谷歌气球上网项目背后的故事

Google在6月中公布的“Google气球”项目引起了业界的广泛关注,美国《连线》杂志网站周二刊登了一篇名为《Google气球背后不为人知的故事》(The Untold Story of Google’s Quest to Bring the Internet Everywhere—By Balloon)的文章,详细介绍了该项目从诞生到测试成功的全部过程。以下是文章详细内容:

 

“Google气球”项目

2012年10月16日,一个闪光物体出现在美国肯塔基州派克县(Pike County)的天空,但无论是普通民众,还是天文爱好者在观察后都不知道这究竟是什么,当地警察局甚至还接到了许多报警电话。

几天后,《阿巴拉契亚新闻速递》(Appalachian News-Express )发表了一篇名为《天空中的神秘物体引发居民关注》(Mystery Object in Sky Captivates Locals)的文章,对此事进行报道。当地电视台也跟进了此事,就连CNN都派出了记者团队。

有天文爱好者认为,这是外星人造访地球的证据。那么,这真是事情的真相么?当外界为此进行争论时,Google高管里奇•德瓦奥(Rich DeVaul)正坐在加州山景城的会议室通过YouTube观看自己的杰作。这个神秘的发光物体,正是他领导的Google团队的杰作,属于“Google气球”项目的一场测试。

根据数据显示,目前全球能上网的人大约只有27亿,还不到全球人口总数的一半。在高速互联网迅速发展的时代,Google想要把上网体验带给更多的人。当然,这也符合Google的战略利益——毕竟,只要人们上网,就难免会用上Google的产品。

在“Google气球”项目中,将借助数千个漂浮在6万英尺(约1.8万米)高空的太阳能高压气球,通过无线网络与地面基站连接,然后让彼此互相传递信号。据Google介绍,每个漂浮在空中的太阳能高压气球,都可以作为下方直径约25英里(约40公里)地区的无线基站。在信号覆盖的地区中,只要使用Google提供的天线,就可以通过一种升级版的WiFi技术进行上网。这是一项极为了不起的尝试,因为这只需很低的成本,就能够为偏远地区的人提供网络服务。

 

“登月计划”与Google X

2013年6月15日,在经过两年的研发、测试后,Google在新西兰基督城(Christchurch)正式揭开了“Google气球”项目的神秘面纱。新西兰总理约翰•基(John Key)也到场进行了庆贺。在Google公布“Google气球”项目时,在太平洋上空就漂浮着30个装有天线的太阳能高压气球,它们刚刚为当地大约50个家庭提供了临时上网服务。

未来,这个数字是否能够扩大至5万?500万?5亿?甚至数十亿呢?这是Google希望看到的,为了推动“Google气球”项目的发展,该公司已经将此项目加入到高风险、高回报的“登月计划”中。“登月计划”由Google X部门负责,其包含的项目包括无人驾驶汽车、Google眼镜等。

德瓦奥从麻省理工学院毕业时,博士论文就是与“记忆眼镜”有关。后来,他加入苹果公司,并参与了一系列秘密研究。2011年中,德瓦奥正式加盟Google,进入Google X的“快速评估” (Rapid Evaluation)团队。

Google X的“快速评估”(Rapid Evaluation)团队,最主要的任务是对各种理念进行分类,将可能成功的疯狂创意与完全无法成功的疯狂创意区分开来。据Google X实验室负责人阿斯特罗-泰勒(Astro Teller)介绍,德瓦奥加入团队后,他给了一些等待评估的创意给德瓦奥,其中就包括了通过平流层空气球提供无线上网服务的点子。

Google创始人拉里-佩奇(Larry Page)对这个创意也非常关注,并时常在会议中提起。泰勒非常清楚,只要是佩奇感兴趣的项目,通常都能够获得资金的支持,所以他和众多技术专家早在几年前就开始思考气球通讯技术的前景。

 

困难重重

项目还未开始,开发团队就遇到了一个难题:气球受制于风向的变化。如果想让气球固定在某个位置,就必须通过外力来对抗风力,但这几乎很难实现。洛克希德马丁公司(Lockheed Martin)曾尝试过利用太阳能飞艇实现这一设想,但在2011年的首次测试中,该公司研发的“高空长耐久力示范机” (High Altitude Long Endurance-Demonstrator)原型未能通过测试,最终被迫降落在宾夕法尼亚的一处丛林里。洛克希德马丁公司此后就在也没有进行过类似的测试。

德瓦奥充分发挥了自己的想象力,最终找到了解决办法。他决定放弃需要巨大能量抵抗风力的巨型气球,转而采用体积更小,价格更低的气象气球。这种气球最多能够在高空停留40天,并且能够环绕地球飞行。在团队讨论时,德瓦奥谈到了自己的想法:“为什么不能放飞一组气球呢?这样可以覆盖整个地区。”

德瓦奥的设想中存在一个明显的缺陷:这种气球在展开长达数周的环球飞行时,将无法控制它的方向。方案讨论时,有团队成员提出通过调整气球的高度来利用风流。德瓦奥说:“我们讨论后认为,可以通过控制气球的升降,使它处在我们所期望的风向区域中。在这里,我们只需分析过去和现在的海量风流数据,就能从中找到规律。这些数据都可以从美国国家海洋和大气管理局获得。”

数据分析对Google来说并不是什么大问题,德瓦奥认为,借助恰当的气象学知识、超强的模拟技术和庞大的计算资源,就可以让气球进入理想的轨道。这与借助风力航行的帆船进入目标港口一样,都不需要任何动力燃料。

 

首次测试

2011年8月,德瓦奥开始了首次测试。他使用了非常廉价的乳胶“探空”气球,但效果并不理想。这种气球飞的越高,内部填充的气体和外部大气间的气压差会不断增大,最终导致气球爆炸。最后,德瓦奥决定采用了表皮材料制作的、能够抵御这种气压差的高压气球进行实验。此外,他还找到了几个Google工程师帮忙,这些工程师曾在一次公关活动中,将一个绿色的Android吉祥物放飞至数千米的高空。

德瓦奥对这些工程师说:“你们能够将Android探空气球放飞到数千米的高空,那么你们或许有办法帮我把一台带有WiFi发射器的小型Linux电脑放飞到太空边缘上去。”

德瓦奥和几位Google工程师将测试地点选在了加州中央山谷圣路易斯水库旁的恐龙岬,他们首先给四个乳胶气球充满了氦气,每个气球中都搭载一个WiFi发射器,使其能够与地面的接收器交换数据。

一切准备就绪后,他们放飞了气球。开始阶段,气球平稳上升,随后开始向东移动,速度非常块。“我从没认真的想过这件事。”德瓦奥说。所有的发射装置仍安放在地上,但气球已经飞到了几英里之外,而它们很快就会遇到速度接近100英里/小时的气流。

不得已,德瓦奥和其他几人只能开着车追赶飘向远方的气球。他们在车上安装了两根定向天线,其中一根与频谱分析仪(用来探测信号强度)相连,另外一根与WiFi卡相连。“我们像疯子一样开车,就跟电影里风暴追逐者一样。”他说。

幸运的是,气球往东飘了一段距离后,开始上升,德瓦奥也最终追上了它们。在汽车行驶了10英里(约16公里)后,他们收到了WiFi信号。测试成功了。

 

组建团队

在随后的几个月中,德瓦奥和团队成员又进行了数次测试。德瓦奥开始熟悉气球的飞行路线,有时甚至能提前在一个地点等待气球的飞过。此外,德瓦奥还进行了多个实验,以了解当距离地面基站最近的气球能够提供网络传输服务时,其他几个气球之间是否能相互传递信号。

到2012年初,泰勒就已经明白,“这个项目不会再被取消了。”这时Google开始考虑组建更大的团队、进行更长距离的飞行测试,并思考如何改进设计,从而这为真正的用户提供宽带服务。

由于德瓦奥更喜欢参与研发过程,而不愿领导团队,Google最终决定让麦克-卡西迪(Mike Cassidy)来负责该项目。卡西迪上任后,除了招募常规无线网络工程师、无线电专家和计算机科学家之外,还引入了一些其他行业的转业人士。

卡西迪说:“我们并没有多少航天工程师,而这个项目需要航天工程师的支持。另外,由于负责发射和回收气球的团队经常需要在路况复杂的道路上作业,我们还招聘了两名退伍军人。其中一个是前海军特种兵,另外一个则是无人飞机驾驶员。考虑到下一代气球需要将特制的聚乙烯薄膜缝合到一起,我们还专门聘请了一些专业的裁缝来完成此项工作。”

为了使项目进展更加顺利,这些Google X部门的员工还与Raven Aerostar进行了合作(美国国家航天局在近空间探测中就使用了该公司的气球),双方将共同想办法解决气球飞行持续时间、方向控制、能量消耗等问题。经过多方验证后,他们决定采用双气囊设计(一个填充氦气,一个填充空气),另外还配备了一套阀门控制系统,使其能够利用极少的能量实现高度调节。“这比开发火箭还难。”德瓦奥感叹说。

 

气球回收

为了探测压力、温度等环境因素,气球上会安装许多传感器,这使Google在测试过程中积累了大量的数据(目前版本可以传输189种数据),因此如何回收气球也是Google X团队成员考虑的问题。

在这些升上天空的气球中,Google都配备了降落伞,当气球遇到故障或者想要将气球回收时,地面人员就能启动一套放气机制,同时打开气球上的降落伞。在测试初期,大多数气球都降落在农场里。有时候,好奇的路人会比回收团队更早达到气球降落地点,为了避免引起误会,Google在气球上用黑色字体写明这是一次无害的科学实验,并标明了“保罗“(Paul)的电话,路人拨打这个电话提供气球位置线索就能获得奖励。在大约200次测试中,总计只有2个气球没有被收回。其中一个是捡到气球的人并未与Google联系(Google通过GPS锁定了气球的位置,但因不想泄露项目秘密而放弃了);另外一个则是在肯塔基州引发关注的闪光物体。该闪光物体在天空漂浮了11天,最后在加拿大境内降落。

 

软件系统

在测试气球的过程中,Google X团队成员还开发了一套控制软件,第一代版本被命名为“伏尔甘”(Vulcan)。随着测试过程的深入进行,“伏尔甘”最终被一套名为“任务控制(Mission Control)”的全能操作系统所取代。

卡西迪表示:“这是一套纯粹的网络系统,团队成员可以通过任何PC或平板电脑与系统想连。”与此前的软件相比,‘任务控制’系统的优点是:能够分析美国国家海洋和大气管理局的数据(包括当前状态与历史记录);可以利用Google的计算资源来规划气球飞行的理想路线;能够将气球引导至正确的高度,并追踪它们的‘神经系统’和具体方位;在地图上标注每个气球的状态和位置;向当地空管员发出信息,告知他们屏幕上闪烁的信号并不存在危害等。

 

连续飞行时间的困扰

尽管在测试过程中遭遇了诸多困难,但最难解决的还是如何让气球在高空连续飞行100天,甚至更长的时间。上世纪60年代末,一种名为“全球水平探测技术” (Global Horizontal Sounding Technique,简称GHOST)的气象探测气球曾创下了744天的连续飞行记录,但此后再也没有气球能够达到这一水准。

NASA在今年2月份也放飞了一个测试气球,但最长也只飞行了55天,而且该气球的尺寸远大于Google的测试气球。因此,当Google宣布将定期以极低的成本实现两倍的飞行时间时,一些业界人士就发出了嘲笑之声。著名气球驾驶者珀-林德斯特兰德(Per Lindstrand)说:“这根本就不可能实现。随便找一个懂科学的人都知道,要连续飞行3个星期都很少见了。”

但Google并不这想,他们认为通过改进技术能够突破这个难题,比如采用高级的气球材料、使用紧密的阀门辅助配件,采用能在低温下将泄漏量降到最低程度的定制垫圈等。

精通气球制作技术的Raven Aerostar副总裁朗-斯特罗斯切尼(Lon Stroschein)认为,根据Google工程师提供的方法,确实有可能突破气球飞行时间的限制。Google自己的气球专家丹-鲍温(Dan Bowen)也对此充满信心。他说:“Google在这个项目上的投入资源超过了任何一个团队,包括所有民间项目和政府项目都无法做到像Google一样。我坚信我们能够实现自己制定的目标,甚至还有可能超越这个目标。”

Google气球团队在新西兰的成功,也让Google X更加坚定了信心。随着项目的不断发展,Google X团队已经准备好在南纬40度线上,用300个气球环绕在新西兰、智利、阿根廷和澳大利亚上空,为这些国家偏远的地区提供无线网络服务。卡西迪说:“如果这个项目取得成功,我们会继续向北扩张,将服务延伸至更多国家。”

根据Google气球团队的设想,他们未来会在全球安装数千个气球,并设定一些指定的回收点,然后每天由多个运营中心发送数十个替换的气球。卡西迪说:“我们意识到,全球还有数十亿人无法上网。我们想帮助他们。”

 

“Google气球”并不疯狂

当然,如果Google气球项目取得成功,Google不仅能获得社会的肯定,还能获得极大的经济回报。但泰勒表示,Google X并不会受到严格的预算限制。他说:“如果你只把赚钱当做目标,那么就会失去积极性。整个Google人员都明白,只要你想办法把世界变得更美好,钱自然会来找你。”

Google希望,在未来几年通过Google气球上网的人数能够与通过光纤、电缆上网的人数一样多。这听起来似乎是一个疯狂的想法。但当Google气球项目的新闻曝光后,这个大胆的项目并没有遭到任何批评或嘲笑,反倒是得到了舆论和用户者的一致称赞。卡西迪说:“在计划公布后的那个星期一,我一共收到了850封邮件,其中超过100封都表示这个项目‘令人鼓舞’。”

现在看来,Google气球项目或许并没有我们想象中那么疯狂。

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