[论文解读] Measurements of gondola motion on a stratospheric balloon flight

Margarita Safonova, K. Nirmal+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2016

Aerospace Engineering and Energy Systems被引用 8

一句话总结

本研究利用惯性测量单元（IMU）在一次持续4.5小时的平流层高空气球飞行中测量了 gondola 的三轴运动，结果显示在浮空高度（31.2 km）时载荷运动显著稳定，方位角、俯仰角和倾斜角的均方根角速率分别为 0.5865°/s、0.0104°/s 和 0.01°/s。该数据为未来高空气球天文任务中稳定指向系统的设计提供了关键的基准扰动特性。

ABSTRACT

Balloon experiments are an economically feasible method of conducting observations in astronomy that are not possible from the ground. The astronomical payload may include a telescope, a detector, and a pointing/stabilization system. Determining the attitude of the payload is of primary importance in such applications, to accurately point the detector/telescope to the desired direction. This is especially important in generally unstable lightweight balloon flights. However, the conditions at float altitudes, which can be reached by zero pressure balloons, could be more stable, enabling accurate pointings. We have used the Inertial Measurement Unit (IMU), placed on a stratospheric zero pressure balloon, to observe 3-axis motion of a balloon payload over a fight time of 4.5 hours, from launch to the float altitude of 31.2 km. The balloon was launched under nominal atmospheric conditions on May 8th 2016, from a Tata Institute of Fundamental Research Balloon Facility, Hyderabad.

研究动机与目标

• 为了表征平流层高空气球飞行期间的自然 gondola 运动，为天文观测稳定指向系统的设计提供依据。
• 量化轻型载荷在爬升和浮空阶段所经历的扰动，特别是方位角、俯仰角和滚动方向的扰动。
• 评估在标准大气条件下，载荷在浮空高度（31.2 km）的稳定性。
• 为未来高空高空气球任务中闭环指向系统的发展，提供角运动和加速度的实测数据。

提出的方法

• 将一个 x-IMU 传感器（配备三轴加速度计、陀螺仪和磁强计）安装在 gondola 上，以在整个飞行过程中记录运动和环境数据。
• 通过内置的 4 GB SD 卡和 1000 mAh 锂聚合物电池连续记录数据，确保运行时间超过 12 小时。
• 将飞行数据与 TIFR-高空气球设施的 GPS 和遥测数据同步，以关联 gondola 运动与风向和高度的关系。
• 从 IMU 数据中提取角速率和加速度，并对爬升阶段和浮空阶段进行时域分析。
• 根据每 10 秒一次的 GPS 位置数据，使用气象学惯例计算风向。
• 进行运动的统计分析，包括均方根角速率以及 X、Y 和 Z 轴方向的平均加速度分量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在平流层高空气球飞行的爬升阶段和浮空阶段，gondola 在滚转、俯仰和偏航方向上的运动幅度及其时间行为如何？
• RQ2 在浮空高度时，风向变化与 gondola 方位角运动之间存在何种相关性？
• RQ3 与较低高度相比，载荷在浮空高度（31.2 km）的运动稳定程度如何？
• RQ4 在浮空阶段，gondola 所经历的平均加速度分量（X、Y、Z）是多少？
• RQ5 gondola 内部的热环境与外部平流层环境相比如何？

主要发现

• 载荷于 IST 时间 08:35 左右达到最大浮空高度 31.2 km，约在发射后 2 小时。
• 在浮空阶段，gondola 的均方根角速率分别为：方位角 0.5865°/s，俯仰角 0.0104°/s，倾斜角 0.01°/s，表明在浮空高度时存在显著稳定。
• Z 轴（垂直方向）的平均加速度为 1.026g，与浮空期间垂直方向净加速度接近零一致。
• X 轴的平均加速度为 0.176g，Y 轴为 0.0036g，表明浮空期间横向受力极小。
• gondola 内部平均温度为 34.35°C，而浮空高度外部温度为 -32°C，证实了有效的热绝缘性能。
• 在爬升阶段风向变化迅速，但在浮空阶段趋于稳定，与 gondola 方位角运动减少相关。