[發明專利]一種高空氣球飛行方向控制系統和方法

在審

• 申請號: 202010486187.6
• 申請日: 2020-06-01
• 公開（公告）號: CN111746775A
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發明（設計）人: 蔡榕;張泰華;王帆;張冬輝;張強輝;郝勇;栗穎思
• 申請（專利權）人: 中國科學院空天信息創新研究院
• 主分類號: B64B1/40
• 分類號: B64B1/40
• 代理公司: 北京鍾維聯合知識產權代理有限公司 11579
• 代理人: 原春香

本發明涉及一種高空氣球飛行方向控制系統和方法，系統包括依次連接的高空氣球、降落傘和吊艙，還包括凈輕裝置、凈重裝置和控制模塊，凈輕裝置與高空氣球頂部相連接，始終處于凈輕狀態，并實時獲取其位置信息和對應的風速風向，發送給控制模塊；凈重裝置與吊艙底部相連接，始終處于凈重狀態，并實時獲取其位置信息和對應的風速風向，發送給控制模塊；控制模塊用于基于所述凈輕裝置的位置信息和對應的風速風向，以及凈重裝置的位置信息和對應的風速風向控制高空氣球的飛行方向。本發明能夠控制高空氣球實時選擇最佳飛行方向和速度，從而可以優化飛行軌跡，實現在一定范圍內的長時間駐空，或者在較大范圍內迂回飛行。

技術領域

本發明涉及浮空器技術領域，尤其涉及一種高空氣球飛行方向控制 系統和方法。

背景技術

高空氣球是在平流層飛行的無動力浮空器，它的升空和飛行工作原 理是根據阿基米德浮力定律和牛頓第二定律構建的。高空氣球到達飛行 高度后，即開始隨風飄飛，飄飛的方向取決于該高度的風向，飄飛速度 基本與氣球所在高度的風速相同。但是，對地球上大部分地區而言，在 同一地點的不同高度風速風向相差很大，這種差別有一定的緯度和季節 的規律。

以大部分中緯度地區為例，夏秋季在低空的對流層高度，往往存在 很強的西風，在平流層高度則存在東風。在西風和東風的轉換高度，存 在一個過渡層，稱為“準零風層”。在準零風層內，風速很小，甚至會出 現靜風。正是這種大氣現象的存在，近幾十年引發了新的研究熱點。高 空氣球無疑是在這一高度持久駐空的理想平臺。但在這一高度，風場處 于不穩定和不確定狀態，它集中表現在時域和地域差別，以及高度剖面 內的劇烈變化。即使在同一高度，距離較遠的兩地的風速風向也會有較 大差別；對于同一地點同一高度上的風速風向，不同時間也有較大差別， 尤其晝夜間在太陽輻照、地面輻射等發生較大變化時也會發生較大變化； 在準零風層中內，風場在高度上的變化更為劇烈，在幾十米的高度范圍內風向甚至會變化90°以上。這些給準零風層風場預報帶來了極大難度， 到目前為止，還無法準確預測或預報。當高空氣球在準零風層內平飛時， 隨著時間和飛行地點的變化，它的飛行速度和方向也會隨著變化，這種 變化會使高空氣球偏離原來的飛行軌跡，甚至超出空域邊界，不得不終 止飛行。由此可知，如何控制高空氣球的飛行方向，使其選擇最佳飛行方向和速度成為亟待解決的技術問題。

發明內容

本發明目的在于，提供一種高空氣球飛行方向控制系統和方法，通 過高空氣球飛行過程中相鄰高度剖面內風場的精細化測量，使高空氣球 飛行過程中能夠實時測量附近高度剖面風場的時域和地域變化，控制高 空氣球實時選擇最佳飛行方向和速度，從而可以優化飛行軌跡，實現在 一定范圍內的長時間駐空，或者在較大范圍內迂回飛行。

根據本發明第一方面，提供了一種高空氣球飛行方向控制系統，包 括氣球裝置，所述氣球裝置包括依次連接的高空氣球、降落傘和吊艙， 所述系統還包括凈輕裝置、凈重裝置和控制模塊，其中，

所述凈輕裝置與所述高空氣球頂部相連接，始終處于凈輕狀態，并 實時獲取其位置信息和對應的風速風向，發送給所述控制模塊；

所述凈重裝置與所述吊艙底部相連接，始終處于凈重狀態，并實時 獲取其位置信息和對應的風速風向，發送給所述控制模塊；

所述控制模塊用于基于所述凈輕裝置的位置信息和對應的風速風 向，以及所述凈重裝置的位置信息和對應的風速風向控制所述高空氣球 的飛行方向。

進一步的，所述控制模塊基于所述凈輕裝置的位置信息和對應的風 速風向，以及所述凈重裝置的位置信息和對應的風速風向控制所述高空 氣球的飛行方向，確定所述高空氣球的目標飛行風層，將所述高空氣球 的調整至所述目標飛行風層，進而控制所述高空氣球的飛行方向和飛行 速度。

進一步的，所述系統還包括安裝在所述高空氣球底部的第一定位部 和第一風速測量部，其中，

所述第一定位部用于實時獲取所述高空氣球的位置信息，并發送給 所述控制模塊；