高空气球为临近空间中的研究提供了可靠的低成本平台，目前高空气球球形一般直接采用“自然形”或者以“自然形”为基础，如何通用、简捷的求解“自然形”气球外形方程一直是一个难点。此外，现在国内外对高空气球外形的研究主要关注于完全膨胀时的球形，对所设计的球形在升空过程时的外形研究较少。本论文以此为切入点，将球形计算作为本文核心研究对象，在此基础上对高空气球升空段参数做拟合公式，同时整理高空气球飞行仿真模型并进行仿真分析。本文的主要研究内容及结论如下:
　　首先，基于最优控制领域成熟的求解工具——“高斯伪谱法最优化软件包”，提出将“自然形”气球外形方程转化为最优控制描述并用求解工具求解“自然形”气球外形方程的思路，该方法得到的球形数据与文献的中的一致，表明该方法的有效性。同时通过分析高空气球外形数据得到外形变化规律，设计通用求解算法。所设计的通用算法通过迭代计算球形，避免了人工调参。
　　其次，建立一般气球升空过程的外形模型。通过观察将一般气球升空过程外形分为成形的设计球形以及非成形的“自然形”球形，对于不同飞行高度，若能知晓成形与非成形出的分界点则可得到所设计球形在此高度的外形。然而该问题较难求解，故转而求其反问题。根据理论分析以及工程算例的计算结果，得到飞行高度与分界点一一对应的结论，因此可以通过大量计算得到分界点与飞行高度的关系，从而求解不同飞行高度下，所设计球形的外形数据。
　　然后，针对“自然形”气球外形，建立了发放线问题数学模型，并以特征系数的形式给出发放线问题的工程描述，从而将寻找最优气泡底部张角转化为寻找最优特征系数。此外本文提供了各期望气泡张角对应的特征系数，为工程试验提供参考数据。
　　接着，在球形计算的基础上对常用零压球以及超压球的球体表面积、最大半径、球体高度、零压面高度、形心、质心以及转动惯量做了拟合公式，并基于均方根误差这一指标保证了拟合公式的精度。
　　最后，通过查阅文献，整理了高空气球升空段的飞行模型，对其中的形体参数用拟合公式代替，并基于simulink进行仿真分析。仿真结果发现，所整理的模型数据与实际飞行数据较为吻合，因此该飞行模型可以为高空气球上升过程提供参考依据。