[发明专利]一种中低空气球飞行航迹预测方法

权利要求书

1.一种中低空气球飞行航迹预测方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，获取气球系统参数，以及气球的预定任务飞行高度和降落点；

S2，根据给定的实际放飞区域的环境参数，插值得到气球从地面到预定任务飞行高度之间任意高度的环境参数；

S3，根据气球到达所述预定任务飞行高度时需处于重浮力平衡状态，计算气球在地面放飞时的配重；

S4，建立气球上升过程中的热力学方程；

S5，建立气球上升过程中的动力学方程；

S6，建立气球上升过程中的运动学方程；

S7，根据气球的预定任务飞行高度和降落点、气球从地面到预定任务飞行高度之间任意高度的环境参数、气球在地面放飞时的配重、气球上升过程中的热力学方程、气球上升过程中的动力学方程以及气球上升过程中的运动学方程，反推得到气球的放飞点，气球从地面到平飞阶段起点的上升轨迹，以及气球平飞阶段的运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种中低空气球飞行航迹预测方法，其特征在于，

S1中所述气球系统参数至少包括：气球上升目标海拔高度，气球放飞点目标海拔高度，预定任务飞行高度与气球放飞点之间的压力差，升力球压差，升力球直径，升力球质量，任务载荷总质量以及升力球实际体积。

3.根据权利要求1所述的一种中低空气球飞行航迹预测方法，其特征在于，

S2中所述某一高度的环境参数至少包括：该高度的气压、温度、露点温度、风向以及风速。

4.根据权利要求1所述的一种中低空气球飞行航迹预测方法，其特征在于，

S3中，计算气球在地面放飞时的配重具体为：

气球配重＝(ρ_{h_air}-ρ_{h_He})*V-m

式中ρ_{h_air}为气球上升至预定任务飞行高度后的空气密度，ρ_{h_He}为气球上升至预定任务飞行高度后的氦气密度，V为气球上升至预定高度后的体积，m为气球整体的质量。

5.根据权利要求1所述的一种中低空气球飞行航迹预测方法，其特征在于，

S4中，将太阳辐射公式作为气球上升过程中的热力学模型；

太阳辐射公式表示为：

I_sun,d＝I_sun×τ_atm

式中I_sun,d为太阳直接辐射，τ_atm为大气透射率，I_sun为大气层外的太阳辐照量，m_a,r为大气透过率，TA为平均近点角。

6.根据权利要求1所述的一种中低空气球飞行航迹预测方法，其特征在于，

S5中，建立气球上升过程中的动力学方程具体为：

将动力学方程简化为水平方向的运动和垂直方向的运动：

式中，m为气球整体的质量，B为气球实时阿基米德浮力，G为重力，C_d为实时阻力系数,ρ_air为实时空气密度，ρ_He为实时氦气密度，v为实时气球速度，U为球体体积；F_adm,1、F_adm,2分别为垂直方向与水平方向的附加惯性力。

7.根据权利要求6所述的一种中低空气球飞行航迹预测方法，其特征在于，

所述实时阻力系数C_d的计算为：

其中，Re为雷诺数。

8.根据权利要求1所述的一种中低空气球飞行航迹预测方法，其特征在于，

S6中，建立气球上升过程中的运动学方程具体为：

式中x(i)为气球水平面上东西方向位移，y(i)为气球水平面上南北方向位移，h(i)为气球垂直方向的高度位移，V_h为气球上升速度，i表示某时刻。

9.根据权利要求1所述的一种中低空气球飞行航迹预测方法，其特征在于，所述方法还包括：

在气球到达预定任务飞行高度完成任务，并到达降落点后，执行降落指令，气球开始降落形成气球降落轨迹，由气球上升轨迹、气球平飞阶段的运动轨迹以及气球降落轨迹组成完整的气球飞行航迹。