基于轨迹族传播与能量耦合模型的平流层飞艇可达集快速近似估计方法

《Aerospace》：Fast Reachable-Set Estimation for Stratospheric Airships Considering Day–Night Energy Constraints

　　

摘要

平流层飞艇利用太阳能在临近空间环境中进行长时段驻空；然而，时变风场与日循环能流之间的强耦合关系对其运行安全构成了重大挑战。本文提出了一种快速近似估计平流层飞艇可达集的框架，该方法通过在给定风场和速度策略下传播固定航向的轨迹族来实现。一种耦合的运动学与能量模型保留了每条轨迹的位置和电池荷电状态（SOC）。采用四阶龙格-库塔（RK4）积分传播轨迹集合。进一步采用 Alpha-shape 算法重构采样得到的可达包络，作为可达集的几何近似。针对四个冬季和夏季日期的能量耦合 36 小时仿真结果表明，启发式能量感知策略在三种受测策略中产生了最大的终端包络面积。在另一项六小时运动学基准测试中，两种方法的能量约束均未激活，基线射线计算耗时 0.807 秒，与 2.5 公里网格分辨率的水平集参考之间的双向豪斯多夫距离为 5.086 公里。