基于气象探测的平流层浮空器飞行轨迹预测方法

蔡明 颜坤 熊超 曹瑞

摘  要：平流层浮空器飞行试验要求在拟定空域范围内开展，通过寻找平流层准零风层来实现区域驻空飞行。本文利用探空仪获取了试验地区风速、风向、压力、温度要素随高度分布规律，同时进行该地区平流层准零风层判断分析，使用包含平流层浮空器动力学模型和热力学模型的计算软件进行飞行轨迹仿真，并结合实际地域进行飞行轨迹和落点预测。结果表明：在探测时间段内，该地区20km高度附近存在风速不大于5m/s的弱风层，18～22km存在风向变化超过180°的切变风;17～19km最低温度为-71℃，19～22km温度由-70℃上升至～59℃;19～22km压力由65.4hpa降低至40hpa;在19～20km区间，存在持续时间不小于12h的准零风层，基于气象要素规律仿真预测12h内飞行轨迹不超出拟定空域，落点在开阔地点，并通过飞行试验得到有效验证。

关键词：飞行轨迹预测  气象探测  浮空器  平流层

中图分类号：TN95                            文献标识码：A文章编号：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、航天飞行器所不具备的优势。作为一种高分辨率对地观测平台，其覆盖范围广 ，在通信保障、情报收集、预警、民用等方面都具有很大的发展潜力，广泛应用于监视、科学调查、数据通讯等领域[1]。平流层20km高度附近的气温、气压、密度和风速等随时空不断变化的大气参量，对临近空间低速飞行器的飞行姿态与动力控制有着明显的影响[2]。平流层准零风层为平流层下层20km高度附近的大气层， 上下层东西风风向相反，即下层的西风（东风）转向为东风（西风），同时南北风分量很小，浮空器一般在平流层准零风层驻空飞行[3]。气象环境参数对大气中工作的浮空器具有重要的参考意义，该环境参数往往通过大气数据系统获取[4]。

目前大气数据系统主要通过雷达或无线电经纬仪、跟踪探空仪组成，该系统可以直接获得有限时空域内的气温、气压、湿度和风向风速等信息[5]。探空仪是测量获取不同高度上的大气参数垂直分布的仪器，这种测量是通过无线信道遥测来完成的，所以又称无线电探空仪。气象气球携带探空仪升空探测的技术手段，具有成本低、操作灵活、施放安全性能高等优点，能够得到广泛的普及和应用[6]。轨迹控制是实现平流层浮空器区域驻留的关键，而预测风场能为控制策略提供重要的关键输入，对浮空器控制和飞行性能评估具有重要价值[7-12]。

本文采用气象气球携带探空仪自然升空的方式来探测试验地区的大气参数垂直分布情况，通过对该地区在2020年6月下旬的气象数据进行分析，得到风速、风向、压力、温度要素随高度的变化分布规律，结合风速风向诊断分析平流层准零风层。基于风场环境对平流层浮空器进行飞行轨迹仿真及区域驻留评估，以拟定空域为条件判断该浮空器飞行轨迹并对落点进行预测。

1  研究内容及方法

1.1 气象探測

本文采用探空系统开展基础气象数据采集，该探空系统设备架构如图1所示，整个探空系统包括地面系统和探空仪，地面系统包括终端、接收机、基测箱和天线。其中终端直接运行北斗探空软件，用于控制接收机和基测箱，采集数据并保存;接收机用于接收并解调探空仪无线电信号;基测箱用于更改探空仪的发射频率以及进行地面基测;天线分为地面北斗天线和探空仪接收天线，用于收发信号;探空仪与探空气球连接，用于气象数据的采集和传输。

2020年6月下旬，使用探空系统对试验地区开展多次气象数据采集，将采集到的气象数据进行数据处理，得到22km高度以下飞行空域范围内环境大气风速、风向、温度、压力等数据，使用以上数据分析该地区气象数据分布特性，并进行平流层准零风层诊断。

1.2 飞行轨迹仿真

以该地区风场环境为输入对拟定的平流层浮空器开展飞行轨迹仿真及落点位置预判。通过程序编写平流层浮空器飞行轨迹预测软件GUI界面，主要分为数据处理与显示模块、参数配置计算模块及飞行轨迹仿真3个模块，如图2所示。

如图3所示，数据处理与显示模块将原始探测的气象数据文件转化为气象特征数据，按照给定的数据文件格式实现气象数据预处理与显示。计算软件可以选择指定格式的气象数据文件，通过配置设定实际地面高度、实际分析高度范围、数据密度等参数，输出风速、风向、温度、压力等气象特征数据。

参数配置计算模块根据指定的气象特征数据实现初始化计算，根据所选择的气象数据文件以及特定的高度参数，输入囊体直径、平台重量、氦气过盈量、氦气裕量等参数，输出飞行氦气质量、地面充氦质量、地面充氦体积、配重质量、净浮力、地面充入空气体积、地面充入空气质量等参数，并自动获取最高飞行高度、最低飞行高度、期望飞行高度、地面的温度以及压力数据，以标签的形式显示。

仿真轨迹计算模块通过参数配置并结合飞行控制程序、动力学模型、热力学模型模拟得到预测飞行轨迹曲线。根据计算的浮空器配置参数，开展热力学模块对流换热模型和辐射换热模型部分计算，计算得到热传导和热辐射过程对浮空器的浮力和温度的影响。结合动力学模型，实现飞行动力学和热力学耦合计算，数值模拟得到飞行轨迹，完成浮空器飞行轨迹仿真，使用可视化图表得到飞行轨迹曲线。根据当前飞行状态并判断下降时间所在位置，结合当前气象数据进行下降段轨迹仿真，通过下降过程中的水平方向位移，模拟得到飞行落点。

2  结果

2.1 气象分布规律

如图4所示，利用3个时间段内的采集数据，初步判断切变风高度、弱风层高度等准零风层定义要素，同步分析风速、风向、压力、温度等随高度变化规律。

如图5所示，探空仪采集到的原始数据为每秒一条的时序数据，每50m内约有10个数据采集点。数据处理采用Matlab软件，首先使用卡尔曼滤波去除数据噪点，之后将每秒一条的数据点的时序数据处理为50m一个分层高度的垂直分层分布数据。

风速分布如图6所示，地面到急风区风速逐渐增大，急风区到平流层风速逐渐减小，平流层风速趋于稳定。急风区风速可达50m/s，19～22km风速基本不大于10m/s，存在风速较小的弱风层，平流层最小风出现在19.5～20.2km高度，风速不大于1.00m/s。

风向分布如图7所示，坐标所在点的角度表示风向角，如坐标点落在第一象限，表示风向为东北。坐标所在点距离原点的位置表示当前风向所在海拔高度，原点处为海平面（海拔为0），最大直径圆上为25km高度。地面至18km高度，风向基本为西偏北风，18～22km高度存在风向变化超过180°的变化区间，即存在典型切变风。不同时间段地面至18km高度风向波动不大，地面和急风区风向相对较为稳定。

气压随高度变化规律如图8所示，地面压力约为650hpa，压力随着高度增加逐渐减小。各高度分层范围内，不同时间段压力数据无明显波动，相对较为稳定。平流层19～22km高度压力逐渐降低，压力由65.40hpa降低至40.00hpa。

温度分布如图9所示，各高度分层范围内，温度较为稳定，急风区由于风速差异出现了不同时间点略有差异的现象，最低温度在17～19km处，最低温度-71℃。平流层19～22km高度温度随高度增大逐渐升高，温度由-70℃上升至-59℃。

2.2 准零风层分析

依据该地区风速风向要素，结合合成风速与风速分量分布规律，进行该地区平流层准零风层分析。如图10所示，采样1时间段内，合成风速地面到急流区逐渐增大，急流区到18km逐渐减小，18～22km略有波动，基本不大于10m/s。南北风带地面到17km都是北风，地面到9km高度风速逐渐增大，9～17km风速逐渐减小至零，17～22km有多段出现南北风转变，且风速较小。东西风带地面到18km基本为东风，地面到12km高度风速逐渐增大至与合成风速接近，12～18km风速逐渐减小到零。19～22km分层高度内，19.40km高度以下为西风，19.40km高度以上一定高度分层区间变为东风，同时南北向风速很小且不大于5m/s，出现了典型的切变风特征，时间段1内19.40km为该地区的准零风层高度。

如图11所示，采样2时间段内、采样3时间段内，与采样1风场分布规律基本一致，时间段2内19.35km为该地区的准零风层高度，时间段3内19.25km为该地区的准零风层高度。

该地区不同采样时间段内，合成风、东西风、南北风分布规律基本一致，不同分层高度略有差异，风速风向气象要素较为稳定。在19～20km高度区间，出现某一高度以下为西风，以上高度为东风，同时南北风速分量很小的准零风层。整体而言，采样区间时间段内，可以满足平流层浮空器地面放飞和短时驻空需求。

2.3 飞行轨迹预测

在仿真计算软件中通过探测的气象数据对平流层浮空器进行飞行轨迹仿真，仿真计算前在界面处指定仿真总时间和控制下降时间，进行仿真时间可视化调整。以仿真高度随时间的变化和仿真水平位移两个二维坐标图表示仿真结果，其中仿真水平位移坐标图纵轴代表南北方向位移，横轴代表东西方向位移。通过图中的仿真结果可知，3个样本仿真飞行轨迹趋势一致，主要分为上升阶段、驻空阶段及下降阶段，轨迹的两个拐点分别为驻空的起点和终点。

通过仿真得到浮空器在整个飞行过程中水平位移，结合当前风场判断实际飞行过程中不会超过给定空域。落点预测部分依据当前飞行位置所在的经纬坐标，当飞行落点在禁落区或不易搜寻的区域时，调整下降段控制策略，进行再次迭代调整，以保障目标区域可控，或图12、图13、图14所示。

3  结论

本文采用气象气球携带探空仪来探测某地区的大气参数垂直分布情况，并开展了平流层准零风层判断分析，基于风场环境对平流层浮空器进行飞行轨迹仿真，主要得出以下结论。

（1）该地区20km高度附近存在风速不大于5m/s的弱风层，18～22km存在风向变化超过180°的切变风，采样区间内最低温度-71℃，最低压力40hpa。

（2）该地区合成风、东西风、南北风分布规律基本一致，不同分层高度略有差异，风速风向气象要素较为稳定。19～20km高度区间存在平流层准零风层，整体而言，在采样区间时间段内可以满足地面放飞和短时驻空需求。

（3）基于当地风场环境，仿真预测平流层浮空器飞行轨迹基本一致，且不超过拟定空域，落点在安全飞行范围内的开阔地点。

参考文献

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