不确定风场下平流层浮空器全局路径规划

平流层浮空器是开展临近空间应用的重要平台,其在不确定风场中的路径规划是开展应用的关键。研究对象是具有一定水平驱动能力的平流层浮空器,针对其低动态、大尺寸及易受风场影响等特点,基于马尔可夫决策过程(MDP)提出一种浮空器在不确定风场作用下的二维全局路径规划方法,寻找由当前位置快速部署到目标区域所需时间最短的最优路径。由于风场中可能存在误差,将风场不确定性引入MDP模型中,设计相关模型参数,建立确定风场和不确定风场2种环境模型。通过仿真,分析具有不同驱动能力的浮空器在2种风场模型下的区域可达性、最优路径和最优动作序列的选择,结果表明:最优路径和最优动作会根据起始点/目标点位置、浮空器水平驱动能力及风场模型的不同发生比较大的变化;浮空器的水平驱动能力越强,区域可达性越高,2种风场模型对浮空器的二维全局路径规划影响的差异也随之减弱。

基于深度强化学习的平流层浮空器高度控制

为研究基于深度强化学习的平流层浮空器高度控制问题。建立平流层浮空器动力学模型,提出一种基于深度Q网络(DQN)算法的平流层浮空器高度控制方法,以平流层浮空器当前速度、位置、高度差作为智能体的观察状态,副气囊鼓风机开合时间作为智能体的输出动作,平流层浮空器非线性动力学模型与扰动风场作为智能体的学习环境。所提方法将平流层浮空器的高度控制问题转换为未知转移概率下连续状态、连续动作的强化学习过程,兼顾随机风场扰动与速度变化约束,实现稳定的变高度控制。仿真结果表明:考虑风场环境对浮空器影响下,DQN算法控制器可以很好的实现变高度的跟踪控制,最大稳态误差约为10 m,与传统比例积分微分(PID)控制器对比,其控制效果和鲁棒性更优。

平流层浮空器解析式空中粗对准方法研究

针对平流层浮空器捷联惯导系统空中重新对准的需求,设计了基于单天线GPS辅助的惯性凝固解析式粗对准方法。考虑浮空器平动的同时绕天向存在角运动的情况,采用惯性凝固假设,在GPS速度信息辅助下获取系统在对准时刻的姿态角,并对影响对准精度的因素进行了理论分析。仿真结果表明,在浮空器角运动速率处于-5°/s^5°/s范围内,GPS速度测量误差不大于0.15 m/s的条件下,该方法得到的水平失准角小于8',可有效实现平流层浮空器惯导系统的空中粗对准。

基于大涡模拟的平流层浮空器气动特性分析

为研究不同球体间距对"球形囊体型"平流层浮空器(SLV)气动特性的影响,采用有限体格式、结构网格和大涡模拟(LES)计算方法求解不可压缩的Navier-Stokes(NS)方程,对超临界雷诺数"球形囊体型"平流层浮空器绕流进行数值模拟,并对不同球体间距下的数值计算结果进行详细的分析比较.通过对比试验数据,单球体数值模拟的阻力系数时均值与Achenbach的试验数据一致,验证了计算方法分析超临界雷诺数球体绕流问题的准确性.研究不同间距的双球体阻力变化规律以及振动频谱特性,随上下游球体间距G的增加,合阻力先增大后减小,上游球体的阻力占优振动频率逐渐减小;G=1.5D(D为球体直径)和G=2D时,上下游球体有相同的占优振动频率.随间距G的增加,两球体相互作用与上游球体对下游球体的尾涡结构影响逐渐减弱.

基于多层节点模型的平流层浮空器热力学分析

基于两节点热力学模型,研究多层节点模型的平流层浮空器热特性分析方法.对美国国家航空航天局的超长航时气球的仿真结果表明:多层节点模型可给出囊体不同部位的温度分布及氦气温度随时间的变化规律;高空气球囊体顶部和底部的昼夜温差明显小于平流层飞艇内氦气的昼夜温差;高纬度飞行时的氦气温差更小,降低驻空高度可降低氦气温度.研究结果对平流层浮空器热控设计具有重要的参考价值.

基于副气囊的平流层浮空器高度控制

浮空器悬停或飞行控制设计时,通常将风作为干扰项或阻力,螺旋桨需要消耗大量的能源克服风的阻力,而浮空器携带的能源有限,因此浮空器设计时存在欠能源问题。根据平流层风场的特点,采用副气囊控制浮空器的高度,实现平流层不同高度的风场利用,可以减小浮空器的能源消耗。建立浮空器高度控制模型,采用反步法设计浮空器高度控制器,利用状态观测器对浮空器的模型误差和输入误差进行估计,并进行了仿真分析,证明所设计的控制器能有效控制浮空器的高度。建立浮空器高度控制时其囊体内外压差变化模型,仿真分析表明,浮空器高度变化后,其囊体最终内外压差与初始压差相同。

风场综合利用的新型平流层浮空器轨迹设计

针对平流层底部准零风层特点,提出一种基于风场综合利用进行长时区域驻空的新型平流层浮空器,系统采用南瓜形超压气球体制,建立系统的浮重模型、推阻模型和能源模型,利用迭代算法完成了总体方案设计。在此基础上,建立动力学模型和高度调控模型,针对我国某地风场模型,设计东西、南北方向独立控制区域驻留策略以及基于风场综合利用的协同控制区域驻留策略,通过SIMULINK模块开展区域驻留仿真,并对五种控制模式下的飞行轨迹进行对比分析。

平流层浮空器的现状和技术趋势

平流层浮空器是一种位于平流层中的飞行器,通常是指20公里以上的无人驾驶飞艇或气球,用于组成电信网络或进行遥感测控。在20世纪最后十年和21世纪最初十年,曾启动了几个项目,但很少有项目继续下去。2014年,两家主要互联网公司(谷歌和Facebook)宣布投资新的平流层浮空器项目,在没有通信基础设施(地面基站或卫星)的地区提供互联网接入,使人们重新关注平流层浮空器的发展。文章旨在调查平流层浮空器的历史、现状、技术趋势和挑战。

极涡风场中平流层浮空器轨迹仿真研究

为实现平流层浮空器绕极地飞行,结合极地地区的环境特征,建立了极地风场模型与太阳辐照模型、平流层浮空器动力学模型以及太阳电池与蓄电池相结合的循环能源模型。利用极地地区特有的极涡风场,设计了平流层浮空器轨迹控制策略,以纬向风作为动力在东西方向上飞行,考虑风场紊流影响,通过螺旋桨对浮空器在南北方向上的偏移施加控制。仿真结果表明,在推进功率等约束条件下,采用PID控制方法的浮空器在受到干扰产生偏移时仍然能够回到预定的轨迹,证明了利用极涡风场和控制策略实现平流层浮空器绕极地飞行的可行性。

平流层浮空器能源系统优化设计

为了研制出适合平流层浮空器上使用的能源系统,我们对柔性光伏组件与能源控制进行优化,使其具有质量轻效率高的特性,并且对光伏组件进行热分析,对能量循环进行仿真。在地面情况下发电、储能、带载运行情况进行了实验验证。实现了平流层浮空器能源系统能源循环过夜。

基于深度强化学习的风场中浮空器驻留控制

建立了平流层浮空器区域驻留模型,在有动力和无动力推进的情况下,基于马尔可夫决策过程,将具有优先经验回放的双深度Q学习应用于平流层浮空器区域驻留控制。通过平均区域驻留半径、区域驻留有效时间比等参数来评价区域驻留控制方法的效果。典型风场中仿真分析结果指出:在区域驻留半径为50 km、区域驻留时间为3天的任务下,无动力推进的平流层浮空器的平均区域驻留半径为28.16 km,区域驻留有效时间比为83%;有动力推进平流层浮空器的平均区域驻留半径可达8.84 km,可实现区域驻留半径为20 km的飞行控制,区域驻留有效时间比为100%。

智能平流层浮空器Loon关键技术分析与仿真

基于风场利用的智能平流层浮空器具有驻空时间长、系统构成简单、部署速度快、使用效费比高、自主能力强等优点,是临近空间飞行器发展的重要方向。针对典型基于风场利用的平流层浮空器Loon项目,通过对项目实施及实践探索的综述,深入分析其囊体材料与结构、高度调控、能源与推进、安控回收、风场建模、自主控制等关键技术特点,基于学科建模对总体参数、超热超压、气体泄漏、能源平衡、轨迹规划等方面进行仿真研究,总结了Loon智能平流层浮空器的技术特点,为基于风场利用的平流层浮空器设计与应用研究提供参考。

平流层浮空器的热特性与研究现状

研究平流层浮空器热状况的形成机制与特性是进行热控制设计和研究热控制技术的前提,对平流层浮空器技术的发展具有重要作用。在分析平流层对流与辐射热环境特性的基础上,运用传热学基本原理分析了浮空器热状况的复杂形成机制与影响因素。评述了浮空器热特性及其控制技术的研究现状,介绍了相关研究方法、热模型与主要结果,分析了平流层浮空器热特性研究得出的基本认识与存在的问题,指出了应进一步开展的研究方向。

基于风场环境利用的平流层浮空器区域驻留关键问题研究进展

基于风场环境利用的平流层浮空器继承高空气球结构简单、技术成熟、快速响应、使用效费比高等特点,通过引入控制设计,克服轨迹控制和高度控制等方面的局限,具备一定的飞行轨迹规划和区域驻留能力,是当前临近空间飞行器发展的重要方向。本文基于对典型项目的调研分析,梳理了基于风场环境利用的平流层浮空器在区域驻留应用中的关键技术,重点讨论了风场感知与建模、风场利用方法、轨迹规划与决策等核心问题的研究现状,对现有方案进行深入分析,从实际应用的角度探讨了相关技术难题的可行解决方案。

平流层浮空器保压指标对驻空性能的影响

地面保压试验是综合评估囊体材料性能的重要手段,其设计指标将影响平流层浮空器总体驻空高度与时间的变化范围。以球形超压平流层浮空器为例,建立了驻空高度运动学模型、热力学模型及基于微孔损伤的氦气渗透模型,综合考虑驻空过程中力、热耦合引起的浮空器内部氦气压力、温度和质量等的实时变化,以囊体材料微孔当量直径为桥梁建立了平流层浮空器地面保压指标与驻空高度、驻空时间的耦合关系,通过定量分析不同保压指标下浮空器驻空性能的变化情况,提取影响规律,为保压指标的合理设计提供总体参考。

基于轻量型AES加密算法的浮空器平台数据传输方案

针对浮空器平台在数据传输过程中受到自身处理器性能限制的问题,提出了一种基于轻量型AES加密算法的浮空器平台数据传输方案;首先,方案以AES加密算法为基础,通过寻找轮函数循环的局部最优次数和将状态矩阵行移位变换改为列移位变换实现轻量型AES加密算法;其次,通过字节代换、列移位变换、列混合和轮密钥加4个步骤,设计以七次轮函数循环为核心的轻量型AES加密算法;最后,通过字节填充和矩阵旋转两个操作对过往不同类型的浮空器平台飞行数据进行预处理,并将预处理后的数据作为明文数据源输入对传输方案进行测试和分析,验证了轻量型AES加密算法的安全性和有效性;实验结果表明,该算法与AES加密算法相比,在保证数据安全传输的同时提高了算法运行速度,可以较好地应用于浮空器平台。

临近空间串联气球系统设计与特性分析

目前,零压气球和超压气球固有的不足限制了高空气球的飞行能力。提出了1种无需消耗压舱物和浮升气体即可实现昼夜高度自稳定且能够长时间迂回飞行的临近空间串联气球系统。结合了2种气球的优点,避开了现阶段高空气球发展遇到的困难。建立了昼夜飞行高度一定的串联气球系统的数学模型,设计了能够利用准零风层风场条件实现迂回飞行的串联气球系统,通过与单一零压气球系统对比,验证了该系统的优势。数值仿真分析了零压气球形状、系统设计高度对超压气球尺寸、最大超压量等关键参数的影响,为设计飞行性能更好的系统提供了重要参考依据。

柔性蒙皮材料氦气渗透的细观机制

该文研究了由聚芳脂纤维(vectran)平纹织物为承力层、PVF膜(tedlar)为阻氦层、聚酯薄膜(mylar)为防护层的浮空器蒙皮材料氦气渗透的细观机制。首先,根据Hagen-Poiseuille定律,推导得到了承力层等效渗透率。然后,通过氦气溶解扩散模型和多层复合结构渗透模型,理论分析了各层对氦气密封性能的贡献比例,讨论了每层不同厚度对整体蒙皮材料氦气渗透率的影响,理论预测了蒙皮材料的整体氦气渗透率。最后,将实验结果与理论所得的数值进行了对比,验证了多层渗透模型的正确性。