法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2017-07-18
授权
授权
2014-12-03
文件的公告送达 IPC(主分类):G06F17/50 收件人:中国空间技术研究院 文件名称:发明专利申请进入实质审查阶段通知书 申请日:20120613
文件的公告送达
2014-08-13
实质审查的生效 IPC(主分类):G06F17/50 申请日:20120613
实质审查的生效
2013-06-12
公开
公开
技术领域
本发明涉及基于STL的通信卫星大天线对太阳翼遮挡分析方法,属于卫星设计技术领域。
背景技术
随着通信卫星实现任务的复杂程度越来越高,星载大天线口径越来越大。大天线和太阳 翼在卫星发射时收拢在卫星舱板上,在轨展开。对于通信卫星来说,太阳翼始终对日定向。 若卫星在轨姿态连续偏置,太阳翼与太阳光夹角会呈现周期性变化。随着太阳光和太阳翼的 法向矢量两者之间夹角的变化,在某些特定时刻,大天线将对太阳翼造成遮挡,其实质是对 太阳翼上电池片的遮挡。遮挡使投射到部分电池表面的太阳光强度减小,导致其整串太阳电 池输出电流下降,太阳电池阵输出功率衰减。
为了在卫星设计初期综合考虑整星功率、大天线布局以及太阳翼的结构形式和电池片布 片方式,有必要研究大天线对太阳翼上电池片的遮挡。
以往的通信卫星太阳翼所受遮挡影响的分析方法,主要是按照太阳光和太阳翼法向矢量 的夹角的变化,在三维模型中将太阳翼转动相应的夹角,然后看大天线对太阳翼的遮挡。这 种方法主要有以下不足:
(1)一般多考虑太阳光在极限情况下(太阳光入射方向和太阳翼方向夹角为23.5度) 时,大天线对太阳翼的遮挡。但目前有些通信卫星不再是标准的同步轨道,而是小倾角同步 轨道,卫星姿态、太阳光矢量和太阳翼的相对几何关系难以准确表达,这样使得原有的极限 位置不再适用;
(2)除了轨道变化外,有些大天线还绕卫星转动,此时,原有分析方法中的简单极限位 置也不再适用;
(3)原有的分析方法除极限位置外,若详细考虑其他位置的遮挡,需人工调整三维模型, 工作量较大;
(4)由于在三维软件中将太阳翼转动了一定的角度,不利于供配电设计师按照这种转动 后的遮挡图进行太阳翼上电池片的布片设计;
(5)以往分析方法只是将整个太阳翼做为一个整体进行简单的几何分析,未考虑实际的 电池片布片情况。
发明内容
本发明所解决的技术问题是:克服现有大天线对太阳翼遮挡影响分析方法的上述不足情 况,提供一种根据卫星轨道倾角、姿态偏置,可有效分析大天线对太阳翼遮挡分析的方法。
为解决上述技术问题,本发明提出了一种基于STL(Stereo Lithographic)的遮挡分析 方法,包括如下步骤:
(1)将待分析对象的三维模型转化为STL数据文件;
(2)提取太阳翼电池片STL数据中有效的三角形网格;
(3)对太阳翼电池片三角形网格进行插值处理;
(4)将大天线STL数据处理后投影到太阳翼电池片所在平面;
(5)在二维平面判断电池片和大天线的三角形网格的遮挡情况;
(6)根据遮挡情况计算遮挡面积,并生成分析图。
本发明给出了一种遮挡判断的几何分析方法,根据太阳光线和太阳翼法向矢量之间的夹 角,可以得到任意时刻、任意轨道位置太阳翼所受遮挡情况,且只需给出太阳翼和大天线初 始位置的三维模型,大天线相对于太阳翼的其他位置模型通过程序来实现,这样只要知道卫 星的轨道位置,就可以得到任意时刻大天线对太阳翼的遮挡情况;
本发明不再转动太阳翼的朝向,而是相对太阳翼的主视图,将天线向相反方向转动一定 角度后,进行遮挡分析,这样,得到的遮挡结果图有利于供配电设计师直观的分析;
本发明将太阳翼上的电池片按照实际尺寸和位置摆放,然后再提取其STL信息,这样得 到的太阳翼所受遮挡情况即为实际的电池片受到的遮挡结果,避免了以往分析中不考虑电池 片几何信息的情况;
为了简化计算,使本项目更适合工程应用,本项目不求取三角形网格相交和互相包含后 的交点及相交面积,而是将太阳翼电池片产生的STL数据进行插值处理,使每个电池片均分 解为细小的三角形单元,这样,某一细小的三角形单元(记为A)和大天线三角形单元(记 为B)相交或包含,即判定A被遮挡。这种处理简化了计算过程,符合工程应用。
附图说明
图1为本发明所涉及方法的流程图;
图2为本发明所采用的STL微元几何(即三角形网格)示意图;
图3为太阳翼上电池片受到1个三角形网格遮挡的分析结果示意;图3(a)为插值前的分 析结果图,图3(b)为插值后的分析结果图;
图4为星载大天线和太阳翼整翼的电池片STL网格化后的模型;
图5为星载大天线对太阳翼的遮挡分析示意图;
图6为图5中所受遮挡部位局部放大图。
具体实施方式
开展大天线对太阳翼遮挡分析技术研究,考虑轨道倾角、姿态偏置和天线结构,利用信 息化手段解决大天线对太阳翼几何遮挡分析,可以满足后续新型号研制需求。
下面结合附图详细介绍本发明的实施过程。本发明的实施如图1所示,具体步骤如下:
(1)将待分析对象的三维模型转化为STL数据文件:
STL(stereo lithographic)是美国3D System公司1988年开发的用于快速成型制造技术 的表面模型数据交换标准。目前,AutoCAD、Pro/E、UG、SolidWorks、I-DEAS、CAXA等 软件均能输出以STL表示的三维实体模型。
太阳翼电池片和大天线的三维模型各自以卫星机械坐标系为基准,选择合适的“弦高” 和“角度控制”两个参数后,得到两组STL数据文件(太阳翼电池片的STL数据文件记为 “Solar_STL_Original”,大天线的STL数据文件记为“Antenna_STL_Original”)。该数据文 件将三维模型表面离散化成三角形网格的形式,如图2所示,包含了每个三角形网格的位置 信息和法向矢量信息。
(2)按照太阳翼电池片的STL数据中的法向矢量信息,提取出有效的三角形网格信息:
对本发明涉及到的分析任务来说,太阳翼电池片的+Z向(与卫星机械坐标系Z轴正向相 同的方向)向受到大天线的遮挡,所以提取“Solar_STL_Original”中法向矢量的的三 角形网格,形成“Solar_STL_Valid”的新数据文件。
(3)对“Solar_STL_Valid”数据进行插值处理:
由于在三维软件中,像电池片这种法向矢量单一的模型,每个电池片只会生成2个三角 形网格,如图3所示,图中电池片只是整个太阳翼电池片的一小部分,黑色部分为被遮挡网 格,不能满足分析的需要,所以需对网格进行插值。本发明中采用简单的插值方法,即选取 原三角形网格的三条边的中点,连接这三个中点,从而将原三角形分割为四个三角形。处理 完毕后的STL数据记为“Solar_STL_Final”;图3(a)为插值前的分析结果图,图3(b)为插值 后的分析结果图;插值后,每个单元格的面积由616.6mm2变为9.6mm2。
(4)将“Antenna_STL_Valid”数据投影到太阳翼电池片所在平面:
由于本发明最终得到的遮挡分析图,是使太阳翼电池片所在平面一直垂直于屏幕向外, 所以需将大天线的STL数据进行如下3步处理:
(a)以一个相对太阳翼的旋转角度(即太阳翼法向矢量和太阳光入射方向的夹角)和太 阳翼相对卫星的转动角进行逆向旋转:
上式中,(xi,1~3,yi,1~3,zi,1~3)为更改前的大天线三角形网格3个顶点的坐标; (x′i,1~3,y′i,1~3,z′i,1~3)为更改后的大天线三角形网格3个顶点的坐标;θx是太阳翼法向矢量和 太阳光入射方向的夹角,Rx(θx)为绕卫星x轴的旋转矩阵;θy是太阳翼相对卫星的转动角, Ry(θy)为绕卫星太阳翼帆板驱动机构旋转轴的旋转矩阵;
(b)大天线-Z向(与卫星机械坐标系Z轴正向相反的方向)的表面不会独立出现,势 必会和其他表面对太阳翼电池片产生重复遮挡,所以剔除“Antenna_STL_Original”中法向 矢量的的三角形网格;
(c)将每个三角形网格的Z坐标值改为和太阳翼电池片+Z向平面所在的值,从而使得 接下来的三角形遮挡分析从三维空间转换到二维平面。
处理完毕后的STL数据记为“Antenna_STL_Final”。
(5)在二维平面上,针对“Solar_STL_Final”中的每个三角形网格,判断其和“Antenna _STL_Final”中每个三角形网格的遮挡情况:
对于“Solar_STL_Final”中某一个太阳翼电池片插值后的网格形成的三角形网格(记为 C),按照如下四种情况逐一判断其和“Antenna_STL_Final”中某一个三角形网格(记为D) 的几何关系:相离、相交、C包含D,D包含C,若为后三种情况之一,则判断该电池片的1/(4n) 被遮挡,并将C的遮挡标志位记为1,否则记为0;n为插值次数,该插值次数为自然数,插 值次数的选取按照实际分析情况和计算机的计算能力,并且所需计算的面积满足工程需要即 可。
判断两个三角形是否相交,采用文献“一种快速判断线段相交的方法”(测绘通报2003 年第7期)中给出的办法,即判断两个线段向量的混合积是否满足一定条件。
判断两个三角形是否包含,如判断C是否包含D,采用的方法基于文献“三角形和三角 形相交测试技术研究”(计算机仿真第23卷第8期2006年8月)中的判断矩阵的行列式的方 法,即若C的某条边的两个顶点和D的某一个定点组成的行列式的值大于0,则C的两个顶 点和D的这个顶点构成顺时针。
(a)判断C的某一条边的两个顶点是否和D的某一点组成的行列式的值大于0;
(b)若大于0,则相含标志位加1(相含标志位初始值为0);
(c)重复步骤(a),直至判断完D的三个顶点和C的三条边的关系;
(d)若相含标志位为9,则判断C包含D。
(6)根据步骤(5)得到的两个STL中的三角形互相遮挡情况,计算遮挡面积,并生成 遮挡图;
根据步骤(5)中,所有太阳翼电池片三角形网格的遮挡标志位数目为num_mark,则总 的遮挡面积为:
S=num_mark*Sstl
Sstl为每个电池片插值后的网格的面积。
实施例1
设定星载大天线构型及其在卫星上安装位置如图4所示。按照图1所示流程,分别提取 天线和太阳翼上电池片的STL数据后,得到图4所示的模型。
接下来对太阳翼电池片的STL数据进行插值处理,插值次数以满足工程需要为准即可。
假定太阳光入射方向和太阳翼法向矢量的夹角为X-23.5°,太阳翼相对卫星的转动角为 Y50°,将大天线的STL数据经过绕X轴顺指针转23.5°、绕Y轴逆时针转50°(旋转角度 和入射光与太阳翼法向矢量相反,是为了使得最后绘制出来的遮挡分析图中,太阳翼电池片 正面保持为主视图方向),并使得其Z向数据等于太阳翼电池片的Z向数据。
然后进行遮挡分析,得到的遮挡示意图如图5和图6所示。图5中,太阳翼电池片经过 插值以后,共生成46136个三角形网格,其中的735个网格受到天线的遮挡,遮挡率为1.59%。
本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。
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