基于原位探测的高空气球风场数据修正方法.pdf
《基于原位探测的高空气球风场数据修正方法.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于原位探测的高空气球风场数据修正方法.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、设计与应用计算机测量与控制 ()C o m p u t e r M e a s u r e m e n t&C o n t r o l 收稿日期:;修回日期:.基金项目:国家自然科学基金委重大项目().作者简介:崔宇轩(),男,河南新乡人,硕士研究生,主要从事高空气球风场预测方向的研究.通讯作者:苗景刚(),男,河南开封人,博士,高级工程师,硕士生导师,主要从事浮空器飞行控制方向的研究.引用格式:崔宇轩,苗景刚基于原位探测的高空气球风场数据修正方法J计算机测量与控制,():文章编号:()D O I:/j c n k i /t p 中图分类号:P 文献标识码:A基于原位探测的高空气球风场数据修正
2、方法崔宇轩,苗景刚(中国科学院 空天信息创新研究院,北京 ;中国科学院大学 航空宇航学院,北京 )摘要:对目前高空气球领域所出现的风场数据使用情况进行了研究,针对其存在时效性与针对性不强以及对针对特定区域精度不足、数据密度稀疏等问题,通过对原位探测技术(I S D)的研究,构建了高空气球飞行试验领域的风场误差数据修正模型,提出了一种基于原位探测的高空球风场数据修正方法;该方法通过原位探测手段获取高空气球执行飞行试验任务时所需特定区域的风场数据,从而对模式风预报产品进行修正,在高空气球飞行实验区域内提高了风场数据的准确度;使修正后的风场数据的准确度得到了提高;并最终使用中国某地区的风场数据先后进
3、行仿真试验及实际飞行试验,仿真结果表明,I S D可有效降低模式风预测风速的平均相 对 误 差;在 实 际 飞 行 实 验 中,u风 误 差 由 模 式 风 预 报 的 m/s变 为I S D模 型 的 m/s,降 低 了 ;v风误差由模式风预报的 m/s变为I S D模型的 m/s,降低了 ,从而,有效地提高了模式风预报的准确性.关键词:原位探测;模式风;风矢量;高空气球;订正C o r r e c t i o nM e t h o do fH i g h a l t i t u d eB a l l o o n W i n dF i e l dD a t aB a s e do nI S
4、DC U IY u x u a n,M I AOJ i n g g a n g(A e r o s p a c e I n f o r m a t i o nR e s e a r c hI n s t i t u t e,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,B e i j i n g ,C h i n a;U n i v e r s i t yo fC h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,S c h o o l o fA e r o n a u t i c sa n dA s t r o
5、n a u t i c s,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:C u r r e n tw i n df i e l dd a t a i nt h e f i e l do fh i g h a l t i t u d eb a l l o o n sh a sb e e ns t u d i e d I nv i e wo f t h ep r o b l e m so f w e a kt i m e l i n e s s a n dp e r t i n e n c e,i n s u f f i c i e n t a c c u r
6、 a c y f o r s p e c i f i c a r e a s,a n ds p a r s ed a t ad e n s i t y,b y t h e i n s i t ud e t e c t i o n(I S D)t e c h n o l o g y,aw i n df i e l de r r o rd a t ac o r r e c t i o nm o d e l i nt h e f i e l do fh i g h a l t i t u d eb a l l o o nf l i g h t t e s t i sb u i l t,ah i g
7、h a l t i t u d eb a l l o o nw i n d f i e l dd a t ac o r r e c t i o nm e t h o db a s e do nt h e i n s i t ud e t e c t i o n i sp r o p o s e d T h em e t h o do b t a i n s t h ew i n d f i e l dd a t ao f as p e c i f i ca r e ar e q u i r e db yt h eh i g h a l t i t u d eb a l l o o n,p e
8、r f o r m s t h e f l i g h tt e s tm i s s i o nb ym e a n so f i n s i t ud e t e c t i o n,c o r r e c t st h em o d e lw i n df o r e c a s tp r o d u c t,a n di m p r o v e s t h ea c c u r a c yo f t h ew i n d f i e l dd a t a i nt h eh i g h a l t i t u d eb a l l o o nf l i g h t t e s t a
9、r e a T h ea c c u r a c yo f t h ec o r r e c t e dw i n d f i e l dd a t a i si m p r o v e d F i n a l l y,t h ew i n d f i e l dd a t a i nac e r t a i nr e g i o no fC h i n a i su s e d t os u c c e s s i v e l yc a r r yo u t t h e s i m u l a t i o nt e s t a n da c t u a l f l i g h tt e s
10、t T h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t t h e I S Dc a ne f f e c t i v e l y r e d u c e t h e a v e r a g e r e l a t i v e e r r o r o f t h ep r e d i c t e dw i n ds p e e do f t h em o d e lw i n d;T h euw i n de r r o r c h a n g e s f r o m m/so f t h em o d e lw i n d f o r e
11、 c a s t t o m/so f t h eI S D m o d e l,r e a c h e sad e c r e a s eo f ;T h evw i n de r r o r c h a n g e s f r o m m/so f t h em o d e lw i n d f o r e c a s t t o m/so f t h e I S Dm o d e l,a n d r e a c h e s ad e c r e a s eo f ,w h i c he f f e c t i v e l y i m p r o v e s t h ea c c u r
12、a c yt h em o d e lw i n d f o r e c a s t K e y w o r d s:I S D;m o d ew i n d;w i n dv e c t o r;h i g h a l t i t u d eb a l l o o n;c o r r e c t i o n引言临近空间(n e a r s p a c e),也叫“近太空”或“高高空”,通常是指距地面 k m高度之间的空间范围,在大气分层结构中处于平流层和中间层.这一空间高于一般航空器可控飞行的高度,而又低于航天器维持近地轨道飞行的最低高度,是一个待开拓的空间圈层.这一区域介于传统航空器的飞行
13、高度和航天器的轨道高度之间,因为其独特的高度和环境特征,具有巨大的发展潜力.高空气球(以及超压气球)作为临近空间平台的一种,其飞行高度在平流层范围内,且与飞机、滑翔机等传统飞行器不同,高空气球对发放场地要求不高,几乎可以在任何地点发放,并同时具备着发放准备周期短,飞行成本低等优点,可以为科学研究和各种高空任务提供了一种低成本的稳定平台.高空气球不同于需要耗费大量能源维持动升力的传统飞行器,其主要依靠自身比重低于空气从而获得静浮力升空这一特性实现驻空.这一特性使得高空气球不同于传统耗费能源维持动升力的飞行器,高空气球具有了驻空时间长,低能耗等特点,成为了临近空间飞投稿网址:w w wj s j
14、c l y k z c o m计算机测量与控制第 卷 行器技术的主要研究方向之一.但高空气球主要依靠净浮力这一特性,也导致了其主动控制能力较弱.因此,现代高空气球一般通过调节浮重平衡来控制垂直方向上的运动,从而间接地利用风层实现路径控制.在这一领域,谷歌公司利用强化学习方法来进行对高空气球的飞行任务分析、规划和控制,进而做出飞行控制决策,并最终实现了月级的区域驻空目标.谷歌团队的M a r cB e l l e m a r e等人通过人工智能控制器能根据风的历史记录、预报、局地风观测和其他因素(如氦气损失和电池疲劳),决定如何移动气球从而依靠风速和风向的变化来飞行到任务所需位置.高空气球能否有
15、效地利用风场对其实现飞行轨迹控制起着决定性的作用,因此有效提升飞行空域风场预报数据的精度和准确度十分重要.目前在实际实验和仿真过程中使用的风场预报数据主要来自于美国国家环境预报中心N C E P数据、欧洲气象局E CM WF数据、以及国家气象台G R A P S数据以及中山大学R e MA P S数据.以上各个数据源通常提供全球未来 天左右的气象预报数据,通过格点形式记录风速、高度、温度、相对湿度等信息,格点密度从 到 经纬度,高度分层通常包含从k P a共 或 个等压面风场分层.现有预报模型的预报尺度较大,其等压面层数及预测精度可以满足飞机、火箭等部分高速飞行器的气象数据需求,但对高空气球这
16、种低速飞行器来说,此预报数据一定程度上存在着精度低和实时性差等问题.领域内目前对于高空气球的实际飞行实验和仿真模拟过程中,普遍选择基于E CMWF模式风预报产品对风场环境进行判断,并进而通过调节高空气球飞行高度来完成区域驻留的目标,其有效驻留控制半径在 k m以上.但这对于高空气球这一低速飞行器来说,此控制精度还有着一定问题,尤其是在对高空气球落点判断这一及其依赖风场环境准确度的方面.因此,就高空气球飞行实验领域而言,目前的气象预报数据在一定程度上存在着数据稀疏、精度不足、实时性差等问题.原位数据指通过相关探测手段,从而直接观测到的位于探测点的真实数据.在执行高空气球的飞行试验任务时,其所需原
17、位数据的获取主要来自探空气球以及高空气球自身的测量设备.进行高空气球飞行试验时,在试验期间以及发放前均会释放探空气球进行风场环境探测,且高空气球在执行飞行任务时同样会携带相应可以探测风场数据的载荷来获取自身所在位置的风场情况.高空气球本身无动力,随风飘飞.其自身即可作为风场测量平台进行原位探测;且在执行高空气球飞行试验任务期间,实验人员将会在所需地点按照飞行需求发放探空气球.因此,在原位探测数据的数据量相对充足的前提下,本文提出了一种基于原位探测数据的针对高空气球特定飞行任务需求的风场数据插值与修正方法.高空气球飞行平台经过几十年的发展,高空气球的能力和可靠性已经有了大幅提高.国外方面,美国自
18、二十世纪六七十年代起,便已经开始利用高空气球进行各种高空观测和试验任务.在 年挑战者号航天飞机事故使得大量任务被迫停滞的背景下,美国国家航天局(NA S A)进一步意识到航天飞机的局限性,在高空气球方面经验丰富的NA S A随即提出在极地进行长时间气球飞行的长航时气球(L D B,l o n gd u r a t i o nb a l l o o n)计划,以部分替代航天器开展任务,并逐步形成规模,一些原本无望实现的任务得以再次执行.在 年,NA S A针对气球飞行时间相较卫星而言太短的问题,进一步提出了超长航时气球(U L D B,u l t r al o n gd u r a t i o
19、nb a l l o o n)计划.日本于 世纪初期在南极洲的S y o w a站开展了P P B(p o l a rp a t r o lb a l l o o n)计划,通过高空气球这一平台来进行地球物理观测.在我国,中国科学院于 世纪 年代建立起完整的高空气球系统并完成了大量的飞行.在超压气球研究方面,中科院在 世纪末便已经着手进行超压气球的相关理论研究 和小型超压气球的研发和制作.中国科学院在此方面多次开展相关实验,并于 年月启动了A类战略性先导科技专项 “鸿鹄专项.该专项以“认得清、留得住、用的上”为总目标,将突破一系列浮空器相关关键技术,构建我国第一个临近空间科学实验系统,加强对临
20、近空间的认识.风场数据插值与修正方法现有的风场数据处理方法可大体上分为两类,即基于相关数学处理手段的插值方法和基于气象学知识的风场数据修正方法.基于数学处理手段的插值方法是通过采用数据处理中较为常见的方法,如双线性插值、多项式插值、最邻近插值等方法,较为直接地将实测数据插入到原始预测数据中.如J a r d i n等 首先构建出风场格点网络,并继而选择采用全局多项式插值这一传统数据处理方法进行直接插值处理,最终得到了新的风场格点数据.柳婧 使用最优插值算法将海面风矢量进行了插值融合.董志南等 采用了多种插值方法进行了插值实验,并结合实测风场风速数据进行了对比验证,最终认为空间插值方法可以有效地
21、模拟出所需区域的风场环境信息.以上这些以及其他基于数学处理手段的插值方法,通过其模型原理可知,此类方法具有传统数据处理方法的快速、数据量要求小及应用范围广等优点.但是,高空气球的飞行领域为平流层这一大尺度的飞行高度,平流层风场环境具有着数据量小、采样难度高、且实测数据无法在时间和空间上高度连续等问题,因而在高空气球这一领域,对传统的基于数学处理手段的直接插值方法应用较少.基于气象学知识的风场数据修正方法则是通过结合风场的相关基础特性,在对原始的预报数据和实测数据进行一定的处理后,进一步将两者进行融合修正,从而得到最终所需风场信息.B e l l e m a r e使用高斯过程将气球数据与风预测
22、融合在一起,将预测数据与气球数据加权平均,并投稿网址:w w wj s j c l y k z c o m第期崔宇轩,等:基于原位探测的高空气球风场数据修正方法 产生方差.G a n d i n 将最小方差作为约束条件,进而使用最优插值法进行了风场融合插值,最终得出所需的风场融合数据.朱成阵等 使用了气象学专业较为传统的内插外推法,收集所需位置的风场的实测数据和气象预报数据,结合气象学相关知识结合最小二乘法将线性风模型与预报风数据进行了融合.但由于风场模型较为复杂,基于气象学知识的风场数据修正方法对计算机算力要求较高,且对与高空气球所处平流层这一大尺度飞行区域,传统的基于气象学知识的风场数据修
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 原位 探测 高空 球风 数据 修正 方法
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。