CN103150414B

CN103150414B - 基于stl的通信卫星大天线对太阳翼遮挡分析方法

Info

Publication number: CN103150414B
Application number: CN201210192712.9A
Authority: CN
Inventors: 徐春生; 孙治国; 刘丽坤; 韩庆虎; 梁新刚
Original assignee: China Academy of Space Technology CAST
Current assignee: China Academy of Space Technology CAST
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2017-07-18
Anticipated expiration: 2032-06-13
Also published as: CN103150414A

Abstract

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。本发明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，包括(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。本发明的方法可得到任意时刻大天线对太阳翼的遮挡情况，便于供配电设计师直观的分析，简化了计算过程，便于工程实施。

Description

基于STL的通信卫星大天线对太阳翼遮挡分析方法

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，所述的数据处理步骤如下：

(a)以一个相对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，(x_i，1～3，y_i，1～3，z_i，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，θ_x是太阳翼法向矢量和太阳光入射方向的夹角，R_x(θ_x)为绕卫星x轴的旋转矩阵，θ_y是太阳翼相对卫星的转动角，R_y(θ_y)为绕卫星太阳翼帆板驱动机构旋转轴的旋转矩阵；

(b)剔除大天线的STL数据文件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，使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数据为Antenna_STL_Final；

(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；所述的遮挡情况判断方法如下：

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C，Antenna_STL_Final中某一个三角形网格D，判断所述的三角形网格C和三角形网格D的几何关系是相离或相交或三角形网格C包含三角形网格D或三角形网格D包含三角形网格C，若为后三种情况之一，则判断该电池片的1/(4n)被遮挡，并将三角形网格C的遮挡标志位记为1，否则记为0；n为插值次数；Solar_STL_Final为按照步骤(3)插值法处理完毕后的STL数据；

判断三角形网格C和三角形网格D是否为包含关系：

(a)判断三角形网格C的某一条边的两个顶点是否和三角形网格D的某一点组成的行列式的值大于0；

(b)若步骤(a)中所述的行列式的值大于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)，直至判断完三角形网格D的三个顶点和三角形网格C的三条边的关系；

(d)若所述的相含标志位为9，则三角形网格C包含三角形网格D；

(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，(x_i，1～3，y_i，1～3，z_i，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；θ_x是太阳翼法向矢量和太阳光入射方向的夹角，R_x(θ_x)为绕卫星x轴的旋转矩阵；θ_y是太阳翼相对卫星的转动角，R_y(θ_y)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*S_stl

S_stl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。

Claims

1.一种基于STL的通信卫星大天线对太阳翼遮挡分析方法，其特征是：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；

\begin{matrix} ({x^{'}}_{i, 1 ~ 3}, {y^{'}}_{i, 1 ~ 3}, {z^{'}}_{i, 1 ~ 3}) = (x_{i, 1 ~ 3}, y_{i, 1 ~ 3}, z_{i, 1 ~ 3}) R_{x} (θ_{x}) R_{y} (θ_{y}) \\ = (x_{i, 1 ~ 3}, y_{i, 1 ~ 3}, z_{i, 1 ~ 3}) (\begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & c o s (θ_{x}) & s i n (θ_{x}) \\ 0 & - s i n (θ_{x}) & \cos (θ_{x}) \end{matrix}) (\begin{matrix} c o s (θ_{y}) & 0 & - s i n (θ_{y}) \\ 0 & 1 & 0 \\ s i n (θ_{y}) & 0 & \cos (θ_{y}) \end{matrix}) \end{matrix}

(b)剔除大天线的STL数据文件中法向矢量的的三角形网格；

处理完毕后的STL数据为Antenna_STL_Final；

判断三角形网格C和三角形网格D是否为包含关系：

(6)根据遮挡情况计算遮挡面积，并生成分析图。

2.根据权利要求1所述的一种基于STL的通信卫星大天线对太阳翼遮挡分析方法，其特征是：在所述的步骤(1)中，将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，得到太阳翼电池片的STL数据文件和大天线的STL数据文件，所述数据文件将三维模型表面离散化成三角形网格的形式，包含了每个三角形网格的位置信息和法向矢量信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于STL的通信卫星大天线对太阳翼遮挡分析方法，其特征是：在所述的步骤(2)中，提取太阳翼电池片的STL数据文件中法向矢量的的三角形网格，形成“Solar_STL_Valid”的新数据文件。

4.根据权利要求1所述的一种基于STL的通信卫星大天线对太阳翼遮挡分析方法，其特征是：在所述的步骤(3)中的插值方法为简单的插值方法，所述的简单的插值方法包括选取原三角形网格的三条边的中点，连接这三个中点，将原三角形分割为四个三角形，处理完毕后的STL数据为Solar_STL_Final。

5.根据权利要求1所述的一种基于STL的通信卫星大天线对太阳翼遮挡分析方法，其特征是：在所述的步骤(6)中，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；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*S_stl

S_stl为每个电池片插值后的网格的面积。