极涡风场中平流层浮空器轨迹仿真研究

龙 远，邓小龙，杨希祥，侯中喜

(国防科技大学空天科学学院，湖南 长沙 410073)

1 引言

由于其独特的地缘战略价值和丰富的战略资源储备，极地地区是当前世界各国争相开发和利用的前沿热点[1]。现有的极地勘探手段众多，主要包括极地科考船平台、卫星遥感平台、极地科考站、无人机平台和浮标平台等。但是，它们均存在不同程度上的局限性，如船舶破冰能力有限，受冰面和天气限制严重；卫星过顶时间短，资源昂贵；科考站受天气限制，需人员长期驻留，且覆盖范围有限；飞机续航能力不足，不能持久驻空等。为了巩固在极地地区的利益，世界各国均在大力发展新型极地探测与保障手段。平流层浮空器作为承载平台具备长航时大范围信息获取的能力，在极地地区的持久大范围信息保障方面具有巨大潜力[2-4]。

研究表明，极涡是一种存在于极地地区中上层对流层和平流层大气的持续性大尺度气旋性环流[5]，利用极涡这种持续性、稳定性、气旋性的特点，平流层浮空器可以实现大尺度绕极飞行。与此同时，极地存在显著的极昼现象[6]，这对于利用太阳能飞行的平台而言，可大幅降低对储能电池的需求，缩小系统运行规模，提高载荷能力和应用效费比。

对于在极涡风场中工作的平流层浮空器，由于风场紊流对绕极飞行的干扰，其面临的一个重要问题就是在设计约束下的大尺度轨迹保持能力。平流层浮空器在风场环境中的轨迹仿真与控制长期以来受到学者们关注。……