阅读说明：本技术 一种高空气球飞行方向控制系统和方法 (High-altitude balloon flight direction control system and method ) 是由 蔡榕 张泰华 王帆 张冬辉 张强辉 郝勇 栗颖思 于 2020-06-01 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高空气球飞行方向控制系统和方法,系统包括依次连接的高空气球、降落伞和吊舱,还包括净轻装置、净重装置和控制模块,净轻装置与高空气球顶部相连接,始终处于净轻状态,并实时获取其位置信息和对应的风速风向,发送给控制模块；净重装置与吊舱底部相连接,始终处于净重状态,并实时获取其位置信息和对应的风速风向,发送给控制模块；控制模块用于基于所述净轻装置的位置信息和对应的风速风向,以及净重装置的位置信息和对应的风速风向控制高空气球的飞行方向。本发明能够控制高空气球实时选择最佳飞行方向和速度,从而可以优化飞行轨迹,实现在一定范围内的长时间驻空,或者在较大范围内迂回飞行。(The invention relates to a high-altitude balloon flight direction control system and a method, wherein the system comprises a high-altitude balloon, a parachute and a nacelle which are sequentially connected, and further comprises a light purifying device, a heavy purifying device and a control module, wherein the light purifying device is connected with the top of the high-altitude balloon and is always in a light purifying state, and position information and corresponding wind speed and direction of the light purifying device are acquired in real time and sent to the control module; the net weight device is connected with the bottom of the nacelle and is always in a net weight state, and the position information and the corresponding wind speed and direction of the net weight device are obtained in real time and sent to the control module; and the control module is used for controlling the flight direction of the high-altitude balloon based on the position information of the net weight device and the corresponding wind speed and direction as well as the position information of the net weight device and the corresponding wind speed and direction. The invention can control the high-altitude balloon to select the optimal flight direction and speed in real time, thereby optimizing the flight track, and realizing long-time sky parking in a certain range or roundabout flight in a larger range.)

一种高空气球飞行方向控制系统和方法

技术领域

本发明涉及浮空器技术领域，尤其涉及一种高空气球飞行方向控制 系统和方法。

背景技术

高空气球是在平流层飞行的无动力浮空器，它的升空和飞行工作原 理是根据阿基米德浮力定律和牛顿第二定律构建的。高空气球到达飞行 高度后，即开始随风飘飞，飘飞的方向取决于该高度的风向，飘飞速度 基本与气球所在高度的风速相同。但是，对地球上大部分地区而言，在 同一地点的不同高度风速风向相差很大，这种差别有一定的纬度和季节 的规律。

以大部分中纬度地区为例，夏秋季在低空的对流层高度，往往存在 很强的西风，在平流层高度则存在东风。在西风和东风的转换高度，存 在一个过渡层，称为“准零风层”。在准零风层内，风速很小，甚至会出 现静风。正是这种大气现象的存在，近几十年引发了新的研究热点。高 空气球无疑是在这一高度持久驻空的理想平台。但在这一高度，风场处 于不稳定和不确定状态，它集中表现在时域和地域差别，以及高度剖面 内的剧烈变化。即使在同一高度，距离较远的两地的风速风向也会有较 大差别；对于同一地点同一高度上的风速风向，不同时间也有较大差别， 尤其昼夜间在太阳辐照、地面辐射等发生较大变化时也会发生较大变化； 在准零风层中内，风场在高度上的变化更为剧烈，在几十米的高度范围内风向甚至会变化90°以上。这些给准零风层风场预报带来了极大难度， 到目前为止，还无法准确预测或预报。当高空气球在准零风层内平飞时， 随着时间和飞行地点的变化，它的飞行速度和方向也会随着变化，这种 变化会使高空气球偏离原来的飞行轨迹，甚至超出空域边界，不得不终 止飞行。由此可知，如何控制高空气球的飞行方向，使其选择最佳飞行方向和速度成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明目的在于，提供一种高空气球飞行方向控制系统和方法，通 过高空气球飞行过程中相邻高度剖面内风场的精细化测量，使高空气球 飞行过程中能够实时测量附近高度剖面风场的时域和地域变化，控制高 空气球实时选择最佳飞行方向和速度，从而可以优化飞行轨迹，实现在 一定范围内的长时间驻空，或者在较大范围内迂回飞行。

根据本发明第一方面，提供了一种高空气球飞行方向控制系统，包 括气球装置，所述气球装置包括依次连接的高空气球、降落伞和吊舱， 所述系统还包括净轻装置、净重装置和控制模块，其中，

所述净轻装置与所述高空气球顶部相连接，始终处于净轻状态，并 实时获取其位置信息和对应的风速风向，发送给所述控制模块；

所述净重装置与所述吊舱底部相连接，始终处于净重状态，并实时 获取其位置信息和对应的风速风向，发送给所述控制模块；

所述控制模块用于基于所述净轻装置的位置信息和对应的风速风 向，以及所述净重装置的位置信息和对应的风速风向控制所述高空气球 的飞行方向。

进一步的，所述控制模块基于所述净轻装置的位置信息和对应的风 速风向，以及所述净重装置的位置信息和对应的风速风向控制所述高空 气球的飞行方向，确定所述高空气球的目标飞行风层，将所述高空气球 的调整至所述目标飞行风层，进而控制所述高空气球的飞行方向和飞行 速度。

进一步的，所述系统还包括安装在所述高空气球底部的第一定位部 和第一风速测量部，其中，

所述第一定位部用于实时获取所述高空气球的位置信息，并发送给 所述控制模块；

所述第一风速测量部用于实时获取所述高空气球的风速风向，并发 送给所述控制模块。

进一步的，所述净轻装置包括一个或多个串接的净轻部，每一所述 净轻部包括净轻球和安装在所述净轻球底部的第二定位部和第二风速测 量部，其中，

相邻的两个净轻球之间均采用绳索连接，净轻部的数量以及每一绳 索的长短根据高空气球的飞行需求设定；

所述第二定位部用于实时测量所述净轻球的位置，所述第二风速测 量部用于实时测量所述净轻球的风速和风向。

进一步的，所述净重装置包括一个或多个串接的净重部，每一所述 净重部包括净重球和安装在所述净重球底部的第三定位部和第三风速测 量部，其中，

相邻的两个净重球之间均采用绳索连接，净重部的数量以及每一绳 索的长短根据高空气球的飞行需求设定；

所述第三定位部用于实时测量其所对应的净重球的位置，所述第三 风速测量部用于实时测量其所对应的净重球的风速和风向。

进一步的，当所述目标飞行层位于任一净重球所对应的当前位置时， 所述控制模块控制降低所述高空气球的飞行高度至目标飞行层，具体包 括：

根据所需降低的高度从所述高空气球中排出对应量的浮升气体，所 述高空气球缓慢加速下降，当所述高空气球距离目标飞行层为预设距离 时，对所述高空气球采取制动措施，直至所述高空气球达到目标飞行层， 所述制动措施包括控制从所述吊舱中抛出总重与所排出的浮升气体浮力 相等的配重砂；

若高空气球实际达到的高度仍高于目标飞行层，则重复上述过程进 行微调，直至所述高空气球达到目标飞行层。

进一步的，当所述目标飞行层位于任一净轻球所对应的当前位置时， 所述控制模块控制升高所述高空气球的飞行高度至目标飞行层，具体包 括：

根据所述高空气球所需升高的高度减轻气球装置的重量，包括从所 述吊舱中抛出对应重量的配重砂，所述高空气球上升，随着系统高度增 加，空气密度减小，大气压强减小，高空气球内部浮升气体体积膨胀， 胀满整个高空气球的球体后，继续膨胀的浮升气体从所述高空气球中排 出，系统净浮力持续减小，直至达到浮重平衡状态，所述高空气球的飞 行高度达到目标飞行层；

若高空气球实际达到的高度仍低于目标飞行层，则重复上述过程进 行微调，直至所述高空气球达到目标飞行层。

根据本发明第二方面，提供了一种高空气球飞行方向控制方法，包 括：

通过位于高空气球上部净轻装置获取高空气球顶部多个高度处的位 置信息和对应的风速风向；

通过位于高空气球下部的净重装置获取高空气球底部多个高度处的 位置信息和对应的风速风向；

基于所述净轻装置的位置信息和对应的风速风向，以及所述净重装 置的位置信息和对应的风速风向控制所述高空气球的飞行方向。

进一步的，当所述目标飞行层位于任一净重球所对应的当前位置时， 所述基于所述净轻装置的位置信息和对应的风速风向，以及所述净重装 置的位置信息和对应的风速风向控制所述高空气球的飞行方向，包括：

根据所需降低的高度从所述高空气球中排出对应量的浮升气体，所 述高空气球缓慢加速下降，当所述高空气球距离目标飞行层为预设距离 时，对所述高空气球采取制动措施，直至所述高空气球达到目标飞行层， 所述制动措施包括控制从所述吊舱中抛出总重与所排出的浮升气体浮力 相等的配重砂；

若高空气球实际达到的高度仍高于目标飞行层，则重复上述过程进 行微调，直至所述高空气球达到目标飞行层。

进一步的，当所述目标飞行层位于任一净轻球所对应的当前位置时， 基于所述净轻装置的位置信息和对应的风速风向，以及所述净重装置的 位置信息和对应的风速风向控制所述高空气球的飞行方向，包括：

根据所述高空气球所需升高的高度减轻气球装置的重量，包括从所 述吊舱中抛出对应重量的配重砂，所述高空气球上升，随着系统高度增 加，空气密度减小，大气压强减小，高空气球内部浮升气体体积膨胀， 胀满整个高空气球的球体后，继续膨胀的浮升气体从所述高空气球中排 出，系统净浮力持续减小，直至达到浮重平衡状态，所述高空气球的飞 行高度达到目标飞行层；

若高空气球实际达到的高度仍低于目标飞行层，则重复上述过程进 行微调，直至所述高空气球达到目标飞行层。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术 方案，本发明提供的一种高空气球飞行方向控制系统和方法可达到相当 的技术进步及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列 优点：

本发明通过高空气球飞行过程中相邻高度剖面内风场的精细化测 量，使高空气球飞行过程中能够实时测量附近高度剖面风场的时域和地 域变化，控制高空气球实时选择最佳飞行方向和速度，从而可以优化飞 行轨迹，实现在一定范围内的长时间驻空，或者在较大范围内迂回飞行。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明 的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上 述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并 配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的高空气球飞行方向控制系统示意图；

图2为本发明一实施例提供的高空气球飞行方向控制方法流程图；

图3为本发明一实施例提供的高空气球飞行方向控制系统的不同高 度飞行的各球之间的水平风速俯视图；

图4为本发明一实施例提供的高空气球飞行方向控制系统的不同高 度飞行的各球之间的东西风速示意图；

图5为本发明一实施例提供的高空气球飞行方向控制系统的打开排 气阀气球降低高度示意图；

图6为本发明一实施例提供的高空气球飞行方向控制系统的抛配重 砂气球开始上升示意图；

图7为本发明一实施例提供的高空气球飞行方向控制系统的成形后 的气球通过排气管排气直至气球再次平飞示意图。

【符号说明】

1：高空气球 2：降落伞

3：吊舱 4：排气阀

5：排气管 11：第一定位部

12：第一风速测量部 6：净轻装置

7：净重装置 61：净轻部

610：净轻球 611：第二定位部

612：第二风速测量部 8：绳索

601：第一净轻部 602：第二净轻部

603：第三净轻部 604：第四净轻部

71：净重部 710：净重球

711：第三定位部 712：第三风速测量部

701：第一净重部 702：第二净重部

703：第三净重部 704：第四净重部

具体实施方式

以下将根据实例并参照附图对本发明的具体实施方式作详细描述。 但是，应当说明，本文中所描述的实例仅用于举例说明本发明的具体实 施方式，以使本领域技术人员在阅读本说明书内容后可以实施本发明， 而不是对本发明的保护范围的限定。此外，所述附图并非严格依照实际 比例大小进行绘制，也并不完整体现所述装置的形状或结构，而仅仅在 于方便对本发明的精神和原理的理解，所以，在有些图中为了更加清楚 地示出其中的结构而可能被局部或全部放大，并且在有些图中可能对部 分结构给予省略以能更为清楚地表示出相应的技术方案。此外，应当明 白，关于本方法的对本领域技术人员而言属于显而易见的部分内容，可 能并没有在本文中予以重复，但是，这些内容属于本发明的必有内容， 因而应当被并入构成本发明整体内容的一部分。

本发明实施例提供了一种高空气球飞行方向控制系统，如图1所示， 包括气球装置，所述气球装置包括依次连接的高空气球1、降落伞2和吊 舱3，任务载荷一般都安装在吊舱3之内，高空气球1内部充满浮升气体， 一般是氦气或氢气，用于为系统提供升空和驻空的浮力，根据飞行需求， 在高空气球1的球顶上可以安装排气阀4，零压式高空气球1可在下部设 置有排气管5，用于气球胀满后排出浮升气体，确保高空气球1的内外压 差在安全范围内，排气管5可为软管，与内部浮升气体和外部大气联通。 降落伞2用于完成飞行后给降落中的任务载荷及其吊舱3减速，确保吊 舱3落地速度在安全范围内。吊舱3是整个系统的大脑，任务载荷安装 在吊舱3之内，给所有参与飞行系统的设备提供安装的空间，并确保在飞行过程中温度在设备安全范围内，吊舱3内还可装有配重砂和配重砂 的控制装置，在需要减小系统总重时，控制配重砂，可以抛出配重砂， 以减小系统总重。可以理解的是，根据飞行需要，该高空气球11可以是 零压气球，也可以是超压气球。

所述系统还包括净轻装置6、净重装置7和控制模块(图中未示出)。 其中，所述净轻装置6与所述高空气球1顶部相连接，始终处于净轻状 态，并实时获取其位置信息和对应的风速风向，发送给所述控制模块。 所述净重装置7与所述吊舱3底部相连接，始终处于净重状态，并实时 获取其位置信息和对应的风速风向，发送给所述控制模块。所述控制模 块用于基于所述净轻装置6的位置信息和对应的风速风向，以及所述净 重装置7的位置信息和对应的风速风向控制所述高空气球1的飞行方向。

作为一种示例，所述控制模块基于所述净轻装置6的位置信息和对 应的风速风向，以及所述净重装置7的位置信息和对应的风速风向控制 所述高空气球1的飞行方向，确定所述高空气球1的目标飞行风层，将 所述高空气球1的调整至所述目标飞行风层，进而控制所述高空气球1 的飞行方向和飞行速度。

作为一种示例，所述系统还包括安装在所述高空气球1底部的第一 定位部11和第一风速测量部12，其中，所述第一定位部11用于实时获 取所述高空气球1的位置信息，并发送给所述控制模块；所述第一风速 测量部12用于实时获取所述高空气球1的风速风向，并发送给所述控制 模块。

作为一种示例，所述净轻装置6包括一个或多个串接的净轻部61， 每一所述净轻部61包括净轻球610和安装在所述净轻球610底部的第二 定位部611和第二风速测量部612，其中，每个净轻球610内部充满浮升 气体。相邻的两个净轻球610之间均采用绳索8连接，可以理解的是， 与高空气球1直接相连的净轻球610也是直接采用绳索8连接至高空气球1顶部。需要说明的是，净轻部61的数量以及每一绳索8的长短根据 高空气球1的飞行需求设定；所述第二定位部611用于实时测量所述净 轻球610的位置，所述第二风速测量部612用于实时测量所述净轻球610 的风速和风向。本实施例中，按照高度方向，从低到高依次是：第一净 轻部601、第二净轻部602、第三净轻部603、第四净轻部604，净轻球 610可以是流线型，也可以是倒水滴型，或者使用乳胶球。在系统飞行过 程中，净轻球610始终位于系统上部。

作为一种示例，所述净重装置7包括一个或多个串接的净重部71， 每一所述净重部71包括净重球710和安装在所述净重球710底部的第三 定位部711和第三风速测量部712，其中，相邻的两个净重球710之间均 采用绳索8连接，净重部71的数量以及每一绳索8的长短根据高空气球 1的飞行需求设定；所述第三定位部711用于实时测量其所对应的净重球 710的位置，所述第三风速测量部712用于实时测量其所对应的净重球 710的风速和风向。本实施例中以4个为例进行，按照高度，从高到低依 次是：第一净重部701、第二净重部702、第三净重部703、第四净重部 704，下部净重球710可为球型，有一定的超压能力。在系统飞行过程中， 下部净重球710始终位于系统下部。

第一定位部11、第二定位部611、第三定位部711均可为GPS定位 装置，用于实时显示位置的经纬度。第一风速测量部12、第二风速测量 部612和第三风速测量部712可为风速计。要说明的是，GPS定位装置所 显示的经纬度是准确的位置。风速计测量的风速风向是相对飞行气流的 风场数据，需要将相对飞行气流的风场数据与高空气球1的飞行速度和 方向解耦才能推算出所测的相对地面的风速风向。所述第一定位部11、 第一风速测量部12、第二定位部611、第二风速测量部612、第三定位部 711、第三风速测量部712可将测量的数据直接发至所述控制模块，或者 通过局域网先发给设置在所述吊舱3内的通信设备，再由所述通信设备 打包后，至所述控制模块。

作为一种示例，当所述目标飞行层位于任一净重球710所对应的当 前位置时，所述控制模块控制降低所述高空气球1的飞行高度至目标飞 行层，具体包括：根据所需降低的高度从所述高空气球1中排出对应量 的浮升气体，所述高空气球1缓慢加速下降，当所述高空气球1距离目 标飞行层为预设距离时，对所述高空气球1采取制动措施，直至所述高空气球1达到目标飞行层，所述制动措施包括控制从所述吊舱3中抛出 总重与所排出的浮升气体浮力相等的配重砂；若高空气球1实际达到的 高度仍高于目标飞行层，则重复上述过程进行微调，直至所述高空气球1 达到目标飞行层。

作为一种示例，当所述目标飞行层位于任一净轻球610所对应的当 前位置时，所述控制模块控制升高所述高空气球1的飞行高度至目标飞 行层，具体包括：根据所述高空气球1所需升高的高度减轻气球装置的 重量，包括从所述吊舱3中抛出对应重量的配重砂，所述高空气球1上 升，随着系统高度增加，空气密度减小，大气压强减小，高空气球1内 部浮升气体体积膨胀，胀满整个高空气球1的球体后，继续膨胀的浮升 气体从所述高空气球1中排出，系统净浮力持续减小，直至达到浮重平 衡状态，所述高空气球1的飞行高度达到目标飞行层；若高空气球1实 际达到的高度仍低于目标飞行层，则重复上述过程进行微调，直至所述 高空气球1达到目标飞行层。

本发明实施例还提供了一种高空气球飞行方向控制方法，如图2所 示，包括以下步骤：

步骤S1、通过位于高空气球1上部净轻装置6获取高空气球1顶部 多个高度处的位置信息和对应的风速风向；

步骤S2、通过位于高空气球1下部的净重装置7获取高空气球1底 部多个高度处的位置信息和对应的风速风向；

步骤S3、基于所述净轻装置6的位置信息和对应的风速风向，以及 所述净重装置7的位置信息和对应的风速风向控制所述高空气球1的飞 行方向。

作为一种示例，当所述目标飞行层位于任一净重球710所对应的当 前位置时，所述步骤S3包括：

步骤S31、根据所需降低的高度从所述高空气球1中排出对应量的浮 升气体，所述高空气球1缓慢加速下降，当所述高空气球1距离目标飞 行层为预设距离时，对所述高空气球1采取制动措施，直至所述高空气 球1达到目标飞行层，所述制动措施包括控制从所述吊舱3中抛出总重 与所排出的浮升气体浮力相等的配重砂。

需要说明的是，若高空气球1实际达到的高度仍高于目标飞行层， 则重复上述步骤S31进行微调，直至所述高空气球1达到目标飞行层。

作为一种示例，当所述目标飞行层位于任一净轻球610所对应的当 前位置时，所述步骤S3包括：

步骤S32、根据所述高空气球1所需升高的高度减轻气球装置的重量， 包括从所述吊舱3中抛出对应重量的配重砂，所述高空气球1上升，随 着系统高度增加，空气密度减小，大气压强减小，高空气球1内部浮升 气体体积膨胀，胀满整个高空气球1的球体后，继续膨胀的浮升气体从 所述高空气球1中排出，系统净浮力持续减小，直至达到浮重平衡状态，所述高空气球1的飞行高度达到目标飞行层。

需要说明的是，若高空气球1实际达到的高度仍低于目标飞行层， 则重复步骤S32进行微调，直至所述高空气球1达到目标飞行层。

以下以一具体示例进行说明，本发明实施例可以在数千米范围内实 时测量，但高空气球1的高度调节能力一般只进行数千米的高度调节， 过大跨度的高度调节会使系统失去浮重平衡，需要重新进行飞行规划。 对于平流层的风场而言，总趋势较为稳定，风速风向剧烈转换集中在准 零风层高度，本实施例选取典型的在准零风层内的飞行为例进行说明。一般而言，准零风层的厚度在几百米至一两千米之间，本发明实施例所 述系统选取对高空气球1上下800米范围内的风场实时测量，连接上部 的净轻球610之间的绳索8长度均为200米，连接下部的净重球710之 间的绳索8长度也均为200米。

在飞行过程中，如果整个系统上下800米范围内风场相同，则所有 净轻球610和净重球710在一个垂线上分布，连接各球之间的绳索8与 地面垂直，所有净轻球610和净重球710在地面上的投影都与高空气球1 重合，所有第二定位部611、第三定位部711纪录的经纬度与高空气球1 下部安装的中心第一定位部11显示的位置相同，所有第一风速测量部12、第二风速测量部612和第三风速测量部712测量结果也都相同。

但考虑到风场在高度剖面内很不稳定，相同高度间的风速风向差别 很大，对于准零风层而言，尤为如此。在不同高度剖面内受到不同大小 和方向的高空风作用，使各净轻球610和净重球710偏离各自位置，最 终达到平衡状态。此时，净轻球610和净重球710的相对位置和测到的 风速风向投影如图3和图4所示，高空气球1在H0高度向西南方向飞行， 在它上部200米处HA高度的第一净轻部601受到比高空气球1更大的东 北风，使得第一净轻部601向西偏转；在高空气球1上部400米处HB高 度的第二净轻部602受到相对高空气球1西南方向的风，使得第二净轻 球610向东北偏转；依次类推，其余各球在相对气流的作用下会发生位 置偏移，所携带的风速测量部也会测到所在高度相对第一定位部11和第 一风速测量部12的风速。

选取典型的东西向飞行剖面，系统东西向飞行剖面如图4所示。在 某一时刻，高空气球1在H0高度以大小为v0的速度向西飞行，在其上 部HA高度处的第一净轻部601受到比高空气球1更大的东风vA作用向 西偏移，第一净轻部601底部的第二定位部611和第二风速测量部612 测得的风速是相对于高空气球1实际风速v0的风速大小，此时第一净轻 部601的相对地面的风速大小是v0+vA；在高空气球1上部HC高度处的 第三净轻部603所测的西风vC是受到比高空气球1更小的东风或西风作 用，使得第三净轻部603向东偏移，第三净轻部603底部的第二定位部 611和第二风速测量部612测得的风速是相对与高空气球1实际风速v0 的风速大小，此时第三净轻部603的相对地面的风速大小是v0-vC。其他 各净轻球610和净重球710所在高度测得的位置经纬度和风速大小也都 可以以此类推。

高空气球1在南北方向的风场分量以及高度剖面内的相对位置和风 速也与东西方向相同。

本发明实施例可以在数千米范围内实时测量，但高空气球1的高度 调节能力一般只进行数千米的高度调节，过大跨度的高度调节会使系统 失去浮重平衡，需要重新进行飞行规划。对于平流层的风场而言，总趋 势较为稳定，风速风向剧烈转换集中在准零风层高度，本实施例就选取 典型的在准零风层内的飞行为例进行说明。一般而言，准零风层的厚度 在几百米至一两千米之间，本发明实施例所述系统选取对高空气球1上 下800米范围内的风场实时测量，连接上部的净轻球610之间的绳索8 长度均为200米，连接下部的净重球710之间的绳索8长度也均为200 米。

在飞行过程中，如果整个系统上下800米范围内风场相同，则所有 净轻球610和净重球710在一个垂线上分布，连接各球之间的绳索8与 地面垂直，所有净轻球610和净重球710在地面上的投影都与高空气球1 重合，所有第二定位部611、第三定位部711纪录的经纬度与高空气球1 下部安装的中心第一定位部11显示的位置相同，所有第一风速测量部12、第二风速测量部612和第三风速测量部712测量结果也都相同。

但考虑到风场在高度剖面内很不稳定，相同高度间的风速风向差别 很大，对于准零风层而言，尤为如此。在不同高度剖面内受到不同大小 和方向的高空风作用，使各净轻球610和净重球710偏离各自位置，最 终达到平衡状态。此时，净轻球610和净重球710的相对位置和测到的 风速风向投影如图3和图4所示，高空气球1在H0高度向西南方向飞行， 在它上部200米处HA高度的第一净轻部601受到比高空气球1更大的东 北风，使得第一净轻部601向西偏转；在高空气球1上部400米处HB高 度的第二净轻部602受到相对高空气球1西南方向的风，使得第二净轻 球610向东北偏转；依次类推，其余各球在相对气流的作用下会发生位 置偏移，所携带的风速测量部也会测到所在高度相对第一定位部11和第 一风速测量部12的风速。

选取典型的东西向飞行剖面，系统东西向飞行剖面如图4所示。在 某一时刻，高空气球1在H0高度以大小为v0的速度向西飞行，在其上 部HA高度处的第一净轻部601受到比高空气球1更大的东风vA作用向 西偏移，第一净轻部601底部的第二定位部611和第二风速测量部612 测得的风速是相对于高空气球1实际风速v0的风速大小，此时第一净轻 部601的相对地面的风速大小是v0+vA；在高空气球1上部HC高度处的 第三净轻部603所测的西风vC是受到比高空气球1更小的东风或西风作 用，使得第三净轻部603向东偏移，第三净轻部603底部的第二定位部 611和第二风速测量部612测得的风速是相对与高空气球1实际风速v0 的风速大小，此时第三净轻部603的相对地面的风速大小是v0-vC。其他 各净轻球610和净重球710所在高度测得的位置经纬度和风速大小也都 可以以此类推。

高空气球1在南北方向的风场分量以及高度剖面内的相对位置和风 速也与东西方向相同。

对于飞行中的高空气球1而言，可以根据上部的净轻球610和下部 的净重球710所在的位置与风速数据，选择最佳飞行方向和速度，主要 可通过调整高空气球1的平飞高度来选择飞行风层，进而选择最佳飞行 方向和飞行速度。具体做法包括：

1)降低飞行高度方式

当位于高空气球1下部的净重球710的位置及其所携带风速计显示 的风速风向更有利于高空气球1飞行时，选择降低高空气球1的飞行高 度至目标净重球710的高度。

以高空气球1的飞行高度H0调节至第二净重部702的飞行高度Hb 为例，当第二净重部71对应的第三定位部711和第三风速测量部712的 位置和测量的风速风向更有利于高空气球1飞行时，选择降低高空气球1 及整个系统飞行高度，主要操作过程包括：

以高空气球1顶部设有排气阀4为例，打开高空气球1顶部的排气 阀4，在内部浮升气体压力梯度的作用下排出浮升气体，此时系统浮重平 衡状态被打破，系统由浮重平衡转为净重，进而缓慢加速下降。具体可 通过点动或分阶段动作的方式缓慢排出浮升气体，并尽可能减少排出浮 升气体总量，整个过程如图5所示。

高空气球1及整个系统将在波动的降速中降低高度，当飞行高度从 H0降低至距离Hb还有30米左右时，开始启动制动措施。制动措施的可 以是抛出一部分配重砂，使系统再次达到浮重平衡状态，在操作过程中 需要缓慢而分段抛配重砂，所抛配重砂总重与之前排出的浮升气体的浮 力相等，即可实现系统再次达到浮重平衡状态。这一操作过程如图6所示。

根据气球再次平飞时的高度与目标高度Hb对照，可以通过微调的方 式使气球在目标高度Hb高度平飞。

2)增加飞行高度方式

如果高空气球1上部的净轻球610的位置及所测风速风向更有利于 飞行，就调整高空气球1的平飞高度H0至目标高度。以高空气球1调整 至第三净轻部603的高度HC为例，主要操作过程包括：

抛吊舱3里面的配重砂，使高空气球1及整个系统的重量减小，系 统失去浮重平衡，处于净轻状态。在浮升气体浮力作用下，系统开始上 升，如图6所示。

以高空气球1底部设有排气管5为例，随着系统高度增加，空气密 度减小，大气压强减小，高空气球1内部浮升气体体积膨胀，胀满整个 球体后，继续膨胀的浮升气体会从高空气球1底部的排气管5排出，随 着这一过程的进行，系统净浮力持续减小，直至达到浮重平衡状态，系 统将再次平飞。如图7所示。如果高空气球1再次进入平飞的高度HC不 是调整之前第三净轻部603的高度HC，可以重复上述过程进行微调，直 至高空气球1到达之前第三净轻部603的高度HC，或者高空气球1的平 飞方向和速度已经到达理想状态。

高空气球1到达其他净轻球610所在高度的操作方式与到达第三净 轻部603的高度HC的操作方式相同。

当高空气球1到达拟调整到的飞行高度后，位于它上部的净轻球610 和下部的净重球710将再次分布在高空气球1的上下高度，高空气球1 上部和下部一定高度范围内的风场分布再次能够实时测量和显示。如果 高空气球1原有上下风速风向无法满足最佳飞行策略，可以通过迭代的 方式多次调整和选择飞行高度。

通过本发明实施例所述系统和方法，彻底解决了高空气球1飞行过 程中，其高度附近的风场测量，这是到目前为止，还没有解决的问题。

所述系统所有气球和设备都是在线测量，随着高空气球1高度的变 化，它们的高度也相应变化，总是实时测量高空气球1飞行高度附近的 风场，为高空气球1的飞行高度的选择提供实时而准确的决策依据。

所有位于高空气球1装置上部的净轻球610和下部的净重球710都 是原位测量，只有下部的第三定位部711和第三风速测量部712及其数 据传输元器件消耗很少的能源，可以增加小型太阳能电池板局部供电， 其它都不额外消耗能源，系统具备长时间飞行能力，理论上可以开展数 天、数十天甚至数月飞行任务。

本发明通过高空气球1飞行过程中相邻高度剖面内风场的精细化测 量，使高空气球1飞行过程中能够实时测量附近高度剖面风场的时域和 地域变化，控制高空气球1实时选择最佳飞行方向和速度，从而可以优 化飞行轨迹，实现在一定范围内的长时间驻空，或者在较大范围内迂回 飞行。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形 式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定 本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内, 当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实 施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以 上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术 方案的范围内。