CN108241769A - 高空气球航迹的预测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高空气球航迹的预测方法及装置。其中，该方法包括：建立高空气球的航迹预测模型，其中，航迹预测模型至少包括：动力学模型和热力学模型；获取高空气球的当前状态和风场数据，其中，当前状态至少包括：位置信息、速度信息、氦气量、温度和压强，风场数据至少包括：风向数据和风速数据；根据当前状态和风场数据，通过航迹预测模型，得到高空气球的航迹。本发明解决了现有技术中的高空气球航迹的预测方法无法同时满足简便预测和高精确度的要求的技术问题。

Description

高空气球航迹的预测方法及装置

技术领域

本发明涉及高空气球飞行力学与仿真分析领域，具体而言，涉及一种高空气球航迹的预测方法及装置。

背景技术

平流层高空气球的研究越来越受到重视，考虑到高空气球放飞、平飞以及回收过程中，需要对其航迹进行控制，特别是落点位置十分重要，必须进行航迹实时预测研究工作。

目前，航迹预测模拟方法主要包括：记录空中真实飞行器航迹和基于地球球体模型进行的航迹计算，第一种方法精确但是不简便，第二种方法简便却不够精确。

针对现有技术中的高空气球航迹的预测方法无法同时满足简便预测和高精确度的要求的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种高空气球航迹的预测方法及装置，以至少解决现有技术中的高空气球航迹的预测方法无法同时满足简便预测和高精确度的要求的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种高空气球航迹的预测方法，包括：建立高空气球的航迹预测模型，其中，航迹预测模型至少包括：动力学模型和热力学模型；获取高空气球的当前状态和风场数据，其中，当前状态至少包括：位置信息、速度信息、氦气量、温度和压强，风场数据至少包括：风向数据和风速数据；根据当前状态和风场数据，通过航迹预测模型，得到高空气球的航迹。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种高空气球航迹的预测装置，包括：建立单元，用于建立高空气球的航迹预测模型，其中，航迹预测模型至少包括：动力学模型和热力学模型；获取单元，用于获取高空气球的当前状态和风场数据，其中，当前状态至少包括：位置信息、速度信息、氦气量、温度和压强，风场数据至少包括：风向数据和风速数据；处理单元，用于根据当前状态和风场数据，通过航迹预测模型，得到高空气球的航迹。

在本发明实施例中，建立高空气球的航迹预测模型，获取高空气球的当前状态和风场数据，根据当前状态和风场数据，通过航迹预测模型，得到高空气球的航迹。容易注意到的是，通过航迹预测模型预测高空气球的航迹，可以简化预测过程，将根据当前状态和风场数据作为航迹预测模型的输入，通过高空气球的真实飞行航迹更新实时预测后的航迹，可以减小航迹预测模型预测的误差，解决了现有技术中的高空气球航迹的预测方法无法同时满足简便预测和高精确度的要求的技术问题。因此，通过本发明上述实施例提供的方案，可以达到简便易用，精确预测的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的一种高空气球航迹的预测方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的一种可选的高空气球航迹的预测方法的示意图；以及

图3是根据本发明实施例的一种高空气球航迹的预测装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

根据本发明实施例，提供了一种高空气球航迹的预测方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1是根据本发明实施例的一种高空气球航迹的预测方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S102，建立高空气球的航迹预测模型，其中，航迹预测模型至少包括：动力学模型和热力学模型。

具体的，高空气球可以是平流层高空气球，由一个浮升囊体和挂接在囊体下端的吊舱组成，囊体内充入氦气，以高空气球所需要的浮力。

在一种可选的方案中，动力学模型是航迹预测的基础，高空气球的飞行航迹需要由动力学模型获得。高空气球是一个气体浮空器，其浮力大小受热环境影响，氦气在球体中满足理想气体状态方程为：PV＝nRT，其中，P为氦气的压强，V为氦气的体积，即球体体积，n为氦气的物质的量，R气体常数，T为氦气的热力学温度。在上升过程中，囊体体积会随温度变化而变化，在囊体到达最大体积后，温度继续增大就会产生超压量，所以需要建立高空飞行过程中的热力学模型，得到囊体内的氦气的温度变化。因此，在对高空气球进行航迹预测之前，需要建立高空气球的动力学模型和热力学模型。

步骤S104，获取高空气球的当前状态和风场数据，其中，当前状态至少包括：位置信息、速度信息、氦气量、温度和压强，风场数据至少包括：风向数据和风速数据。

步骤S106，根据当前状态和风场数据，通过航迹预测模型，得到高空气球的航迹。

在一种可选的方案中，高空气球在飞行过程中，由于其体型巨大，受到风的作用影响巨大，航迹预测需要有准确的风速风向信息，在建立高空气球的动力学模型和热力学模型之后，可以获取高空气球的当前时刻的真实状态和风场数据，通过动力学模型与热力学模型预测之后时间的飞行轨迹即航迹。

根据本发明上述实施例，建立高空气球的航迹预测模型，获取高空气球的当前状态和风场数据，根据当前状态和风场数据，通过航迹预测模型，得到高空气球的航迹。容易注意到的是，通过航迹预测模型预测高空气球的航迹，可以简化预测过程，将根据当前状态和风场数据作为航迹预测模型的输入，通过高空气球的真实飞行航迹更新实时预测后的航迹，可以减小航迹预测模型预测的误差，解决了现有技术中的高空气球航迹的预测方法无法同时满足简便预测和高精确度的要求的技术问题。因此，通过本发明上述实施例提供的方案，可以达到简便易用，精确预测的效果。

可选地，在本发明上述实施例中，步骤S102，建立高空气球的航迹预测模型至少包括：

步骤S1022，根据高空气球的动力学信息，得到动力学模型，其中，动力学信息至少包括：高空气球的质量、高空气球的参考面积和高空气球的速度。

具体的，上述的高空气球的质量可以包括整个高空气球的结构材料的质量，囊体内充入的氦气质量和附加空气质量，上述的高空气球的速度可以包括高空气球在垂直方向速度和水平方向速度。

在一种可选的方案中，可以采用单刚体动力学建模方法，可以将高空气球考虑成三自由度，不考虑姿态，也可以考虑六自由度刚体建模，受力分为重力，浮力，阻力，附加质量力，控制力。可以将东、北、天三个方向分别定义为地面惯性坐标系的x，y，z正向，即向东为x正向，向北为y正向，向上为z正向。对于高空气球，飞行过程中，受到的作用力主要有浮力，重力，附加质量力，气动力，由于高空气球的姿态变化对于受力影响较小，可以忽略球的姿态变化而将其看成质点，故竖直方向其质点动力学模型如下：

其中，M为整个系统的质量，包括结构材料质量，氦气质量，附加空气质量，充放气过程中h为高空气球的高度，F_he为高空气球所受的浮力，F_dz为高空气球垂直方向所受的空气阻力，G为高空气球所受的重力。

其竖直速度与高度的关系如下式所示：

空气阻力大小与空气密度ρ，垂直方向的阻力系数C_dz，囊体参考面积S，高空气球的垂直速度v_z(忽略垂直风)有关，F_dz如下式所示：

重力与高空气球重量M，当地重力加速度g有关，重力加速度随高度变化，G如下式所示：

G＝Mg。

浮力与空气密度ρ，囊体体积V，重力加速度g有关，F_he如下式所示：

F_he＝ρVg。

水平面受到的力是风引起的空气阻力，动力学方程如下所示：

其中，C_dx和C_dy分别为x和y方向的阻力系数，v_x和v_y分别为高空气球在x和y方向的速度，v_xwind和v_ywind分别为风在x和y方向的速度。

水平方向的运动学方程如下所示：

步骤S1024，根据高空气球的热环境信息，得到热力学模型，其中，热环境信息至少包括：囊体光学特性参数和热环境参数。

具体的，上述的囊体光学特性参数可以包括：囊皮材料对太阳光的吸收率和透射率，高空气球的照射投影面积，囊体的外露面积，囊体蒙皮材料对红外辐射的吸收率和透射率，蒙皮的红外发射率，蒙皮平均温度，外部和内部对流换热系数，有效对流面积，氦气的平均温度，蒙皮比热容，蒙皮质量，氦气的定压比热容和定体积比热容，囊体体积；上述的热环境参数可以包括：太阳辐射强度，大气对太阳光的透射率，太阳高度角，地面平均反照率，高空气球表面对地球表面的角系数，地面平均发射率，大气对地面红外辐射的透射率，地面温度，大气红外辐射强度，空气的平均温度。

在一种可选的方案中，热力学模型包含太阳直射辐射、太阳反射、大气散射、地面红外辐射、蒙皮红外辐射、对流换热等热源，可以根据实际状况获取囊体光学特性参数以及热环境参数，并根据获取到的热环境信息得到热力学模型。

可选地，在本发明上述实施例中，步骤S1024，根据高空气球的热环境信息，得到热力学模型包括：

步骤S10242，根据高空气球的热环境信息，得到高空气球的热源模型，其中，热源至少包括：太阳直射辐射、太阳反射、大气散射、地面红外辐射、蒙皮红外辐射、大气红外辐射和对流换热。

在一种可选的方案中，热源主要有以下几种：

(1)直接太阳辐射，对直接太阳辐射的吸收包括外表面的吸收和透过蒙皮由内表面的吸收，而内表面由于多次反射的作用会提高内部的有效吸收率。假设囊皮材料对太阳光的吸收率与透射率分别为α和τ，反射率为r＝1-α-τ，有效反射率r_effective＝r+r²+r³+…，容易得到对太阳直接辐射的吸收为：

其中，A_project为对高空气球的照射投影面积，由几何模型获得；I_Sun为太阳辐射强度；τ_atm是大气对太阳光的透射率。

(2)大气散射，对于大气散射，可以由下式得到：

其中，κ为大气散射经验系数，通常取0.1；A_surf为囊体的外露面积。

(3)地球反照辐射，对地面反照辐射吸收为：

其中，q_Albedo＝AlbedoI_Sun sin(ELV)；ELV为太阳高度角，特别地，太阳高度角小于0时，q_Albedo＝0；Albedo为地面平均反照率，与经度和当地气象条件有关，一般取0.3；ViewFactor为高空气球表面对地球表面的角系数，与高度有关。

(4)地面红外辐射，地面红外辐射强度可以由斯特潘-波尔茨曼定理计算：

其中，α_IR和τ_IR分别为囊体蒙皮材料对红外辐射的吸收率和透射率；ε_ground为地面平均发射率，取0.95，σ为斯特潘-波尔茨曼常数，τ_atmIR为大气对地面红外辐射的透射率，T_ground为地面温度，蒙皮材料对红外辐射的反射率r_IR＝1-α_IR-τ_IR。

(5)蒙皮的红外辐射，囊体蒙皮的内外表面均向外辐射热量，内表面辐射的热量会有部分被蒙皮吸收，故蒙皮的红外辐射包括蒙皮对外的红外辐射以及蒙皮吸收的红外辐射，可以由下式得到蒙皮对外的红外辐射Q_IRFilm和蒙皮吸收的红外辐射Q_IRout：

其中，ε为蒙皮的红外发射率，假设满足基尔霍夫定理，红外发射率等于红外吸收率；T_film为蒙皮平均温度。

(6)大气红外辐射，对于大气红外辐射，可以由下式得到：

其中，大气等效温度I_IRsky为大气红外辐射强度。

(7)对流换热，对流换热包括外表面与大气环境的对流换热以及内表面与氦气间的对流换热，蒙皮的对流换热为：

Q_convExt＝HC_externalA_effective(T_air-T_film)，

Q_convInt＝HC_internalA_effective(T_film-T_gas)，

其中，HC_external和HC_internal分别为外部和内部对流换热系数，可由经验公式获得；A_effective为有效对流面积，由几何模型获得；T_air和T_gas分别为空气和氦气的平均温度。

步骤S10244，根据高空气球的热源模型，得到热力学模型。

在一种可选的方案中，高空气球温度微分方程，即热力学微分方程为：

其中，c_f为蒙皮比热容，M_film为蒙皮质量；γ＝c_p/c_v，c_p，c_v分别为氦气的定压比热容和定体积比热容，M_gas为氦气质量，Volume为囊体体积，Q表示各种热源。

可选地，在本发明上述实施例中，步骤S104，获取高空气球的当前状态和风场数据包括：

步骤S1042，通过惯性导航设备和测控设备得到当前状态。

在一种可选的方案中，可以由高空气球上安装的惯性导航设备和测控设备得到位置、速度信息，以及高空气球的氦气量，温度，压强等当前状态。

步骤S1044，通过探空气球得到风场数据。

在一种可选的方案中，风速风向等风场数据可以由放飞探空气球获得或者由气象部门获取。

可选地，在本发明上述实施例中，航迹预测模型还包括：放气模型，其中，步骤S102，建立高空气球的航迹预测模型包括：

步骤S1026，根据高空气球的压力信息，得到放气模型，其中，压力信息至少包括：高空气球的内部压力和高空气球的外部压力，放气模型至少包括：放气速度和放气质量。

在一种可选的方案中，在高空气球放气时，内部氦气的气压要大于外部空气的气压，根据伯努利原理可知，有下式成立：

其中，ρ_he为氦气的密度，P_he为球内氦气的压强，P为球外空气的压强，v为放气速度，由此可得到的表达式如下所示：

其中，△P为压强差，即，△P＝P_he-P，则氦气质量的微分方程如下式所示：

其中，S′为放气阀门面积，m为氦气的放气质量。

此处需要说明的是，高空气球的囊体由于加工等原因造成的囊体泄露也可以用等效泄露面积来计算氦气泄露量。

可选地，在本发明上述实施例中，在根步骤S106，据当前状态和风场数据，通过航迹预测模型，得到高空气球的航迹之后，该方法还包括：

步骤S108，根据当前状态，通过放气模型，控制高空气球进行放气。

在一种可选的方案中，高空气球在飞行过程中会产生超压量，超压量超过囊体的耐压性能后会破坏囊体，为了保证飞行安全性，需要安装放气阀门进行超压放气控制。

图2是根据本发明实施例的一种可选的高空气球航迹的预测方法的示意图，下面结合图2对本发明一种优选的实施例进行详细说明，如图2所示，动力学模型：动力学模型是航迹预测的基础，高空气球之后的飞行航迹需要由动力学模型获得。动力学模型可以采用单刚体动力学建模方法，可以将高空气球考虑成三自由度，不考虑姿态，也可以考虑六自由度刚体建模，受力分为重力，浮力，阻力，附加质量力，控制力。热力学模型：热力学模型包含太阳直射辐射、太阳反射、大气散射、地面红外辐射、蒙皮红外辐射、对流换热等热源，可以根据实际状况获取囊体光学特性参数以及热环境参数。当前状态：包括位置、速度信息，以及高空气球的氦气量，温度，压强等信息，可以由惯性导航设备和测控设备得到。预测风场数据：高空气球在飞行过程中，由于其体型巨大，受到风的作用影响巨大，航迹预测需要有准确的风速风向信息，风速风向等风场数据可以由放飞探空气球获得或者由气象部门获取。

此处需要说明的是，动力学模型和预测风场数据可以由不同的方式得到，其组成的任意方式都是本发明上述实施例的具体实施方式。

通过本发明上述实施例，提供一种高空气球航迹实时预测方法，结合真实飞行航迹与模型预测航迹的优点，利用当前真实飞行航迹作为模型预测的输入，基于高空气球动力学与热力学模型预测之后的航迹，真实航迹更新可以实时预测之后的航迹，同时，真实航迹的输入可以减小模型预测的误差，使得本技术方案同时拥有简便易用与精确预测的优点。上述方法不仅适用于无动力高空气球飞行过程中的航迹预测，同时适用于无动力高空气球在地面的落点预测与飞行过程的轨迹预测，一般平流层飞行器动力小，飞行主要受风场影响，也可应用于小动力高空气球航迹预测。

实施例2

根据本发明实施例，提供了一种高空气球航迹的预测装置实施例。

图3是根据本发明实施例的一种高空气球航迹的预测装置的示意图，如图3所示，该装置包括：

建立单元31，用于建立高空气球的航迹预测模型，其中，航迹预测模型至少包括：动力学模型和热力学模型。

具体的，高空气球可以是平流层高空气球，由一个浮升囊体和挂接在囊体下端的吊舱组成，囊体内充入氦气，以高空气球所需要的浮力。

在一种可选的方案中，动力学模型是航迹预测的基础，高空气球的飞行航迹需要由动力学模型获得。高空气球是一个气体浮空器，其浮力大小受热环境影响，氦气在球体中满足理想气体状态方程为：PV＝nRT，其中，P为氦气的压强，V为氦气的体积，即球体体积，n为氦气的物质的量，R气体常数，T为氦气的热力学温度。在上升过程中，囊体体积会随温度变化而变化，在囊体到达最大体积后，温度继续增大就会产生超压量，所以需要建立高空飞行过程中的热力学模型，得到囊体内的氦气的温度变化。因此，在对高空气球进行航迹预测之前，需要建立高空气球的动力学模型和热力学模型。

获取单元33，用于获取高空气球的当前状态和风场数据，其中，当前状态至少包括：位置信息、速度信息、氦气量、温度和压强，风场数据至少包括：风向数据和风速数据。

处理单元35，用于根据当前状态和风场数据，通过航迹预测模型，得到高空气球的航迹。

在一种可选的方案中，高空气球在飞行过程中，由于其体型巨大，受到风的作用影响巨大，航迹预测需要有准确的风速风向信息，在建立高空气球的动力学模型和热力学模型之后，可以获取高空气球的当前时刻的真实状态和风场数据，通过动力学模型与热力学模型预测之后时间的飞行轨迹即航迹。

根据本发明上述实施例，建立单元建立高空气球的航迹预测模型，获取单元获取高空气球的当前状态和风场数据，处理单元根据当前状态和风场数据，通过航迹预测模型，得到高空气球的航迹。容易注意到的是，通过航迹预测模型预测高空气球的航迹，可以简化预测过程，将根据当前状态和风场数据作为航迹预测模型的输入，通过高空气球的真实飞行航迹更新实时预测后的航迹，可以减小航迹预测模型预测的误差，解决了现有技术中的高空气球航迹的预测方法无法同时满足简便预测和高精确度的要求的技术问题。因此，通过本发明上述实施例提供的方案，可以达到简便易用，精确预测的效果。

可选地，在本发明上述实施例中，建立单元至少包括：

第一处理模块，用于根据高空气球的动力学信息，得到动力学模型，其中，动力学信息至少包括：高空气球的质量、高空气球的参考面积和高空气球的速度。

具体的，上述的高空气球的质量可以包括整个高空气球的结构材料的质量，囊体内充入的氦气质量和附加空气质量，上述的高空气球的速度可以包括高空气球在垂直方向速度和水平方向速度。

在一种可选的方案中，可以采用单刚体动力学建模方法，可以将气球考虑成三自由度，不考虑姿态，也可以考虑六自由度刚体建模，受力分为重力，浮力，阻力，附加质量力，控制力。可以将东、北、天三个方向分别定义为地面惯性坐标系的x，y，z正向，即向东为x正向，向北为y正向，向上为z正向。对于高空气球，飞行过程中，受到的作用力主要有浮力，重力，附加质量力，气动力，由于高空气球的姿态变化对于受力影响较小，可以忽略球的姿态变化而将其看成质点，故竖直方向其质点动力学模型如下：

其中，M为整个系统的质量，包括结构材料质量，氦气质量，附加空气质量，充放气过程中h为高空气球的高度，F_he为高空气球所受的浮力，F_dz为高空气球垂直方向所受的空气阻力，G为高空气球所受的重力。

其竖直速度与高度的关系如下式所示：

空气阻力大小与空气密度ρ，垂直方向的阻力系数C_dz，囊体参考面积S，高空气球垂直速度v_z(忽略垂直风)有关，F_dz如下式所示：

重力与气球重量M，当地重力加速度g有关，重力加速度随高度变化，G如下式所示：

G＝Mg。

浮力与空气密度ρ，囊体体积V，重力加速度g有关，F_he如下式所示：

F_he＝ρVg。

水平面受到的力是风引起的空气阻力，动力学方程如下所示：

其中，C_dx和C_dy分别为x和y方向的阻力系数，v_x和v_y分别为高空气球在x和y方向的速度，v_xwind和v_ywind分别为风在x和y方向的速度。

水平方向的运动学方程如下所示：

第二处理模块，用于根据高空气球的热环境信息，得到热力学模型，其中，热环境信息至少包括：囊体光学特性参数和热环境参数。

具体的，上述的囊体光学特性参数可以包括：囊皮材料对太阳光的吸收率和透射率，高空气球的照射投影面积，囊体的外露面积，囊体蒙皮材料对红外辐射的吸收率和透射率，蒙皮的红外发射率，蒙皮平均温度，外部和内部对流换热系数，有效对流面积，氦气的平均温度，蒙皮比热容，蒙皮质量，氦气的定压比热容和定体积比热容，囊体体积；上述的热环境参数可以包括：太阳辐射强度，大气对太阳光的透射率，太阳高度角，地面平均反照率，高空气球表面对地球表面的角系数，地面平均发射率，大气对地面红外辐射的透射率，地面温度，大气红外辐射强度，空气的平均温度。

在一种可选的方案中，热力学模型包含太阳直射辐射、太阳反射、大气散射、地面红外辐射、蒙皮红外辐射、对流换热等热源，可以根据实际状况获取囊体光学特性参数以及热环境参数，并根据获取到的热环境信息得到热力学模型。

可选地，在本发明上述实施例中，第二处理模块包括：

第一处理子模块，用于根据高空气球的热环境信息，得到高空气球的热源模型，其中，热源至少包括：太阳直射辐射、太阳反射、大气散射、地面红外辐射、蒙皮红外辐射、大气红外辐射和对流换热。

在一种可选的方案中，热源主要有以下几种：

(1)直接太阳辐射，对直接太阳辐射的吸收包括外表面的吸收和透过蒙皮由内表面的吸收，而内表面由于多次反射的作用会提高内部的有效吸收率。假设囊皮材料对太阳光的吸收率与透射率分别为α和τ，反射率为r＝1-α-τ，有效反射率r_effective＝r+r²+r³+…，容易得到对太阳直接辐射的吸收为：

其中，A_project为对高空气球的照射投影面积，由几何模型获得；I_Sun为太阳辐射强度；τ_atm是大气对太阳光的透射率。

(2)大气散射，对于大气散射，可以由下式得到：

其中，κ为大气散射经验系数，通常取0.1；A_surf为囊体的外露面积。

(3)地球反照辐射，对地面反照辐射吸收为：

其中，q_Albedo＝AlbedoI_Sun sin(ELV)；ELV为太阳高度角，特别地，太阳高度角小于0时，q_Albedo＝0；Albedo为地面平均反照率，与经度和当地气象条件有关，一般取0.3；ViewFactor为高空气球表面对地球表面的角系数，与高度有关。

(4)地面红外辐射，地面红外辐射强度可以由斯特潘-波尔茨曼定理计算：

其中，α_IR和τ_IR分别为囊体蒙皮材料对红外辐射的吸收率和透射率；ε_ground为地面平均发射率，取0.95，σ为斯特潘-波尔茨曼常数，τ_atmIR为大气对地面红外辐射的透射率，T_ground为地面温度，蒙皮材料对红外辐射的反射率r_IR＝1-α_IR-τ_IR。

(5)蒙皮的红外辐射，囊体蒙皮的内外表面均向外辐射热量，内表面辐射的热量会有部分被蒙皮吸收，故蒙皮的红外辐射包括蒙皮对外的红外辐射以及蒙皮吸收的红外辐射，可以由下式得到蒙皮对外的红外辐射Q_IRFilm和蒙皮吸收的红外辐射Q_IRout：

其中，ε为蒙皮的红外发射率，假设满足基尔霍夫定理，红外发射率等于红外吸收率；T_film为蒙皮平均温度。

(6)大气红外辐射，对于大气红外辐射，可以由下式得到：

其中，大气等效温度I_IRsky为大气红外辐射强度。

(7)对流换热，对流换热包括外表面与大气环境的对流换热以及内表面与氦气间的对流换热，蒙皮的对流换热为：

Q_convExt＝HC_externalA_effective(T_air-T_film)，

Q_convInt＝HC_internalA_effective(T_film-T_gas)，

其中，HC_external和HC_internal分别为外部和内部对流换热系数，可由经验公式获得；A_effective为有效对流面积，由几何模型获得；T_air和T_gas分别为空气和氦气的平均温度。

第二处理子模块，用于根据高空气球的热源模型，得到热力学模型。

在一种可选的方案中，高空气球温度微分方程，即热力学微分方程为：

其中，c_f为蒙皮比热容，M_film为蒙皮质量；γ＝c_p/c_v，c_p，c_v分别为氦气的定压比热容和定体积比热容，M_gas为氦气质量，Volume为囊体体积，Q表示各种热源。

可选地，在本发明上述实施例中，获取单元包括：

第三处理模块，用于通过惯性导航设备和测控设备得到当前状态。

在一种可选的方案中，可以由高空气球上安装的惯性导航设备和测控设备得到位置、速度信息，以及高空气球的氦气量，温度，压强等当前状态。

第四处理模块，用于通过探空气球得到风场数据。

在一种可选的方案中，风速风向等风场数据可以由放飞探空气球获得或者由气象部门获取。

可选地，在本发明上述实施例中，航迹预测模型还包括：放气模型，其中，建立单元包括：

建立模块，用于根据高空气球的压力信息，得到放气模型，其中，压力信息至少包括：高空气球的内部压力和高空气球的外部压力，放气模型至少包括：放气速度和放气质量。

在一种可选的方案中，在高空气球放气时，内部氦气的气压要大于外部空气的气压，根据伯努利原理可知，有下式成立：

其中，ρ_he为氦气的密度，P_he为球内氦气的压强，P为球外空气的压强，v为放气速度，由此可得到的表达式如下所示：

其中，△P为压强差，即，△P＝P_he-P，则氦气质量的微分方程如下式所示：

其中，S′为放气阀门面积，m为氦气的放气质量。

此处需要说明的是，高空气球的囊体由于加工等原因造成的囊体泄露也可以用等效泄露面积来计算氦气泄露量。

可选地，在本发明上述实施例中，该装置还包括：

控制单元，用于根据当前状态，通过放气模型，控制高空气球进行放气。

在一种可选的方案中，高空气球在飞行过程中会产生超压量，超压量超过囊体的耐压性能后会破坏囊体，为了保证飞行安全性，需要安装放气阀门进行超压放气控制。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种高空气球航迹的预测方法，其特征在于，包括：

建立高空气球的航迹预测模型，其中，所述航迹预测模型至少包括：动力学模型和热力学模型；

获取所述高空气球的当前状态和风场数据，其中，所述当前状态至少包括：位置信息、速度信息、氦气量、温度和压强，所述风场数据至少包括：风向数据和风速数据；

根据所述当前状态和风场数据，通过所述航迹预测模型，得到所述高空气球的航迹。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立高空气球的航迹预测模型至少包括：

根据所述高空气球的动力学信息，得到所述动力学模型，其中，所述动力学信息至少包括：所述高空气球的质量、所述高空气球的参考面积和所述高空气球的速度；

根据所述高空气球的热环境信息，得到所述热力学模型，其中，所述热环境信息至少包括：囊体光学特性参数和热环境参数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述高空气球的热环境信息，得到所述热力学模型包括：

根据所述高空气球的热环境信息，得到所述高空气球的热源模型，其中，所述热源至少包括：太阳直射辐射、太阳反射、大气散射、地面红外辐射、蒙皮红外辐射、大气红外辐射和对流换热；

根据所述高空气球的热源模型，得到所述热力学模型。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取所述高空气球的当前状态和风场数据包括：

通过惯性导航设备和测控设备得到所述当前状态；

通过探空气球得到所述风场数据。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，所述航迹预测模型还包括：放气模型，其中，建立高空气球的航迹预测模型包括：

根据所述高空气球的压力信息，得到所述放气模型，其中，所述压力信息至少包括：所述高空气球的内部压力和所述高空气球的外部压力，所述放气模型至少包括：放气速度和放气质量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在根据所述当前状态和风场数据，通过所述航迹预测模型，得到所述高空气球的航迹之后，所述方法还包括：

根据所述当前状态，通过所述放气模型，控制所述高空气球进行放气。

7.一种高空气球航迹的预测装置，其特征在于，包括：

建立单元，用于建立高空气球的航迹预测模型，其中，所述航迹预测模型至少包括：动力学模型和热力学模型；

获取单元，用于获取所述高空气球的当前状态和风场数据，其中，所述当前状态至少包括：位置信息、速度信息、氦气量、温度和压强，所述风场数据至少包括：风向数据和风速数据；

处理单元，用于根据所述当前状态和风场数据，通过所述航迹预测模型，得到所述高空气球的航迹。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述建立单元至少包括：

第一处理模块，用于采用单刚体动力学建模装置，得到所述动力学模型；

第二处理模块，用于根据所述高空气球的热环境信息，得到所述热力学模型，其中，所述热环境信息至少包括：囊体光学特性参数和热环境参数。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二处理模块包括：

第一处理子模块，用于根据所述高空气球的热环境信息，得到所述高空气球的热源模型，其中，所述热源至少包括：太阳直射辐射、太阳反射、大气散射、地面红外辐射、蒙皮红外辐射、大气红外辐射和对流换热；

第二处理子模块，用于根据所述高空气球的热源模型，得到所述热力学模型。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述获取单元包括：

第三处理模块，用于通过惯性导航设备和测控设备得到所述当前状态；

第四处理模块，用于通过探空气球得到所述风场数据。

11.根据权利要求7至10中任意一项所述的装置，其特征在于，所述航迹预测模型还包括：放气模型，其中，所述建立单元包括：

建立模块，用于根据伯努利原理，建立所述放气模型，其中，所述放气模型至少包括：放气速度和放气质量。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

控制单元，用于根据所述当前状态，通过所述放气模型，控制所述高空气球进行放气。