临近空间球载飞行器投放控制关键技术综述

临近空间作为地球新的认知领域和重要的国家安全空间逐渐受到世界主要大国的重视.临近空间飞行器球载投放起飞方式能够使飞行器快速达到期望的飞行高度,同时减少因穿越对流层稠密大气所需的能源消耗,因而受到广泛关注并迅速发展成为临近空间飞行器起飞的一种重要方式.独特的球载投放起飞方式对高空气球及被投放飞行器的多项控制关键技术提出了较高的要求,高空低密度的飞行环境使得低速飞行具有明显的低雷诺数特性,随高度剧烈变化的风场增加了球载平台定点区域驻空的难度,载球系统上升过程的旋转运动给投放控制带来巨大的干扰,投放时刻的判断与拉起控制给大翼展柔性飞行器带来了新挑战.本文梳理了临近空间球载飞行器投放控制的关键技术及其研究现状,并对其未来的应用进行了展望.

球载双球式电场仪及其应用

探测雷暴电场垂直分量幅度的球载双球电场仪，它由两个空心的、直径为１４．３ｃｍ，相距３．１ｃｍ的导电球构成，两球绕垂直于两球心连线的轴旋转，电场在球上的感应电荷按正弦变化，放大后由遥测发射机传输到地面．配有温度、湿度、气压传感器，既能进行高空大气温度、气压和湿度等常规气象要素的测量，又能完成雷雨云电场特殊参量的探测任务．电场探测电路及其电池组分别装在两个球内．仪器自１９９４年投入使用以来，先后参加了近２０颗卫星的升空安全保障任务，为“澳星”等卫星在雷雨期间安全升空，发挥了重要作用．仪器测量范围为１——１００ｋＶ／ｍ，性能良好．

球载TDLAS的对流层CO_2浓度廓线探测

大气中CO2主要的源和汇都集中在对流层,精确地获取对流层CO2浓度廓线分布,对研究CO2的垂直输送和全球气候演变具有重要意义。基于可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)高分辨、高灵敏度和快速响应等特点,研制了采用直接吸收技术的小型化CO2探测系统,选取位于2 004.02nm处的R(16),ν1+ν3吸收谱线,避免了附近H2O分子的吸收干扰,对CO2浓度廓线进行了球载测量,获取了10km以下对流层中CO2的分子数密度分布。受限于球载测量环境,系统采用紧凑型设计,在单块电路板上实现激光器驱动、弱信号调理,光谱数据采集及浓度计算等功能,受嵌入式微处理器的运算能力和硬件资源限制,对浓度反演算法进行了优化,避免冗余计算,降低了算法耗时。和采用波长调制技术的TDLAS传统仪器相比,借助光程20m的开放式Herriott多次反射池,采用直接吸收技术,避免了浓度标定步骤,提高了对测量环境的适应性,通用性的硬件和软件结构可适用于测量不同气体,只需更换激光器和调整算法关键参数。小型化的设计思想降低功耗,减小体积,兼顾了响应速度和测量精度,室温条件下功耗小于1.5 W,单板体积120mm×100mm×25mm,1.5s时间响应下的测量精度为±0.6×10-6,经验证,该系统可在对流层内实现CO215m垂直空间分辨的高精度检测,是一种可行的气体廓线球载探测手段。

平流层气球吊篮及姿态控制系统设计

平流层气球测量测试与通信技术目前在国际上处于研究热点状态,平流层气球与卫星及其它空间飞行器相比,具有成本低、寿命长、风险小等优点,在一定程度可取代成本高昂的卫星和空间飞行器,用于通信领域和空间科学研究领域,具有十分广阔的应用前景。本文结合平流层空气球吊篮及姿态控制系统的研制,对球载控制系统与地面中心站及各节点机组成的异构分布式系统数据通信网络以及监测系统软件的设计方法进行了介绍,并陈述了在LabWindows/CVI开发环境下开发测控应用程序所须注意的问题。

用于球载控制系统反捻器的仿真

论述了一种反捻装置的构成原理,给出了系统的仿真模型,并在具有位置干扰和速度干扰的情况下,采用MATLAB对其进行了仿真,从仿真的结果来看,采用反捻装置的吊篮控制系统可以较好地完成控制任务。

平流层气球吊篮姿态远程视景监控系统设计

气球飞行于大气同温层带时,球载吊篮由于受到强大气扰动力的影响,相对于基准姿态存在随机转动和摆动的姿态偏差,该偏差会导致吊篮靶斑机构瞄准线方向偏离其对地面光源点的指向,从而影响科研数据的搜集。该文结合平流层气球吊篮及姿态控制系统的研制,介绍了吊篮姿态的解算过程以及利用LabW indows/CVI平台及OpenGL图形库开发仿真视景监控软件对吊篮实施遥控遥测的方法,软件开发过程利用组件技术建立视景对象模型,提高了软件的灵活性、可移植性和可扩充性。软件对气球吊篮的飞行全过程进行模拟仿真,直观、实时地反映了气球吊篮在高空的飞行姿态,并且有效地对吊篮姿态完成了干预控制。

近海边高空光学湍流的探空测量与模式比较

用自行研制的探空仪测量了近海边高空湍流廓线。探空气球携带微温传感器以4 m.s-1速度上升至20 km测量大气湍流,微温传感器附加在59型气象探空仪上,可同时测量垂直空间分辨率为30 m的气压、温度和湿度以及折射率结构常数。运用Tatarskii公式计算了高空湍流外尺度,分析了边界层湍流和自由大气层湍流特征。与AFGL AMOS模式、Hufnagel模式以及北京天文台兴隆站的探空拟合曲线进行的比较发现,海边测量的高空湍流强度比其它模式大2个量级,折射率结构常数随高度从表面层较大值以近似相同的递减率缓慢地减小,对流层顶附近没有出现较强的湍流区,外尺度测量值小于30 m,并得到外尺度的拟合曲线。

近空间气球吊篮方位角多电机协同控制模型及分析

为提高近空间气球吊篮方位控制系统的性能,通过对系统的动力学分析以及电机工作原理的分析,建立了包括反捻机构、吊篮方位控制系统、负载方位控制系统在内的多电机协同工作系统的状态空间模型。从该模型可以发现,系统是一个欠驱动系统,且存在非线性特性及不确定性。对该模型的仿真发现,反捻机构的惯性时间常数对吊篮方位控制系统的性能和机械结构安全有重要的意义。

球载平台控制系统状态观测器设计

所论球载空间高能天文望远镜平台为七阶系统，为实现最优控制，最好用七个传感器对各状态变量进行测量，为了简化系统结构，该系统只用了两个传感器，其他参量用现代控制中的状态观测器的方法即通过软件的方法实现状态估计。该文给出了系统的状态空间模型、状态观测器的设计方法及估计结果。

地基天文光学望远镜选址

本文给出了云南天文台高美古观测站视宁度、等晕角和相干时间的探空测量结果,并与国外著名天文台站进行了比较,从湍流的角度,分析了地球上优秀天文台址应具有的一些特征,将来地球上潜在的优秀台址可能出现在高海拔的孤岛和南极高原.

林芝地区风对气球载雷达的影响分析

为了提供气球载雷达在高原地区使用选址的气象依据,利用林芝气象台的地面风数据和高空风数据对林芝地区的风特征进行了详细分析.基于地面风数据,得到了林芝地区地面风向、风速的具体特征,为系留气球在林芝地区的架设、撤收等提供了必要的风特征参考.考虑到系留气球在高原地区的实际升空高度,选用两个高度层的高空数据对林芝地区的高空风进行了分析,同时利用已知数据对3700～5000m的高空风做了预测.

平流层球载系统方位控制仿真与试验研究

研究了平流层球载系统的方位控制问题。介绍了吊篮方位控制系统工作原理并建立了其数学模型,控制系统采用反作用飞轮子系统实现吊篮方位的高精度控制,并采用反捻装置子系统实现对飞轮电机的卸荷以及对干扰力矩的解耦控制。针对球载方位控制系统,提出了一种带调节因子的新型非线性PID控制器,控制器根据指令跟踪误差自动调整增益参数,能够克服传统PID控制器难以协调快速性和超调量的缺点。仿真与试验结果表明,吊篮控制方案以及非线性PID控制算法能够准确实现球载系统的方位跟踪。

海洋环境下舰载系留气球缆绳与球体的动态仿真分析

目的研究舰载系留气球在海洋环境下对系留缆绳以及球体姿态的影响。方法采用ADAMS二次开发宏命令来建立离散化系留缆绳模型,并将离散化系留缆绳几何模型在相邻微段圆柱间添加Bushing轴套力,设置相关刚性系数和阻尼系数获得完整特效的缆绳模型。同时根据船用起重机的相关设计规范,考虑船体横摇5°和纵摇2°等运动影响,分析船体运动情况可知,纵摇时系留缆绳下端系固点位置较之横摇波动幅度更大,对缆绳的影响更大,因此主要研究船体纵摇2°情况下对于系留缆绳的影响,并分析对比船体静止以及船体纵摇2°情况下对于舰载系留气球系留缆绳以及球体姿态的影响。结果获得了在船体静止状态以及纵摇激励影响下舰载系留气球系留缆绳张力变化曲线以及球体姿态变化曲线。船体纵摇2°情况时,系留缆绳在仿真开始阶段承受冲击载荷较大,峰值达到150 kN,随后缆绳载荷基本在25 k N上下浮动。张力变化曲线整体呈现周期变化,周期与船体纵摇周期一致,为10 s。球体横滚角和航向角变化与船体静止状下仿真结果基本一致,球体俯仰角变化幅度较大。结论船体纵摇时会对系留缆绳带来较大的冲击载荷,同时对球体的俯仰姿态产生影响。该仿真结果对舰载系留气球的可行性分析和适装性研究以及系留缆绳的选用具有较大的指导意义。

基于熵权模糊层次分析法的球载雷达系统安全性评估

针对层次分析法中决策者的主观判断、偏好等因素可能对评估结果产生影响,引入基于熵权的模糊层次分析法来评估球载雷达系统的安全性,根据系统安全工程理论,构建了球载雷达系统安全性评估指标体系,并进行了算例分析,为合理评估球载雷达系统安全性提供了一种方法。

一种新型球载天文观测目标自动跟踪系统的成功应用

介绍了基于新型球载天文观测目标自动跟踪系统的飞行试验，重点分析了对3个观测目标的跟踪观测结果，并给出了跟踪曲线．对系统工作原理及组成也做了描述．

基于系留载平台组网的无源定位研究

系留载平台可以实现高远程预警与持续悬停于空中,适用于空基组网实现无源定位。以系留载平台为对象,对比系留载平台与陆基和空基运动平台,归结其特有的优势与军事价值,对系留载组网无源定位进行分析。依托系留载组网,首先构建典型的三系留载体系结构,再采用盲信号处理方式从复杂电磁环境分选识别出威胁信号;最后,采用"定位精度的几何稀释"对误差进行深入分析,构建数学模型,提出最佳定位点的选取并进行仿真验证。该文为后续的日后无源定位的布站应用提供借鉴。

基于神经网络的双球式空间电场仪测量数据在线处理

以神经网络为基础构建了球载双球式电场仪 ,测量电场数据的分类器根据空间电场变化的物理机理 ,将测量的空间电场强度数值分为 3类 :1时变空间电场强度 ;2随机脉冲干扰空间电场强度 ;3空间电荷放电电场强度。利用分类结果对空间电场强度测量值进行不同处理 ,取得了满意的结果。该系统实现了在线学习。

天空气球系留载平台组网无源定位仿真研究

系留载平台可以实现持续高远程预警,适用于空基组网实现无源定位。为提升天空气球系留载平台组网的无源定位能力,构建典型的三系留载系统结构。采用无源定位截获准则与误差准则,提出对信号的分选能力拓展截获后的处理能力,采用盲信号处理方式,从复杂电磁环境分选识别出威胁信号,对比现今的主流算法,构建兼顾分离精度与处理速度的协同并行处理模式;针对误差准则,利用"定位精度的几何稀释"对误差进行深入分析,构建典型的无源定位系统的数学模型与示意图,推导出最佳定位点与制约其能力的因素,仿真验证结果与理论相符,研究成果对后续无源定位的布站应用具有参考价值。

球载红外望远镜的副镜斩波器

一种结构新颖,性能优异的球载红外天文望远镜的副镜斩波器已经研制成功.使用一对自制的扁平动圈式直线电机作为驱动装置,工作时不存在任何机械碰击和摩擦,不仅提高了斩波效率而且避免了通常副摆工作时所产生的机械噪声对红外探测器的干扰. 测试结果表明,当斩波频率为10Hz时,调制方波上升沿接近2ms,无任何超调且和摆幅大小无关.该系统已成功地用于1990年6月15日夜在北京香河地区上空进行的球载红外望远镜的首次远红外飞行观测.

一种提高球载吊篮方位测量精度的校准方法

针对球载吊篮方位角的测量问题,给出了一种磁方位传感器的磁偏角补偿及整机校准方法。首先,通过GPS的数据进行动态补偿,降低了因位置变化而导致的磁偏角误差;而对校准方法的描述和分析,明确了校准过程的操作及提高精度的措施,其中介绍的快速解算地球上任意两点连线真方位角的方法则验证了参考点的真方位角数据,提高了校准结果的可信性。校准数据及结果表明,该方法在一定程度上能减小多种因素的影响,提高传感器测量精度,且计算量小并便于算法实现。