球铺在防水布上，在发射前解开并部分充气，且只能在风速为每小时6英里（9.7公里）或更低的情况下发射。但Google开发了自动发射器（内部称为“鸟屋”），这是一个50英尺（15.2米）高的便携式机库，带有一个自动起重机来拉伸和填充气球。现在它们可以在每小时15英里（24公里）的风速下发射，以前需要14人45分钟的工作现在只需要4人15分钟。这些改进使得保持足够数量的气球漂浮以形成网络变得更加可行 [来源：Metz, Stone]。

当然，Google并非单独发射气球。每个气球底部都通过绳索悬挂着一个金属盒，里面装有电子设备，并附有太阳能电池板用于供电。

每个太阳能电池板都是由单晶太阳能电池阵列组成，这些电池封装在塑料层压板中，并固定在尺寸约为5英尺x5英尺（1.5米x1.5米）的铝框中。两块这样的电池板以锐角彼此向外安装，以便在气球旋转时尽可能多地捕捉阳光。在数小时的充足日光下，它们能产生约100瓦的电力，这些电力储存在电池中，以确保设备在黑暗中也能继续工作。

电子载荷包括用于控制一切的计算设备、用于存储太阳能的可充电锂离子电池、用于追踪气球位置的GPS单元、数十个传感器（以便Google监测大气条件）以及用于与其他气球和地面网络进行无线通信的无线电设备。无线电设备包括一个广覆盖的eNodeB LTE基站、一个高速定向链路和一个备用无线电。

据Google称，每个气球提供的连接应能覆盖地面直径约25英里（40公里）的区域，同时可能有数百人连接到单个气球。自项目启动以来，Loon团队还将数据速率提高了10倍 [来源：Google]。他们预计覆盖范围将与典型的LTE 4G网络速度相当。Project Loon的负责人Mike Cassidy表示，他们的气球网络可以覆盖地面多达5000平方公里（1931平方英里）的区域，并能为手机提供每秒15兆比特的服务，或为MiFi设备提供每秒40兆比特的服务 [来源：Verge]。

地球大气的第一层是对流层，我们生活在这里，大多数天气现象也发生在这里。气球将在其上方的一层漂浮，称为平流层。平流层的下限始于地球表面上方4到12英里（6到20公里）处（两极最低，赤道最高），而平流层的上限则在地球上方约31英里（50公里）处。Loon气球将漂浮在11到17英里（18到27公里）的高度，大约是商业航空路线的两倍高。

在平流层中，水蒸气很少，云层极少，几乎没有天气可言。平流层底部较冷，顶部较热，这阻止了气体上升，从而形成了在不同高度存在相对稳定气层的状况。在这些气层中，风以可预测的方式吹向不同方向，速度也不同。

Google一直在分析美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的历史风力相关数据和正在进行的未来预测，以开发能够预测和模拟风向模式的算法，从而协助气球导航。气球将通过调整氦气与空气的比例来升高或降低，使其达到平流层中Google所需风向的水平。它们将借助风力飞行，从某种意义上说，它们既依靠太阳能也依靠风能。

Google开发了一个名为“任务控制中心”（Mission Control）的操作系统，用于持续监测、追踪和操控气球，甚至在气球上升到平流层或下降着陆时，向附近的空中交通管制员发出警报。他们的导航软件经过不断改进，从最初的每天发送一次指令，到现在的每15分钟一次。任务控制中心每分钟都可以重新计算气球的飞行路径。Loon团队还提高了将气球引导至特定位置的能力，从最初的几百米精确度到现在更加精确的几百公里。导航需要尽可能自动化，以便同时控制数千个气球以防止网络中断，但仍会有人使用任务控制软件来密切关注并在必要时手动控制。

Google可以通过从气球外壳中释放气体来使气球降回地面进行回收。如果气球有爆裂的危险，气体也可能自动排出。如果气球下降过快，降落伞将自动展开。Google计划尽可能回收气球和设备，以重复利用或回收组件。

附着在气球上的LTE网络设备将利用现有电话公司的蜂窝频谱工作，并允许气球直接与地面上的手机和基站进行通信，从而无需安装特殊的地面天线。Google将与当地移动运营商建立合作关系，以便人们可以通过支持LTE的移动设备进行连接。连接到该网络将需要特殊的Loon SIM卡。

初步测试，代号“伊卡洛斯测试”，于2011年8月开始。项目负责人 Rich DeVaul 和他的团队在加利福尼亚州圣路易斯水库释放了四个乳胶气球，气球携带有 Linux 计算设备和一台WiFi路由器。他们乘坐一辆配备天线、WiFi网卡和频谱分析仪的车辆跟随气球，以测试信号。随后又进行了其他类似测试，直到他们最终能够将信号从一个气球传递到另一个气球，并在车内获得互联网连接。据报道，早期的一些测试中，设备被放在一个泡沫塑料冷却箱里。

2012年，团队名称改为“代达罗斯”（伊卡洛斯的父亲）。DeVaul 成为首席技术架构师，因为他更喜欢从事技术方面的工作，而 Mike Cassidy 接任项目负责人。他们雇佣了航空航天工程师、网络工程师、测绘专家、能源专家、至少一名气球爱好者、退伍军人和纺织专家（包括缝纫师）来设计、测试和缝制气球。2012年，他们开始与 Raven Aerostar 公司合作，该公司为 NASA 等机构制造气球，以帮助完善气球。

为了增加设备回收的机会，测试设备上印有“无害科学实验”字样和一个电话号码，以便联系领取奖励（但没有提及Google，因为当时仍是秘密项目）。2012年10月，其中一个测试气球显然在肯塔基州引发了一些UFO目击报告，最终漂浮到加拿大并失踪。

首次正式试点测试于2013年6月在新西兰基督城地区进行，共释放了30个气球。它们上升到大约15.5英里（25公里）的高度，每个气球携带约22磅设备，通过无线方式与特殊预装的球状地面天线通信。共有约50名测试人员，其中包括 Nimmo 家族和 MacKenzie 家族，他们是首批通过气球网络连接互联网的人。测试人员连接的速度为3G。

进一步的测试已在加利福尼亚州中央谷、澳大利亚、智利和巴西等地进行。2014年6月，巴西的一所学校 Linoca Gayoso Castelo Branco 首次通过 Project Loon 搭载 LTE 无线电设备的气球，结合学校屋顶的地面天线，成功连接到互联网 [来源：Levy, Simonite]。Google 的下一步是在地球周围的环状区域部署数百个气球，以测试南半球地区的连续服务。该公司在许多地方都存在获得飞越许可的问题，因此主要在南半球进行测试，那里的此类障碍较少 [来源：Verge]。

2015年7月，Google宣布与斯里兰卡合作，通过 Project Loon 气球为该国2.5万平方英里（64750平方公里）的整个国家和约2200万人口（其中大多数目前尚未上网）提供互联网接入，可能在2016年初实现 [来源：Gershgorn, Lavars, Yahoo]。

2015年9月，一个 Loon 气球坠落在加利福尼亚州洛杉矶郊区一户居民院子里的棕榈树上，距离其预定着陆点不远 [来源：Collman]。这起小事故中无人受伤。

许多地方的互联网服务质量不佳或根本不存在，或者许多人根本负担不起现有服务。2011年 Project Loon 启动时，国际电信联盟报告称有22亿人使用互联网。到2015年，这一数字已上升到约32亿 [来源：Davidson, ITU]。尽管增长可观，这仍然意味着约40亿人无法上网。

即使一些有网络接入的人，也无法获得高质量、不间断的高速宽带。来自空中的连接可以为通常存在问题的地区（如山区）以及互联网基础设施尚未完全覆盖的地区提供服务。在偏远地区，包括发展中国家，部署气球网络应该比铺设电缆、建设蜂窝基站和其他昂贵设备，或使用极其昂贵的通信卫星要容易和便宜得多。Google 气球网络还可以在紧急情况下使用，例如在自然灾害损坏地面设备后迅速恢复互联网服务。

蜂窝运营商已表示有兴趣租赁 Google Loon 网络。这可以使他们接触到新客户，并在他们已覆盖的地区以更快的速度提供更好的服务。这不会是免费的，但我们希望部分成本节约能够以更低价格的形式惠及客户。Google 已在新西兰与沃达丰、澳大利亚与 Telstra、巴西与 Vivo 和 Telebras 合作进行测试。

在一个与世界互联互通具有巨大益处的时代，Project Loon 可能对社会大有裨益。让地球上的每个人都能上网也将为 Google 带来收益，因为它严重依赖在线广告和服务收入。而且，该公司还将因提供 Loon 网络访问而获得报酬。

2014年，Google 收购了另一家太阳能高空无人机公司 Titan Aerospace（据报道是从 Facebook 手中夺得），以协助其多个项目，包括 Project Loon 和地图绘制；他们还收购了卫星公司 Skybox Imaging，并投资了太空飞行公司 SpaceX。SpaceX 正在寻求许可，计划将数千颗小型卫星发射到低地球轨道，为全球提供高速互联网。

Google 并不是唯一一家试图通过天空为人们提供互联网服务的公司。Facebook 成立了“连接实验室”，旨在利用卫星和无人机等技术，为世界各地更多的人提供低成本互联网。2014年，他们收购了一家名为 Ascenta 的太阳能高空无人机公司，并从 NASA 等机构聘请了技术专家。

能够连接互联网使人们可以访问万维网提供的所有资源，从通信到教育再到商业机会。任何企业都可以获取重要信息和新的材料与产品来源。医疗工作者稀少或没有医疗工作者的地区的人们，有望获得虚拟医疗服务。教师和学生可以即时获得补充课堂材料，而无法上学的人则可以在线阅读教科书或上课。年轻的未来科学家和发明家可以在网上找到想法、资源，甚至可能找到合作者。

互联网接入可以改善一个地区的经济。根据 Google Loon 项目负责人 Mike Cassidy 的说法，一个国家的互联网普及率每提高10%，每年就能带来约1.4%的 GDP 增长 [来源：Valve]。

Google 希望 Project Loon 能在2016年末提供商业服务。