基于氣象探測(cè)的平流層浮空器飛行軌跡預(yù)測(cè)方法

蔡明 顏坤 熊超 曹瑞

摘 ?要：平流層浮空器飛行試驗(yàn)要求在擬定空域范圍內(nèi)開展，通過尋找平流層準(zhǔn)零風(fēng)層來實(shí)現(xiàn)區(qū)域駐空飛行。本文利用探空儀獲取了試驗(yàn)地區(qū)風(fēng)速、風(fēng)向、壓力、溫度要素隨高度分布規(guī)律，同時(shí)進(jìn)行該地區(qū)平流層準(zhǔn)零風(fēng)層判斷分析，使用包含平流層浮空器動(dòng)力學(xué)模型和熱力學(xué)模型的計(jì)算軟件進(jìn)行飛行軌跡仿真，并結(jié)合實(shí)際地域進(jìn)行飛行軌跡和落點(diǎn)預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：在探測(cè)時(shí)間段內(nèi)，該地區(qū)20km高度附近存在風(fēng)速不大于5m/s的弱風(fēng)層，18～22km存在風(fēng)向變化超過180°的切變風(fēng);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(qū)間，存在持續(xù)時(shí)間不小于12h的準(zhǔn)零風(fēng)層，基于氣象要素規(guī)律仿真預(yù)測(cè)12h內(nèi)飛行軌跡不超出擬定空域，落點(diǎn)在開闊地點(diǎn)，并通過飛行試驗(yàn)得到有效驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：飛行軌跡預(yù)測(cè) ?氣象探測(cè) ?浮空器 ?平流層

中圖分類號(hào)：TN95 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(yōu)勢(shì)。作為一種高分辨率對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)，其覆蓋范圍廣 ，在通信保障、情報(bào)收集、預(yù)警、民用等方面都具有很大的發(fā)展?jié)摿?，廣泛應(yīng)用于監(jiān)視、科學(xué)調(diào)查、數(shù)據(jù)通訊等領(lǐng)域[1]。平流層20km高度附近的氣溫、氣壓、密度和風(fēng)速等隨時(shí)空不斷變化的大氣參量，對(duì)臨近空間低速飛行器的飛行姿態(tài)與動(dòng)力控制有著明顯的影響[2]。平流層準(zhǔn)零風(fēng)層為平流層下層20km高度附近的大氣層， 上下層?xùn)|西風(fēng)風(fēng)向相反，即下層的西風(fēng)（東風(fēng)）轉(zhuǎn)向?yàn)闁|風(fēng)（西風(fēng)），同時(shí)南北風(fēng)分量很小，浮空器一般在平流層準(zhǔn)零風(fēng)層駐空飛行[3]。氣象環(huán)境參數(shù)對(duì)大氣中工作的浮空器具有重要的參考意義，該環(huán)境參數(shù)往往通過大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)獲取[4]。

目前大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要通過雷達(dá)或無線電經(jīng)緯儀、跟蹤探空儀組成，該系統(tǒng)可以直接獲得有限時(shí)空域內(nèi)的氣溫、氣壓、濕度和風(fēng)向風(fēng)速等信息[5]。探空儀是測(cè)量獲取不同高度上的大氣參數(shù)垂直分布的儀器，這種測(cè)量是通過無線信道遙測(cè)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(cè)的技術(shù)手段，具有成本低、操作靈活、施放安全性能高等優(yōu)點(diǎn)，能夠得到廣泛的普及和應(yīng)用[6]。軌跡控制是實(shí)現(xiàn)平流層浮空器區(qū)域駐留的關(guān)鍵，而預(yù)測(cè)風(fēng)場(chǎng)能為控制策略提供重要的關(guān)鍵輸入，對(duì)浮空器控制和飛行性能評(píng)估具有重要價(jià)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(cè)試驗(yàn)地區(qū)的大氣參數(shù)垂直分布情況，通過對(duì)該地區(qū)在2020年6月下旬的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到風(fēng)速、風(fēng)向、壓力、溫度要素隨高度的變化分布規(guī)律，結(jié)合風(fēng)速風(fēng)向診斷分析平流層準(zhǔn)零風(fēng)層?；陲L(fēng)場(chǎng)環(huán)境對(duì)平流層浮空器進(jìn)行飛行軌跡仿真及區(qū)域駐留評(píng)估，以擬定空域?yàn)闂l件判斷該浮空器飛行軌跡并對(duì)落點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 ?研究?jī)?nèi)容及方法

1.1 氣象探測(cè)

本文采用探空系統(tǒng)開展基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)采集，該探空系統(tǒng)設(shè)備架構(gòu)如圖1所示，整個(gè)探空系統(tǒng)包括地面系統(tǒng)和探空儀，地面系統(tǒng)包括終端、接收機(jī)、基測(cè)箱和天線。其中終端直接運(yùn)行北斗探空軟件，用于控制接收機(jī)和基測(cè)箱，采集數(shù)據(jù)并保存;接收機(jī)用于接收并解調(diào)探空儀無線電信號(hào);基測(cè)箱用于更改探空儀的發(fā)射頻率以及進(jìn)行地面基測(cè);天線分為地面北斗天線和探空儀接收天線，用于收發(fā)信號(hào);探空儀與探空氣球連接，用于氣象數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

2020年6月下旬，使用探空系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)地區(qū)開展多次氣象數(shù)據(jù)采集，將采集到的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到22km高度以下飛行空域范圍內(nèi)環(huán)境大氣風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、壓力等數(shù)據(jù)，使用以上數(shù)據(jù)分析該地區(qū)氣象數(shù)據(jù)分布特性，并進(jìn)行平流層準(zhǔn)零風(fēng)層診斷。

1.2 飛行軌跡仿真

以該地區(qū)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境為輸入對(duì)擬定的平流層浮空器開展飛行軌跡仿真及落點(diǎn)位置預(yù)判。通過程序編寫平流層浮空器飛行軌跡預(yù)測(cè)軟件GUI界面，主要分為數(shù)據(jù)處理與顯示模塊、參數(shù)配置計(jì)算模塊及飛行軌跡仿真3個(gè)模塊，如圖2所示。

如圖3所示，數(shù)據(jù)處理與顯示模塊將原始探測(cè)的氣象數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化為氣象特征數(shù)據(jù)，按照給定的數(shù)據(jù)文件格式實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)預(yù)處理與顯示。計(jì)算軟件可以選擇指定格式的氣象數(shù)據(jù)文件，通過配置設(shè)定實(shí)際地面高度、實(shí)際分析高度范圍、數(shù)據(jù)密度等參數(shù)，輸出風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、壓力等氣象特征數(shù)據(jù)。

參數(shù)配置計(jì)算模塊根據(jù)指定的氣象特征數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)初始化計(jì)算，根據(jù)所選擇的氣象數(shù)據(jù)文件以及特定的高度參數(shù)，輸入囊體直徑、平臺(tái)重量、氦氣過盈量、氦氣裕量等參數(shù)，輸出飛行氦氣質(zhì)量、地面充氦質(zhì)量、地面充氦體積、配重質(zhì)量、凈浮力、地面充入空氣體積、地面充入空氣質(zhì)量等參數(shù)，并自動(dòng)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(shù)據(jù)，以標(biāo)簽的形式顯示。

仿真軌跡計(jì)算模塊通過參數(shù)配置并結(jié)合飛行控制程序、動(dòng)力學(xué)模型、熱力學(xué)模型模擬得到預(yù)測(cè)飛行軌跡曲線。根據(jù)計(jì)算的浮空器配置參數(shù)，開展熱力學(xué)模塊對(duì)流換熱模型和輻射換熱模型部分計(jì)算，計(jì)算得到熱傳導(dǎo)和熱輻射過程對(duì)浮空器的浮力和溫度的影響。結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)飛行動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)耦合計(jì)算，數(shù)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(jù)當(dāng)前飛行狀態(tài)并判斷下降時(shí)間所在位置，結(jié)合當(dāng)前氣象數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)。

2 ?結(jié)果

2.1 氣象分布規(guī)律

如圖4所示，利用3個(gè)時(shí)間段內(nèi)的采集數(shù)據(jù)，初步判斷切變風(fēng)高度、弱風(fēng)層高度等準(zhǔn)零風(fēng)層定義要素，同步分析風(fēng)速、風(fēng)向、壓力、溫度等隨高度變化規(guī)律。

如圖5所示，探空儀采集到的原始數(shù)據(jù)為每秒一條的時(shí)序數(shù)據(jù)，每50m內(nèi)約有10個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理采用Matlab軟件，首先使用卡爾曼濾波去除數(shù)據(jù)噪點(diǎn)，之后將每秒一條的數(shù)據(jù)點(diǎn)的時(shí)序數(shù)據(jù)處理為50m一個(gè)分層高度的垂直分層分布數(shù)據(jù)。

風(fēng)速分布如圖6所示，地面到急風(fēng)區(qū)風(fēng)速逐漸增大，急風(fēng)區(qū)到平流層風(fēng)速逐漸減小，平流層風(fēng)速趨于穩(wěn)定。急風(fēng)區(qū)風(fēng)速可達(dá)50m/s，19～22km風(fēng)速基本不大于10m/s，存在風(fēng)速較小的弱風(fēng)層，平流層最小風(fēng)出現(xiàn)在19.5～20.2km高度，風(fēng)速不大于1.00m/s。

風(fēng)向分布如圖7所示，坐標(biāo)所在點(diǎn)的角度表示風(fēng)向角，如坐標(biāo)點(diǎn)落在第一象限，表示風(fēng)向?yàn)闁|北。坐標(biāo)所在點(diǎn)距離原點(diǎn)的位置表示當(dāng)前風(fēng)向所在海拔高度，原點(diǎn)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(fēng)向基本為西偏北風(fēng)，18～22km高度存在風(fēng)向變化超過180°的變化區(qū)間，即存在典型切變風(fēng)。不同時(shí)間段地面至18km高度風(fēng)向波動(dòng)不大，地面和急風(fēng)區(qū)風(fēng)向相對(duì)較為穩(wěn)定。

氣壓隨高度變化規(guī)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(nèi)，不同時(shí)間段壓力數(shù)據(jù)無明顯波動(dòng)，相對(duì)較為穩(wěn)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(nèi)，溫度較為穩(wěn)定，急風(fēng)區(qū)由于風(fēng)速差異出現(xiàn)了不同時(shí)間點(diǎn)略有差異的現(xiàn)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(zhǔn)零風(fēng)層分析

依據(jù)該地區(qū)風(fēng)速風(fēng)向要素，結(jié)合合成風(fēng)速與風(fēng)速分量分布規(guī)律，進(jìn)行該地區(qū)平流層準(zhǔn)零風(fēng)層分析。如圖10所示，采樣1時(shí)間段內(nèi)，合成風(fēng)速地面到急流區(qū)逐漸增大，急流區(qū)到18km逐漸減小，18～22km略有波動(dòng)，基本不大于10m/s。南北風(fēng)帶地面到17km都是北風(fēng)，地面到9km高度風(fēng)速逐漸增大，9～17km風(fēng)速逐漸減小至零，17～22km有多段出現(xiàn)南北風(fēng)轉(zhuǎn)變，且風(fēng)速較小。東西風(fēng)帶地面到18km基本為東風(fēng)，地面到12km高度風(fēng)速逐漸增大至與合成風(fēng)速接近，12～18km風(fēng)速逐漸減小到零。19～22km分層高度內(nèi)，19.40km高度以下為西風(fēng)，19.40km高度以上一定高度分層區(qū)間變?yōu)闁|風(fēng)，同時(shí)南北向風(fēng)速很小且不大于5m/s，出現(xiàn)了典型的切變風(fēng)特征，時(shí)間段1內(nèi)19.40km為該地區(qū)的準(zhǔn)零風(fēng)層高度。

如圖11所示，采樣2時(shí)間段內(nèi)、采樣3時(shí)間段內(nèi)，與采樣1風(fēng)場(chǎng)分布規(guī)律基本一致，時(shí)間段2內(nèi)19.35km為該地區(qū)的準(zhǔn)零風(fēng)層高度，時(shí)間段3內(nèi)19.25km為該地區(qū)的準(zhǔn)零風(fēng)層高度。

該地區(qū)不同采樣時(shí)間段內(nèi)，合成風(fēng)、東西風(fēng)、南北風(fēng)分布規(guī)律基本一致，不同分層高度略有差異，風(fēng)速風(fēng)向氣象要素較為穩(wěn)定。在19～20km高度區(qū)間，出現(xiàn)某一高度以下為西風(fēng)，以上高度為東風(fēng)，同時(shí)南北風(fēng)速分量很小的準(zhǔn)零風(fēng)層。整體而言，采樣區(qū)間時(shí)間段內(nèi)，可以滿足平流層浮空器地面放飛和短時(shí)駐空需求。

2.3 飛行軌跡預(yù)測(cè)

在仿真計(jì)算軟件中通過探測(cè)的氣象數(shù)據(jù)對(duì)平流層浮空器進(jìn)行飛行軌跡仿真，仿真計(jì)算前在界面處指定仿真總時(shí)間和控制下降時(shí)間，進(jìn)行仿真時(shí)間可視化調(diào)整。以仿真高度隨時(shí)間的變化和仿真水平位移兩個(gè)二維坐標(biāo)圖表示仿真結(jié)果，其中仿真水平位移坐標(biāo)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(jié)果可知，3個(gè)樣本仿真飛行軌跡趨勢(shì)一致，主要分為上升階段、駐空階段及下降階段，軌跡的兩個(gè)拐點(diǎn)分別為駐空的起點(diǎn)和終點(diǎn)。

通過仿真得到浮空器在整個(gè)飛行過程中水平位移，結(jié)合當(dāng)前風(fēng)場(chǎng)判斷實(shí)際飛行過程中不會(huì)超過給定空域。落點(diǎn)預(yù)測(cè)部分依據(jù)當(dāng)前飛行位置所在的經(jīng)緯坐標(biāo)，當(dāng)飛行落點(diǎn)在禁落區(qū)或不易搜尋的區(qū)域時(shí)，調(diào)整下降段控制策略，進(jìn)行再次迭代調(diào)整，以保障目標(biāo)區(qū)域可控，或圖12、圖13、圖14所示。

3 ?結(jié)論

本文采用氣象氣球攜帶探空儀來探測(cè)某地區(qū)的大氣參數(shù)垂直分布情況，并開展了平流層準(zhǔn)零風(fēng)層判斷分析，基于風(fēng)場(chǎng)環(huán)境對(duì)平流層浮空器進(jìn)行飛行軌跡仿真，主要得出以下結(jié)論。

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

（2）該地區(qū)合成風(fēng)、東西風(fēng)、南北風(fēng)分布規(guī)律基本一致，不同分層高度略有差異，風(fēng)速風(fēng)向氣象要素較為穩(wěn)定。19～20km高度區(qū)間存在平流層準(zhǔn)零風(fēng)層，整體而言，在采樣區(qū)間時(shí)間段內(nèi)可以滿足地面放飛和短時(shí)駐空需求。

（3）基于當(dāng)?shù)仫L(fēng)場(chǎng)環(huán)境，仿真預(yù)測(cè)平流層浮空器飛行軌跡基本一致，且不超過擬定空域，落點(diǎn)在安全飛行范圍內(nèi)的開闊地點(diǎn)。

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