CN109292071B - 超压气球平流层区域驻留装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种超压气球平流层区域驻留装置，包括：主超压气球，为具有载荷承载能力的浮力体，具备调节自身高度进入不同的风层能力；至少两个辅助气球，通过系缆与主超压气球连接，通过浮力分配分别漂浮于主超压气球的上方和下方。利用超压气球区域驻留装置，依靠单个主超压球即可完成区域驻留飞行，并且通过采用单个主超压气球与多个辅助气球的组合，大大降低了对风场预报的精度要求。

Description

超压气球平流层区域驻留装置及方法

技术领域

本公开涉及浮空器领域，尤其涉及一种超压气球平流层区域驻留装置及方法。

背景技术

近年来，在区域大气环境监测、防灾减灾、高分辨率实时监视、区域通信等需求的驱动下，以平流层飞艇、超压气球为代表的高空驻空型飞行器引起了各国的普遍重视，包括中国在内的世界主要国家陆续启动了相关的研究计划，开始了较深入的研究开发工作。

平流层底部有一段区域处于东风和西风的交界处，风速较小。这一特征在夏季尤为明显，被称为“准零风层”。对准零风层的运用也是包括平流层飞艇、超压气球等浮空器实现区域驻留的核心问题之一。

超压气球通过几十年的发展，通过球体的特殊设计，具备了持久驻空的固有优点。但对于区域驻留来说，即便进入了“准零风层”，由于准零风层内风场变化的复杂性，对航迹的预测与主动控制仍是一个至关重要的研究领域，是持久驻空的重要保障。

准零风层通常在夏季存在，但在准零风层内部风速和风向变化明显。对于长时区域驻空来说，这些变化会起到至关重要的作用。实际探空数据表明，在仅仅相差几百米的高度层，风速和风向都会变化较大。这种细节的变化在包括ECWMF、GRAPS-GFS、NCEP-GFS等在内的各大全球风场预报模型中均难以精确预测。请参阅图1，为中国北方某地2018年8月10日的气象预报数据和实际探空数据的对比图(以东西风为例)。其中右上角为17-22公里风速细节图。从中可以看出，尽管气象预报数据能够给出准零风层的大致高度和厚度，但是在准零风层区域内，风速和风向变化依然较为显著。这些风速风向变化细节依靠气象预报数据难以刻画，而这些细节正是保障长时驻空所要关注的重点。

利用单超压气球进行长时驻空试验时，往往无法准确获知其驻空高度上下的风场变化情况。若利用多个单独的超压气球进行区域组网，不同超压气球的位置差异往往也意味着局部风场的差异，对某个需要单独调节高度的超压气球能给出的参考信息有限。同时多个超压气球区域组网无疑增加了系统复杂度，带来使用上的不便。因此亟需一种超压气球在平流层准零风层区域驻留或者有效机动的方法及装置，降低对平流层区域风场预测和探测技术精度的要求，从而满足超压气球飞行控制需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种超压气球平流层区域驻留装置及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种超压气球平流层区域驻留装置，包括：主超压气球，作为具有载荷承载能力的浮力体，具备调节自身高度进入不同的风层能力；至少两个辅助气球，通过系缆与主超压气球连接，通过浮力分配分别漂浮于主超压气球的上方和下方。

在一些实施例中，所述主超压气球上设置有：高度调节单元，用于调节主超压气球的高度使其进入根据上下风层的风场信息确定的风层，所述上下风层的风场信息通过测量主超压气球和至少两个辅助气球的相对位置获得；系缆长度调节单元，用于通过对系缆的操纵控制各辅助气球的相对距离。

在一些实施例中，主超压气球和每个辅助气球均安装位置测量传感器和通信单元，用于获取相对位置；各气球的位置传感器单元连接到各自的通信单元，各通信单元连接至主超压气球的主控计算机或地面控制终端，所述主超压气球的主控计算机或地面控制终端连接到所述高度调节单元。

在一些实施例中，所述通信单元连接各测量传感器与主超压气球的主控计算机，其中所述通信单元为近场无线通信或有线连接。

在一些实施例中，所述通信单元连接各测量传感器与地面控制终端，其中所述通信单元为无线连接。

在一些实施例中，所述至少两个辅助气球包括第一辅助气球与第二辅助气球，其中所述第一辅助气球采用超压气球设计，其设计飘飞高度大于主超压气球；所述第二辅助气球采用零压球设计，该气球内部设计为重于空气的浮升气体，浮升气体注入后可确保该辅助气球总能够漂浮在主超压气球下方。

在一些实施例中，所述系缆长度在200米-500米之间。

根据本公开的另一个方面，通过了一种超压气球平流层区域驻留方法，包括：测量主超压气球与至少两个辅助气球的位置；高度调节决策单元获取所述主超压气球与至少两个辅助气球的位置，确定主超压气球需要进入的高度层，以及高度调节单元根据所述高度调节决策单元输出的结果调节主超压气球位置。

在一些实施例中，高度调节决策单元获取所述主超压气球与至少两个辅助气球的位置，确定主超压气球需要进入的高度层的步骤包括：当主超压气球与至少两个辅助气球上的位置获取模块获得各气球的位置信息后，发送至主超压气球的主控计算机或地面控制终端中的高度调节决策单元，高度调节决策单元从位置相互关系中获得上下高度层的风场信息，并根据驻空区域要求和风场信息，给出主超压气球需要进入的高度层。

在一些实施例中，高度调节单元根据所述高度调节决策单元输出的结果调节主超压气球位置的步骤包括：主超压气球的高度调节单元根据所述高度调节决策单元输出的结果调节其所在位置，所述至少两个辅助气球由于自身浮力分配，随主超压气球的高度变化而变化，实现区域驻留的整体目标。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开超压气球平流层区域驻留装置及方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)利用超压气球区域驻留装置，依靠单个主超压球即可完成区域驻留飞行，而非大量地释放超压气球；

(2)通过采用单个主超压气球与多个辅助气球的组合，大大降低了对风场预报的精度要求。本公开只要能够大致获知零风层高度，即可进行飞行试验，而无需大量而繁复地进行区域风场预报。

附图说明

图1为预报风场和实际探空数据在准零风层内的对比图。

图2为本公开实施例超压气球平流层区域驻留装置示意图。

图3为本公开实施例超压气球平流层区域驻留装置通讯接口拓扑图。

图4为本公开所述区域驻留方法流程图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1、主超压气球； 2、第一辅助气球

3、第二辅助气球； 4、第一系缆

5、第二系缆； 6、地面控制终端

11、第一位置测量传感器； 12、第一通信单元

13、主控计算机； 14、高度调节单元

21、第二位置测量传感器； 22、第二通信单元

31、第三位置测量传感器； 32、第三通信单元

具体实施方式

本公开提供了一种超压气球平流层区域驻留装置及方法，该装置包括一个主超压气球和至少两个与之通过柔性系缆相连的辅助气球。主超压气球为主要的浮力体，并具有高度调节能力，可通过高度调节进入不同的风层；所述至少两个辅助气球通过系缆与主超压气球连接，通过浮力分配分别使其飘飞在主超压气球的上方和下方。主超压气球通过系缆长度的变化，可对两个辅助气球的相对高度及相对距离进行调节。主超压气球和至少两个辅助气球由于所处的高度不同，局部风场也会不同，气球之间的相对位置会发生空间上的变化。通过测量上述主超压气球和至少两个辅助气球的相对位置，可以获得主超压气球上下风层的信息，从而为主超压气球提供风场信息。主超压气球根据上下高度层的风速风向等风场信息，调节自身驻空高度，以处于更有利的风层中，进而利用平流层准零风层的特点，实现长时区域驻留飞行。该装置作为一种创新的高空驻留平台，能够在大气环境监测、防灾减灾、高分辨率实时监视、区域通信等国计民生领域中产生巨大效益。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以由许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种超压气球平流层区域驻留装置。图2为本公开实施例超压气球平流层区域驻留装置的结构示意图。如图2所示，本实施例超压气球平流层区域驻留装置通过在主超压气球上连接两个辅助气球的方式，利用三个气球之间的相对位置，获得当地的风场情况，从而为超压气球高度调节提供决策输入。

在本公开一个实施例中，所述超压气球平流层区域驻留装置包括：主超压气球1、第一辅助气球2、第二辅助气球3、第一系缆4、第二系缆5、地面控制终端6、第一位置测量传感器11、第一通信单元12、主控计算机13、高度调节单元14、第二位置测量传感器21、第二通信单元22、第三位置测量传感器31以及第三通信单元32。

以下对本实施例超压气球平流层区域驻留装置的各个部分进行详细说明。

主超压气球1安装有高度调节单元14，具备高度调节能力，也是具备主要载荷承载能力的浮力体。第一辅助气球2通过第一系缆4与主超压气球1连接。优选地，第一辅助气球2可采用超压气球设计，其设计飘飞高度大于主超压气球1。浮升气体注入后可确保该辅助气球总能够漂浮在主超压气球上方。第二辅助气球3通过第二系缆5与主超压气球1连接。优选地，第二辅助气球3可采用零压球设计，该气球可设计为重于空气的(非浮力体)，浮升气体注入后可确保该辅助气球总能够漂浮在主超压气球1下方。

优选地，第一系缆4和第一系缆5长度可选择在200米-500米之间，确保本公开能够探测合适高度层内的风场情况。

主超压气球1上设置有系缆长度调节单元。优选地，当需要精细探测主超压气球附近风场时，可采用主超压气球1通过对第一系缆4和第二系缆5的操纵来控制各辅助气球的相对距离。

需说明的是，辅助气球2和3具体方式并不局限为上述优选方式，其主要目的是使辅助气球分别位于主超压气球的上方和下方。同样的，辅助气球的数量也并非固定为两个，也可以是一个或者多个。辅助气球的作用在于探测主超压气球附近高度层的风场情况。

续请参阅图3本公开装置的通讯接口拓扑图。主超压气球1安装第一位置测量传感器11、第一通信单元12以及主控计算机13和高度调节单元14。第一辅助气球2安装第二位置测量传感器21、第二通信单元22。第二辅助气球3安装第三位置测量传感器31、第三通信单元32。

优选地，第一位置测量传感器11、第二位置测量传感器21及第三位置测量传感器31可采用GNSS接收机，以获取该气球的位置信息。

优选地，第一通信单元12、第二通信单元22及第三通信单元32可采用ZigBee或者LoRa等近场无线通信手段，将各气球的位置传输给主超压气球主控计算机13，从而获得各气球之间的位置关系。

优选地，第一通信单元12、第二通信单元22及第三通信单元32也可采用第一系缆4和第二系缆5(附带电导线)的有线通信手段，将各气球的位置传输给主超压气球主控计算机13，从而获得各气球之间的位置关系。

优选地，第一通信单元12、第二通信单元22及第三通信单元32也可采用卫星链路或者视距链路等无线线通信手段，将各气球的位置传输给地面控制终端6，从而获得各气球之间的位置关系。

地面控制终端6或者主超压气球主控计算机13进行算法解算后，生成控制指令由主超压气球的高度调节单元14完成高度调节控制。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种超压气球平流层区域驻留方法。续请参阅图4所述区域驻留方法基本流程图。本公开的区域驻留方法即基于上述超压气球平流层区域驻留装置。本实施例超压气球平流层区域驻留方法包括：

测量三个气球的位置；

高度调节决策单元获取所述三个气球的位置，确定主超压气球需要进入的高度层，以及

高度调节单元根据所述高度调节决策单元输出的结果调节主超压气球位置。

通过三个气球上的位置获取模块获得各气球的位置信息。通过第一位置测量传感器11测量主超压气球1的位置，第二位置测量传感器21测量第一辅助气球的位置，以及第三位置测量传感器31测量第二辅助气球的位置。

当三个气球上的位置获取模块获得各气球的位置信息后，发送至高度调节决策单元。高度调节决策单元即可从位置相互关系中获得上下高度层的风场信息。根据驻空区域要求和风场信息，高度调节决策单元给出主超压气球1需要进入的高度层。其中，高度调节决策单元设置于地面控制终端6或者主超压气球的主控计算机13中。

主超压气球的高度调节单元14根据所述高度调节决策单元输出的结果调节其所在位置，辅助气球2和辅助气球3由于自身浮力分配已明确，即可随主超压气球1的高度变化而变化，从而实现区域驻留的整体目标。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超压气球平流层区域驻留装置，包括：

主超压气球，作为具有载荷承载能力的浮力体，具备调节自身高度进入不同的风层能力；

至少两个辅助气球，通过系缆与主超压气球连接，通过浮力分配分别漂浮于主超压气球的上方和下方；以及

高度调节单元，用于调节所述主超压气球的高度使其进入根据上下风层的风场信息确定的风层，所述上下风层的风场信息通过测量主超压气球和至少两个辅助气球的相对位置获得。

2.根据权利要求1所述的装置，主超压气球和每个辅助气球均安装位置测量传感器和通信单元，用于获取主超压气球和每个辅助气球的相对位置；各气球的位置传感器单元连接到各自的通信单元，各通信单元连接至主超压气球的主控计算机或地面控制终端，所述主超压气球的主控计算机或地面控制终端连接到所述高度调节单元。

3.根据权利要求2所述的装置，所述主超压气球上设置有系缆长度调节单元，用于通过对系缆的操纵控制各辅助气球的相对距离，所述系缆长度在200米-500米之间。

4.根据权利要求2所述的装置，所述通信单元连接各测量传感器与主超压气球的主控计算机，其中所述通信单元为近场无线通信或有线连接。

5.根据权利要求2所述的装置，所述通信单元连接各测量传感器与地面控制终端，其中所述通信单元为无线连接。

6.根据权利要求1所述的装置，所述至少两个辅助气球包括第一辅助气球与第二辅助气球，其中

所述第一辅助气球采用超压气球设计，其设计飘飞高度大于主超压气球；

所述第二辅助气球采用零压球设计，该气球内部设计为重于空气的浮升气体，浮升气体注入后可确保该辅助气球总能够漂浮在主超压气球下方。

7.一种超压气球平流层区域驻留方法，采用如权利要求1-6任一项所述的超压气球平流层区域驻留装置，包括：

测量主超压气球与至少两个辅助气球的位置；

高度调节决策单元获取所述主超压气球与至少两个辅助气球的位置，确定主超压气球需要进入的高度层，以及

高度调节单元根据所述高度调节决策单元输出的结果调节主超压气球位置。

8.根据权利要求7所述的方法，高度调节决策单元获取所述主超压气球与至少两个辅助气球的位置，确定主超压气球需要进入的高度层的步骤包括：

当主超压气球与至少两个辅助气球上的位置获取模块获得各气球的位置信息后，发送至主超压气球的主控计算机或地面控制终端中的高度调节决策单元，高度调节决策单元从位置相互关系中获得上下高度层的风场信息，并根据驻空区域要求和风场信息，给出主超压气球需要进入的高度层。

9.根据权利要求7所述的方法，高度调节单元根据所述高度调节决策单元输出的结果调节主超压气球位置的步骤包括：

主超压气球的高度调节单元根据所述高度调节决策单元输出的结果调节其所在位置，所述至少两个辅助气球由于自身浮力分配，随主超压气球的高度变化而变化，实现区域驻留的整体目标。