基于氣象探測的平流層浮空器飛行軌跡預測方法

蔡明 顏坤 熊超 曹瑞

摘 ?要：平流層浮空器飛行試驗要求在擬定空域范圍內開展，通過尋找平流層準零風層來實現區域駐空飛行。本文利用探空儀獲取了試驗地區風速、風向、壓力、溫度要素隨高度分布規律，同時進行該地區平流層準零風層判斷分析，使用包含平流層浮空器動力學模型和熱力學模型的計算軟件進行飛行軌跡仿真，并結合實際地域進行飛行軌跡和落點預測。結果表明：在探測時間段內，該地區20km高度附近存在風速不大于5m/s的弱風層，18～22km存在風向變化超過180°的切變風;17～19km最低溫度為-71℃，19～22km溫度由-70℃上升至～59℃;19～22km壓力由65.4hpa降低至40hpa;在19～20km區間，存在持續時間不小于12h的準零風層，基于氣象要素規律仿真預測12h內飛行軌跡不超出擬定空域，落點在開闊地點，并通過飛行試驗得到有效驗證。

關鍵詞：飛行軌跡預測 ?氣象探測 ?浮空器 ?平流層

中圖分類號：TN95 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）04（b）-0009-06

Forecasting Method of Stratospheric Aerostat Flight Trajectory Based on Meteorological Detection

CAI Ming ?YAN Kun ?XIONG Chao ? CAO Rui

（Beijing Near Space Airship Technology Development Co.， Ltd.， Beijing， 100070 ?China）

Abstract： The flight test of the stratospheric aerostat is required to be carried out within the scope of the proposed airspace， and the regional stationary flight is achieved by searching for the stratospheric quasi-zero wind layer. This paper uses radiosondes to obtain the distribution of wind speed， wind direction， pressure， and temperature in the test area with height. At the same time， the stratospheric quasi-zero wind layer in the area is judged and analyzed. Use calculation software including stratospheric aerostat dynamic model and thermodynamic model to simulate flight trajectory， and predict flight trajectory and landing point in combination with actual area. The results show that during the detection period， there is a weak wind layer with a wind speed of not more than 5m/s near the height of 20km in the area， and there is a shear wind with a wind direction change exceeding 180°at 18～22km; The lowest temperature of 17～19km is -71℃， the temperature of 19～22km rises from -70℃ to -59℃; the pressure of 19～22km decreases from 65.4hpa to 40hpa; In the 19～20km interval， there is a quasi-zero wind layer with a duration of no less than 12 hours. Based on the simulation of meteorological elements， it is predicted that the flight trajectory will not exceed the planned airspace within 12 hours， and the landing point will be in an open place， which is effectively verified by flight tests.

Key Words： Flight trajectory prediction; Weather detection; Aerostat; Stratosphere

平流層浮空器在普通航空器之上及航天器之下，具有航空、航天飛行器所不具備的優勢。作為一種高分辨率對地觀測平臺，其覆蓋范圍廣 ，在通信保障、情報收集、預警、民用等方面都具有很大的發展潛力，廣泛應用于監視、科學調查、數據通訊等領域[1]。平流層20km高度附近的氣溫、氣壓、密度和風速等隨時空不斷變化的大氣參量，對臨近空間低速飛行器的飛行姿態與動力控制有著明顯的影響[2]。平流層準零風層為平流層下層20km高度附近的大氣層， 上下層東西風風向相反，即下層的西風（東風）轉向為東風（西風），同時南北風分量很小，浮空器一般在平流層準零風層駐空飛行[3]。氣象環境參數對大氣中工作的浮空器具有重要的參考意義，該環境參數往往通過大氣數據系統獲取[4]。

目前大氣數據系統主要通過雷達或無線電經緯儀、跟蹤探空儀組成，該系統可以直接獲得有限時空域內的氣溫、氣壓、濕度和風向風速等信息[5]。探空儀是測量獲取不同高度上的大氣參數垂直分布的儀器，這種測量是通過無線信道遙測來完成的，所以又稱無線電探空儀。氣象氣球攜帶探空儀升空探測的技術手段，具有成本低、操作靈活、施放安全性能高等優點，能夠得到廣泛的普及和應用[6]。軌跡控制是實現平流層浮空器區域駐留的關鍵，而預測風場能為控制策略提供重要的關鍵輸入，對浮空器控制和飛行性能評估具有重要價值[7-12]。

本文采用氣象氣球攜帶探空儀自然升空的方式來探測試驗地區的大氣參數垂直分布情況，通過對該地區在2020年6月下旬的氣象數據進行分析，得到風速、風向、壓力、溫度要素隨高度的變化分布規律，結合風速風向診斷分析平流層準零風層。基于風場環境對平流層浮空器進行飛行軌跡仿真及區域駐留評估，以擬定空域為條件判斷該浮空器飛行軌跡并對落點進行預測。

1 ?研究內容及方法

1.1 氣象探測

本文采用探空系統開展基礎氣象數據采集，該探空系統設備架構如圖1所示，整個探空系統包括地面系統和探空儀，地面系統包括終端、接收機、基測箱和天線。其中終端直接運行北斗探空軟件，用于控制接收機和基測箱，采集數據并保存;接收機用于接收并解調探空儀無線電信號;基測箱用于更改探空儀的發射頻率以及進行地面基測;天線分為地面北斗天線和探空儀接收天線，用于收發信號;探空儀與探空氣球連接，用于氣象數據的采集和傳輸。

2020年6月下旬，使用探空系統對試驗地區開展多次氣象數據采集，將采集到的氣象數據進行數據處理，得到22km高度以下飛行空域范圍內環境大氣風速、風向、溫度、壓力等數據，使用以上數據分析該地區氣象數據分布特性，并進行平流層準零風層診斷。

1.2 飛行軌跡仿真

以該地區風場環境為輸入對擬定的平流層浮空器開展飛行軌跡仿真及落點位置預判。通過程序編寫平流層浮空器飛行軌跡預測軟件GUI界面，主要分為數據處理與顯示模塊、參數配置計算模塊及飛行軌跡仿真3個模塊，如圖2所示。

如圖3所示，數據處理與顯示模塊將原始探測的氣象數據文件轉化為氣象特征數據，按照給定的數據文件格式實現氣象數據預處理與顯示。計算軟件可以選擇指定格式的氣象數據文件，通過配置設定實際地面高度、實際分析高度范圍、數據密度等參數，輸出風速、風向、溫度、壓力等氣象特征數據。

參數配置計算模塊根據指定的氣象特征數據實現初始化計算，根據所選擇的氣象數據文件以及特定的高度參數，輸入囊體直徑、平臺重量、氦氣過盈量、氦氣裕量等參數，輸出飛行氦氣質量、地面充氦質量、地面充氦體積、配重質量、凈浮力、地面充入空氣體積、地面充入空氣質量等參數，并自動獲取最高飛行高度、最低飛行高度、期望飛行高度、地面的溫度以及壓力數據，以標簽的形式顯示。

仿真軌跡計算模塊通過參數配置并結合飛行控制程序、動力學模型、熱力學模型模擬得到預測飛行軌跡曲線。根據計算的浮空器配置參數，開展熱力學模塊對流換熱模型和輻射換熱模型部分計算，計算得到熱傳導和熱輻射過程對浮空器的浮力和溫度的影響。結合動力學模型，實現飛行動力學和熱力學耦合計算，數值模擬得到飛行軌跡，完成浮空器飛行軌跡仿真，使用可視化圖表得到飛行軌跡曲線。根據當前飛行狀態并判斷下降時間所在位置，結合當前氣象數據進行下降段軌跡仿真，通過下降過程中的水平方向位移，模擬得到飛行落點。

2 ?結果

2.1 氣象分布規律

如圖4所示，利用3個時間段內的采集數據，初步判斷切變風高度、弱風層高度等準零風層定義要素，同步分析風速、風向、壓力、溫度等隨高度變化規律。

如圖5所示，探空儀采集到的原始數據為每秒一條的時序數據，每50m內約有10個數據采集點。數據處理采用Matlab軟件，首先使用卡爾曼濾波去除數據噪點，之后將每秒一條的數據點的時序數據處理為50m一個分層高度的垂直分層分布數據。

風速分布如圖6所示，地面到急風區風速逐漸增大，急風區到平流層風速逐漸減小，平流層風速趨于穩定。急風區風速可達50m/s，19～22km風速基本不大于10m/s，存在風速較小的弱風層，平流層最小風出現在19.5～20.2km高度，風速不大于1.00m/s。

風向分布如圖7所示，坐標所在點的角度表示風向角，如坐標點落在第一象限，表示風向為東北。坐標所在點距離原點的位置表示當前風向所在海拔高度，原點處為海平面（海拔為0），最大直徑圓上為25km高度。地面至18km高度，風向基本為西偏北風，18～22km高度存在風向變化超過180°的變化區間，即存在典型切變風。不同時間段地面至18km高度風向波動不大，地面和急風區風向相對較為穩定。

氣壓隨高度變化規律如圖8所示，地面壓力約為650hpa，壓力隨著高度增加逐漸減小。各高度分層范圍內，不同時間段壓力數據無明顯波動，相對較為穩定。平流層19～22km高度壓力逐漸降低，壓力由65.40hpa降低至40.00hpa。

溫度分布如圖9所示，各高度分層范圍內，溫度較為穩定，急風區由于風速差異出現了不同時間點略有差異的現象，最低溫度在17～19km處，最低溫度-71℃。平流層19～22km高度溫度隨高度增大逐漸升高，溫度由-70℃上升至-59℃。

2.2 準零風層分析

依據該地區風速風向要素，結合合成風速與風速分量分布規律，進行該地區平流層準零風層分析。如圖10所示，采樣1時間段內，合成風速地面到急流區逐漸增大，急流區到18km逐漸減小，18～22km略有波動，基本不大于10m/s。南北風帶地面到17km都是北風，地面到9km高度風速逐漸增大，9～17km風速逐漸減小至零，17～22km有多段出現南北風轉變，且風速較小。東西風帶地面到18km基本為東風，地面到12km高度風速逐漸增大至與合成風速接近，12～18km風速逐漸減小到零。19～22km分層高度內，19.40km高度以下為西風，19.40km高度以上一定高度分層區間變為東風，同時南北向風速很小且不大于5m/s，出現了典型的切變風特征，時間段1內19.40km為該地區的準零風層高度。

如圖11所示，采樣2時間段內、采樣3時間段內，與采樣1風場分布規律基本一致，時間段2內19.35km為該地區的準零風層高度，時間段3內19.25km為該地區的準零風層高度。

該地區不同采樣時間段內，合成風、東西風、南北風分布規律基本一致，不同分層高度略有差異，風速風向氣象要素較為穩定。在19～20km高度區間，出現某一高度以下為西風，以上高度為東風，同時南北風速分量很小的準零風層。整體而言，采樣區間時間段內，可以滿足平流層浮空器地面放飛和短時駐空需求。

2.3 飛行軌跡預測

在仿真計算軟件中通過探測的氣象數據對平流層浮空器進行飛行軌跡仿真，仿真計算前在界面處指定仿真總時間和控制下降時間，進行仿真時間可視化調整。以仿真高度隨時間的變化和仿真水平位移兩個二維坐標圖表示仿真結果，其中仿真水平位移坐標圖縱軸代表南北方向位移，橫軸代表東西方向位移。通過圖中的仿真結果可知，3個樣本仿真飛行軌跡趨勢一致，主要分為上升階段、駐空階段及下降階段，軌跡的兩個拐點分別為駐空的起點和終點。

通過仿真得到浮空器在整個飛行過程中水平位移，結合當前風場判斷實際飛行過程中不會超過給定空域。落點預測部分依據當前飛行位置所在的經緯坐標，當飛行落點在禁落區或不易搜尋的區域時，調整下降段控制策略，進行再次迭代調整，以保障目標區域可控，或圖12、圖13、圖14所示。

3 ?結論

本文采用氣象氣球攜帶探空儀來探測某地區的大氣參數垂直分布情況，并開展了平流層準零風層判斷分析，基于風場環境對平流層浮空器進行飛行軌跡仿真，主要得出以下結論。

（1）該地區20km高度附近存在風速不大于5m/s的弱風層，18～22km存在風向變化超過180°的切變風，采樣區間內最低溫度-71℃，最低壓力40hpa。

（2）該地區合成風、東西風、南北風分布規律基本一致，不同分層高度略有差異，風速風向氣象要素較為穩定。19～20km高度區間存在平流層準零風層，整體而言，在采樣區間時間段內可以滿足地面放飛和短時駐空需求。

（3）基于當地風場環境，仿真預測平流層浮空器飛行軌跡基本一致，且不超過擬定空域，落點在安全飛行范圍內的開闊地點。

參考文獻

[1] 王海艦，林建.臨近空間飛行器探測方法探討[J].數字通信世界，2019（11）：53-54

[2] 吳翼凡.氣象探測數據采集與處理系統設計[D].南京：南京信息工程大學，2018.

[3] 肖存英，胡雄，龔建村，等.中國上空平流層準零風層的特征分析[J].空間科學學報，2008，28（3）：230-235.

[4] 杜毅潔，潘鵬飛.高超聲速飛行大氣數據測量方法研究[J].戰術導彈技術，2013（3）：37-40.

[5] 孫慶國，李偉，張艷昆，等.遠程氣象探測系統設計與實現[J].氣象水文海洋儀器，2014，31（2）：64-68.

[6] 黃炯，肖迪娥，趙米洛.中高層氣象氣球的應用研究[C].第31屆中國氣象學會年會.2014.

[7] 李魁，鄧小龍.風場預測模型與軌跡控制策略對平流層浮空器區域駐留能力影響研究[C].第五屆高分辨率對地觀測學術年會論文集.高分辨率對地觀測學術聯盟，2018.

[8] 鄧小龍，楊希祥，麻震宇，等.基于風場環境利用的平流層浮空器區域駐留關鍵問題研究進展[J].航空學報，2019，40（8）：18-31.

[9] 鄧小龍，叢偉軒，李魁，等.風場綜合利用的新型平流層浮空器軌跡設計[J].宇航學報，2019，40（7）：748-757.

[10] 李魁，鄧小龍，楊希祥，等.基于平流層風場預測的浮空器軌跡控制[J].北京航空航天大學學報，2019，45（5）：1008-1018.

[11] 呂品.大氣邊界層中風機流場及改進譜方法數值模擬研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2020.

[12] 習佳.實時風功率預測算法研究[D].包頭：內蒙古科技大學，2020.