中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽合肥 230088
摘要：随着社会进步和科技发展，越来越多的高科技发明出现在我们的生活中，充实了我们的生活。比如今天我们要讲到的：近空间浮空器。近些年近空间浮空器开始快速发展，有很多地方也都有所应用，但在发展的同时，也出现了一些问题，也就是本文主要研究分析的近空间浮空器的空间分布问题，也就是近空间浮空器组网的导航定位问题。本篇文章将针对近空间浮空器和导航系统的相关知识，分析研究有关近空间浮空器的组网和导航定位方法。
关键词：近空间；浮空器；大气层；导航定位；方法
随着社会的进步，经济的增长，科学技术也越来越发达。很多高科技发明出现在我们的生活中。比如我们今天要讲到的：近空间浮空器。近空间浮空器近些年发展的越来越好，在很多地方都有所应用。但在其快速发展的同时，也有很多问题的出现，比如：近空间浮空器的空间分布问题，也就是导航定位的问题。本文将针对近空间浮空器的空间分布问题进行分析，研究出近空间浮空器的组网与导航定位的方法，并举出其仿真实验实例，力求满足导航定位服务。
一、有关近空间浮空器
1.1大气层
从物理和地理学上讲，大气层分为五层，分别是对流层、平流层、中间层、热层、散逸层。对流层最接近海平面，其质量也很大，占据整个大气的四分之三它会根据纬度、气候等因素变化，此层中的风速、风向、压强、密度和温度等等因素都是经常变化的，我们熟知的风、雨、雷、电四大现象也是出现在这一层。平流层在对流层之上，大概位置是对流层顶端到海平面以上50km处之间都是平流层。其质量只有大气的四分之一，但平流层所发挥的作用是巨大的，因为平流层中几乎没有水汽凝结，更不存在风、雨、雷、电，它有的只是大气的水平方向流动，所以飞机一般在飞行过程中都会在平流层上层飞行，因为平流层是最为平稳的。然而，平流层也不是一直稳定，研究表明，夏季的平流层是很平静的，经度方向没有波动，到了冬季，平流层就会出现扰动环流了。中间层处于平流层顶端到海平面以上80km的位置，其质量仅有大气层的三千分之一，热层的高度大概在从80km到700千米之间来回变换，热层以上的便统一称为外层或者散逸层了。有时候大气层还会被工程划分，航空层，近空间层和空间层，而近空间层便是我们下文要说的了。
1.2近空间
前文提到了大气层，那么近空间是什么呢？近空间是按照工程划分大气层时，大气层20km到100km之间的流层成为近空间层，近空间层的位置通俗来说就是比飞机飞的位置高一点，比卫星的运行轨道低一些的位置，是一个非常特殊的位置，上下流层都已经被人类开发，唯独这一区域人类还未曾涉及。近空间层这一概念最先由美国人提出，它跨越了平流层、中间层和部分热层三部分。然而，经过人类了解，近空间层上的空气十分稀薄，空气动力和浮力也是比地面和其他流层小很多，所以在近空间层去有浮空器的存在绝对是对人类科技的一项巨大挑战。但与此同时，在近空间层释放浮空器也有很多好处，因为近空间层有平稳的的风场，太阳能效率高等等优势，但同样其臭氧、辐射等也对浮空器造成了很大程度的伤害。
1.2近空间浮空器
近空间浮空器，顾名思义，它是飞行在近空间层利用近空间层的一些有利的地方为人类执行任务的一种飞行器。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆实际上，近空间浮空器只是近空间飞行器中的一种，近空间飞行器总的来说分为两种：轻于空气的飞行器和重于空气的飞行器。不同种的飞行器所处的位置也有所不同，而轻于空气的飞行器便是本文要讲到的近空间浮空器。近空间浮空器通常飞行在平流层，比如：平流层飞艇、平流层高空气球、平流层半可控浮空器等等。而这些近空间浮空器也有一个共同的特点，它们都是无动力的飞行器，并且它们的成本低，飞行高度高，制作周期还短，灵活性也比其他飞行器强很多，它们也比其他飞行器更多为人类使用。
二、近空间浮空器的组网与导航定位方法的研究
2.1近空间浮空器导航定位技术原理
近空间浮空器的导航定位技术源于卫星的导航系统，并参考连接站和主控站进行控制，此时连接站负责接受伪卫星信号并且通过计算得出接收机位置进行定位。浮空器的导航设计主要分为空基平台、地面站控制平台、用户端三部分，然而，由于浮空站承载能力有限，所以想要在浮空站上安装钟表实现时间同步是根本不可能的，所以空基平台也就无须发出导航电文。那么要怎么实行导航定位呢？这时就要用地面站反向定位的方式。那么这又是一种什么方法呢？其实很简单，就是把所有步骤反过来就好了。首先先测量地面站与浮空器距离，这可以很好的了解到当时浮空器的定位和是否定轨。第二步可以在地面站设立原子钟。前文提到过想在浮空器中设立原子钟使达到时间一致是根本不可能的，所以我们可以反其道而行之，在地面站设立原子钟最后再传输到浮空器。
2.2近空间浮空器的组网与GDOP技术的分析
导航精度问题一直是一个十分棘手的待解决问题，接下来本文要从两种组网物理拓扑入手来分析导航的精确问题。第一种为“树形”结构，第二种为“方形”结构。这两种结构最后都会经过拓展变为规则的物理拓扑。而提到导航的精度问题就不得不提到一个概念，那就是几何精度因子，英文缩写GDOP。GDOP的主要作用是反映导航性能，其重要性不言而喻。导致卫星导航发生误差的因素有很多很多，包括星座构型。但在伪卫星定位时定位精度主要取决于两个因素：第一个是空间分布位置，这个是很普遍被人所了解的，而第二个便是伪卫星的几何分布，有人问了：伪卫星的几何分布又是什么？伪卫星的几何分布主要的衡量工具便是GDOP，所以想要导航定位更加精确，减少GDOP是十分重要的，这一方法是提高导航定位经度的重要途径也是人类一直在攻破的主要问题。那如何才能更好的解决呢？这时候我们可以做一个小测试，四个模型飞机假设为四个浮空器，人站在中央作为接收站，四个模型飞机围绕人体在人体上空围成一个球形，设球形与人所围四面体体积为V，那么GDOP与V成反比，因此只要加大V的体积便可以减少GDOP的数值。
2.3相关仿真实验
提出设想过后我们可以举以相关仿真实验加以验证。第一种首先准备四个浮空器，把四个浮空器摆成正方形，并且控制整体范围在200km·200km，各个浮空器之间彼此距离为80km，离地距离20km。正方形的仿真实验最佳的GDOP值为18.5，最佳位置通常集中在中央的小部分区域，导航分为“点状分布”，范围分散，不规律，经过实验表明，这种状况并不科学，根本不可能实现。第二种同样也是准备四个浮空器，把四个浮空器摆成树状，大概形状为从四边向中间延伸，树状的GDOP最佳数值大概在2左右，GDOP分散范围大，比较平均，况且相比起来，树状的GDOP数值要比正方形的GDOP数值好上很多，内层GDOP也很小，外层GDOP比较大，这样的状况十分符合导航的分布和要求，能够基本满足导航精度的需求。
三、结束语
近空间的得天独厚的资源优势已经受到各国的广泛重视。尤其是平流层区域。而近空间浮空器也也有了更大的使用空间，作用越来越大。本文针对近空间浮空器的不足之处，也就是组网困难，空间分布的问题进行研究和提出解决方法，为应急通讯导航提供了另外的一种思路，为其发展提供了突破口。通过构建虚拟拓扑，导航的GDOP值来满足近空间浮空器日益发展的需求，并通过仿真实验加以验证，在未来，将会有更多的解决方案推动近空间浮空器的发展。
参考文献：
[1]莫中秋,陈威屹,邓平科. 临近空间浮空器的组网与导航定位方法[J]. 计算机应用,2018,38(S2):226-230.
[2]史亚超. 基于临近空间浮空器组网对雷达的时差定位研究[D].电子科技大学,2018.
[3]张博伦,周荻,吴世凯. 临近空间高超声速飞行器机动模型及弹道预测[J/OL].系统工程与电子技术:1-10.http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20190724.1138.014.html.
[4]熊英,陈谋,吴庆宪,杨洁. 基于干扰观测器的变后掠翼近空间飞行器鲁棒跟踪控制[J]. 中国科学:信息科学,2019,49(05):585-598.
论文作者:洪宇
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第08期
论文发表时间:2019/9/10
标签：空间论文; 平流层论文; 飞行器论文; 大气层论文; 地面站论文; 位置论文; 对流层论文; 《科学与技术》2019年第08期论文;