[發明專利]臨近空間平臺面向任務編隊組網分布式協同飛行控制方法

有效

• 申請號: 201811078712.X
• 申請日: 2018-09-14
• 公開（公告）號: CN109510655B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 李智斌;黃宛寧;周江華;苗景剛;趙春陽;李蕊
• 申請（專利權）人: 山東科技大學;中國科學院空天信息創新研究院
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185;B64B1/40;B64B1/00
• 代理公司: 北京東方盛凡知識產權代理事務所(普通合伙) 11562
• 代理人: 王穎

本公開提供了一種臨近空間平臺面向任務編隊組網分布式協同飛行控制方法，包括：確定多在編臨近空間平臺目標優化的約束條件；接收在編臨近空間平臺反饋的輸入、輸出數據；以及基于約束條件及所述數據控制在編臨近空間平臺的功能切換、載荷分配。本公開臨近空間平臺面向任務編隊組網分布式協同飛行控制方法，利用多平臺協同控制完成組網，可充分發揮其成本低的優勢，達到大范圍區域網絡覆蓋及信息傳輸的任務目標，基于約束條件分析對多平臺目標優化分解，實現了在編臨近空間平臺的功能切換、載荷分配有效控制。

技術領域

本公開涉及空間信息網絡技術領域，具體涉及一種臨近空間平臺面向任務編隊組網的分布式協同飛行控制方法。

背景技術

空間信息網絡是以空間平臺(如同步衛星或中、低軌道衛星/星座、臨近空間浮空器或無人機等)為載體，實時獲取、傳輸和處理空間信息的網絡系統。作為國家重要基礎設施，空間信息網絡在服務遠洋航行、應急救援、導航定位、航空運輸、航天測控等重大應用同時，還可支持對地觀測高動態、寬帶實時傳輸，以及深空探測的超遠程、大時延可靠傳輸，從而將人類科學、文化、生產活動拓展至空間、遠洋、乃至深空，是全球范圍的研究熱點。

臨近空間平臺一般指的是運行在臨近空間的浮空器或飛機，距離地面17～22km。這類平臺具有快速延伸通信距離的能力，并且可以為大量用戶提供服務，而需要的通信設施比地面網絡要少的都。因此，臨近空間平臺與地面網絡接近，同時能夠保持廣域覆蓋的特點，意味著臨近空間平臺兼具了地面網絡和衛星通信的優點。但是尚未有一種可以長期駐留的可靠平臺，臨近空間平臺在空間信息網中的應用研究并不像衛星平臺那樣活躍。

1臨近空間浮空器平臺發展

臨近空間平臺技術的研究貫穿從平臺設計、制造、放飛、飛行控制、回收到系統支持與維護的全部流程，是典型的跨學科、綜合性強的高新技術，涉及材料、結構、能源、熱控、推進、控制、空間環境等諸多領域，目前比較清晰的兩條技術路線分別為臨近空間浮空器和臨近空間太陽能長航時無人機。后者目前僅有空客的西風7達到了20公里高度，最大續航14天，具備一定的應用能力，但有效載荷小于5kg，有較大局限性。其它型號都尚未達到長期駐留。

1.1平流層飛艇發展

2003年11月美國空軍的攀登者(Ascender)飛艇未攜帶任何有效載荷到達30km高空，并在地面控制下成功返回，成為第一個進入臨近空間并完成回收的飛艇。2005年11月，美國陸軍航天司令部的高空哨兵(Hisentinel)飛艇飛行高度達到22.6km，駐空5小時，帶動力飛行小于1小時，載重9.1kg，成為迄今為止真正實現有動力飛行且飛行高度最高的飛艇。2010年11月，改進后的高空哨兵飛艇載重36.3kg，載荷功率50W，飛行高度20.21km，飛行時間8小時，如圖1所示。

2005年底，美國MDA宣布正式啟動HAA項目。HAA的最終演示驗證飛艇HALE-D(HighAltitude Long Endurance-Demonstrator)的技術指標為：飛行高度18.3km，駐空時間大于15天，有效載荷為遙感和對地通信設備。HALE-D于2011年7月升空試驗，但因出現技術異常于升空當天即墜毀，如圖2所示。

在國內，中科院光電院遵循“高空氣球→非成形升空動力飛艇→成形升空動力飛艇”的循序漸進發展模式，對臨近空間飛艇的全飛行剖面測控通訊、飛行控制、航電、軌跡預測和任務規劃方面開展了系統性的研究工作。在2011年研制并飛行了KFG30A、KFG30B、KFG44三艘飛艇，最大飛行高度16.6km。2012年8月，首次成功完成了平流層飛艇的飛行試驗，是當時國內外目前體積最大、推進功率最大的受控平流層飛艇，在國際上首次實現了平流層高度的自動駕駛飛行、遙控飛行和成形下降試驗，飛行試驗結果表明我國平流層飛艇技術已達到了國際一流水平，如圖3所示。

雖然國內外在平流層飛艇上取得了一定的進展，但尚未達到長期駐空應用的能力。

1.2高空科學氣球發展