[发明专利]平流层超压气球三维航迹规划方法

说明书

本公开提供了一种平流层超压气球三维航迹规划方法，包括：根据分解给超压气球的期望驻留目标位置，选择包括期望驻留位置和范围的轨迹空间并进行立方体网格划分；利用魔方搜索法，通过估计算法对环境大数据变化的预测，计算经过一时间间隔到达每个相邻立方体网格的概率；基于马尔科夫决策过程在整个轨迹空间内进行路径规划，根据所述路径规划进行实际控制，并根据实际控制结果与路径规划结果的滚动累计进行奖惩，以确定后续规划和控制；根据实际控制结果对环境大数据进行增强更新。本公开平流层超压气球三维航迹规划方法，通过对驻留及载荷指向的控制，实现了长期可靠驻足，满足了在空间信息网中的应用需求。

技术领域

本公开涉及空间信息网络技术领域，具体涉及一种平流层超压气球三维航迹规划方法。

背景技术

空间信息网络是以空间平台(如同步卫星或中、低轨道卫星/星座、临近空间浮空器或无人机等)为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。作为国家重要基础设施，空间信息网络在服务远洋航行、应急救援、导航定位、航空运输、航天测控等重大应用同时，还可支持对地观测高动态、宽带实时传输，以及深空探测的超远程、大时延可靠传输，从而将人类科学、文化、生产活动拓展至空间、远洋、乃至深空，是全球范围的研究热点。

临近空间平台一般指的是运行在临近空间的浮空器或飞机，距离地面17～22km。这类平台具有快速延伸通信距离的能力，并且可以为大量用户提供服务，而需要的通信设施比地面网络要少的都。因此，临近空间平台与地面网络接近，同时能够保持广域覆盖的特点，意味着临近空间平台兼具了地面网络和卫星通信的优点。但是尚未有一种可以长期驻留的可靠平台，临近空间平台在空间信息网中的应用研究并不像卫星平台那样活跃。

1临近空间浮空器平台发展

临近空间平台技术的研究贯穿从平台设计、制造、放飞、飞行控制、回收到系统支持与维护的全部流程，是典型的跨学科、综合性强的高新技术，涉及材料、结构、能源、热控、推进、控制、空间环境等诸多领域，目前比较清晰的两条技术路线分别为临近空间浮空器和临近空间太阳能长航时无人机。后者目前仅有空客的西风7达到了20公里高度，最大续航14天，具备一定的应用能力，但有效载荷小于5kg，有较大局限性。其它型号都尚未达到长期驻留。

1.1平流层飞艇发展

2003年11月美国空军的攀登者(Ascender)飞艇未携带任何有效载荷到达30km高空，并在地面控制下成功返回，成为第一个进入临近空间并完成回收的飞艇。2005年11月，美国陆军航天司令部的高空哨兵(Hisentinel)飞艇飞行高度达到22.6km，驻空5小时，带动力飞行小于1小时，载重9.1kg，成为迄今为止真正实现有动力飞行且飞行高度最高的飞艇。2010年11月，改进后的高空哨兵飞艇载重36.3kg，载荷功率50W，飞行高度20.21km，飞行时间8小时，如图1所示。

2005年底，美国MDA宣布正式启动HAA项目。HAA的最终演示验证飞艇HALE-D(HighAltitude Long Endurance-Demonstrator)的技术指标为：飞行高度18.3km，驻空时间大于15天，有效载荷为遥感和对地通信设备。HALE-D于2011年7月升空试验，但因出现技术异常于升空当天即坠毁，如图2所示。

在国内，中科院光电院遵循“高空气球→非成形升空动力飞艇→成形升空动力飞艇”的循序渐进发展模式，对临近空间飞艇的全飞行剖面测控通讯、飞行控制、航电、轨迹预测和任务规划方面开展了系统性的研究工作。在2011年研制并飞行了KFG30A、KFG30B、KFG44三艘飞艇，最大飞行高度16.6km。2012年8月，首次成功完成了平流层飞艇的飞行试验，是当时国内外目前体积最大、推进功率最大的受控平流层飞艇，在国际上首次实现了平流层高度的自动驾驶飞行、遥控飞行和成形下降试验，飞行试验结果表明我国平流层飞艇技术已达到了国际一流水平，如图3所示。

虽然国内外在平流层飞艇上取得了一定的进展，但尚未达到长期驻空应用的能力。