CN106251335B - 一种基于stl网格化模型的敏感器视场遮挡区域确定方法 - Google Patents

一种基于stl网格化模型的敏感器视场遮挡区域确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于STL网格化模型的敏感器视场遮挡区域确定方法，包括：(1)将遮挡部件的三维模型转化为STL网格化模型文件；(2)提取遮挡部件的STL网格化数据；(3)将遮挡部件的STL网格化坐标数据进行处理，并转换成平面夹角数据；(4)将敏感器视场范围转化为平面夹角数据；(5)将遮挡部件的平面夹角数据与敏感器视场范围的平面夹角数据进行对比，判断敏感器视场被部件遮挡的情况；(6)绘制太阳敏感器视场遮挡图并计算遮挡面积与遮挡率。本发明可以定量给出太阳敏感器视场各象限受遮挡的情况以及所受遮挡的具体面积和遮挡率，并给出受遮挡的详细分布范围，提高了计算效率，同时为各部件布局优化设计提供参考依据。

Description

一种基于STL网格化模型的敏感器视场遮挡区域确定方法
技术领域
本发明涉及一种基于STL网格化模型的敏感器视场遮挡区域确定方法，属于卫星设计技术领域。
背景技术
太阳敏感器是卫星姿态控制系统的一个重要测量部件，也是最早用于卫星姿态测量的光学姿态敏感器。太阳敏感器是通过敏感太阳光而获得卫星姿态信息的仪器，因此，它对视场范围有较高的要求。由于平台布局的需要，其它部件可能会对太阳敏感器视场造成一定程度的遮挡，影响太阳敏感器的工作性能，进而影响卫星姿态控制系统的正常工作。
为了满足太阳敏感器视场的相关要求，保障卫星姿态测量的准确与可靠，确保卫星姿态控制系统的正常工作，有必要研究遮挡部件对太阳敏感器视场的遮挡。
以往的太阳敏感器视场所受遮挡的分析方法，主要以几何作图的形式进行定性分析。这种方法主要有以下不足：
(1)只能利用几何分析方法，在三维软件中通过作图得出太阳敏感器视场不受遮挡的最大角度；
(2)无法定量给出太阳敏感器视场各象限受遮挡的情况；
(3)由于只是采用人工作图，无法定量给出太阳敏感器视场所受遮挡的具体面积及遮挡率；
(4)不能直观的给出太阳敏感器视场所受遮挡的详细分布范围；
(5)有些遮挡部件，例如天线可能还会转动或展开，若考虑各种状态下的遮挡情况，还需人工调整三维模型，对各种状态下的遮挡情况分别作图分析，工作量较大，效率不高；
(6)对于具有简单几何外形的部件，以往方法尚能进行遮挡分析，如若涉及复杂几何外形部件的遮挡问题，则很难开展太阳敏感器视场遮挡分析。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于STL网格化模型的敏感器视场遮挡区域确定方法，可以定量给出太阳敏感器视场各象限受遮挡的情况，定量给出太阳敏感器视场所受遮挡的具体面积及遮挡率，给出视场所受遮挡的详细分布范围，旨在减少工作量，提高计算效率，便于工程设计，为优化设计提供参考依据。
本发明的技术方案是：一种基于STL网格化模型的敏感器视场遮挡区域确定方法，步骤如下：
1)将有可能遮挡敏感器视场的部件，即遮挡部件的三维模型转化为STL网格化模型文件；
2)提取遮挡部件的STL网格化数据
提取步骤1)得到的遮挡部件的STL网格化模型文件中三角形网格顶点的位置信息，将顶点i的位置信息以直角坐标系的坐标形式存为(xi,yi,zi)，其中i为1～n，n为所有顶点的总数；
3)将遮挡部件的STL网格化坐标数据进行处理，并转换成平面夹角数据
将步骤2)得到的所有的遮挡部件的三角形网格顶点i的坐标(xi,yi,zi)利用公式
转换成遮挡部件的三角形网格顶点i与敏感器中心点O的连线与xz平面的夹角αi和遮挡部件的三角形网格顶点i与敏感器中心点O的连线在xz平面的投影线段与x轴的夹角βi，将所有顶点对应的夹角以平面坐标的形式存为(αi，βi)，得到遮挡部件的平面夹角数据；所述的(x0,y0,z0)为敏感器中心点坐标；
4)将敏感器视场范围转化为平面夹角数据
将有效视场为±60°×±60°的太阳敏感器有效视场的边界面转化成平面夹角数据；作垂直于太阳敏感器基准法线的平面P，并且该平面距离太阳敏感器1个单位长度；太阳敏感器有效视场的边界面与平面P的四条交线围成一个平面矩形，该矩形的四个顶点为D1、D2、D3和D4，四条边线记为D1D2、D2D3、D3D4和D4D1；则D1、D2、D3和D4的坐标分别为 和根据几何关系，得到：D1D2直线转化为平面夹角坐标D2D3直线转化为平面夹角坐标D3D4直线转化为平面夹角坐标D4D1直线转化为平面夹角坐标
5)将遮挡部件的平面夹角数据与敏感器视场范围的平面夹角数据进行对比，判断敏感器视场被部件遮挡的情况
首先对步骤3)得到的遮挡部件的平面夹角数据(αi，βi)进行判断，将满足βi∈(-60°,60°)的坐标数据留下，记为(αi′，βi′)；其次，将留下的坐标数据(αi′，βi′)再次进行判断，将满足的坐标数据留下，记为(αi″，βi″)；此坐标数据(αi″，βi″)即为遮挡部件对敏感器视场产生遮挡的三角形网格顶点的坐标；将坐标数据(αi″，βi″)的个数记为m；将遮挡敏感器视场第一象限，即满足αi″>0，βi″>0的坐标个数记为m1，计算出第一象限遮挡坐标数占总数的比率k1＝m1/m；将遮挡敏感器视场第二象限，即满足αi″>0，βi″<0的坐标个数记为m2，则可以计算出第二象限遮挡坐标数占总数的比率k2＝m2/m；将遮挡敏感器视场第三象限，即满足αi″<0，βi″<0的坐标个数记为m3，则可以计算出第三象限遮挡坐标数占总数的比率k3＝m3/m；将遮挡敏感器视场第四象限，即满足αi″<0，βi″>0的坐标个数记为m4，则可以计算出第四象限遮挡坐标数占总数的比率k4＝m4/m；
对比计算得到的各个象限遮挡坐标数占总数的比率，找出最大比率所对应的象限，则该象限受遮挡最为严重，并将该比率记为kmax；判断kmax是否小于太阳敏感器的设计要求值，若小于，则进行步骤6)；若不小于，则调整遮挡部件和太阳敏感器的相互位置关系，再次按步骤1)～步骤5)进行遮挡分析，直至满足太阳敏感器的设计要求值；
6)绘制太阳敏感器视场遮挡图并计算遮挡面积与遮挡率
将步骤4)得到的敏感器视场平面夹角坐标绘制于平面坐标系，并将其所围成的面积记为S视场，将步骤5)得到的坐标数据(αi″，βi″)也绘制于同一平面坐标系内，并将其所围成的面积记为S遮挡，记遮挡率K＝S遮挡/S视场；由此得到太阳敏感器视场遮挡图。
步骤1)的具体方法为：以卫星机械坐标系为基准，将遮挡部件的三维模型转化为STL网格化模型文件，STL网格化模型文件将三维模型表面离散化成三角形网格的形式，包含每个三角形网格顶点的位置信息；所述卫星机械坐标系的原点位于卫星质心，x轴正方向指向卫星东板，y轴正方向指向卫星南板，z轴正方向根据右手法则确定。
本发明与现有技术相比的优点在于：将本发明提出的分析方法用于太阳敏感器视场遮挡分析，可以定量给出太阳敏感器视场各象限受遮挡的情况，解决定量计算太阳敏感器视场所受遮挡的具体面积及遮挡率，给出视场所受遮挡的详细分布范围，克服为分析各种状态下的遮挡情况而导致的工作量大的问题，提高了计算效率，同时为各部件布局优化设计提供参考依据。优化各部件与太阳敏感器的相互位置关系，减少不必要的结构重量，减轻卫星发射重量，降低发射成本。
附图说明
图1为本发明所涉及方法的流程图。
图2为太阳敏感器视场示意图。
图3为遮挡部件对太阳敏感器视场遮挡图。
具体实施方式
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)将有可能遮挡敏感器视场的部件(以下简称遮挡部件)的三维模型转化为STL网格化模型文件；
以卫星机械坐标系(该坐标系的原点位于卫星质心，x轴正方向指向卫星东板，y轴正方向指向卫星南板，z轴正方向根据右手法则确定)为基准，将遮挡部件的三维模型转化为STL网格化模型文件，STL网格化模型文件将三维模型表面离散化成三角形网格的形式，包含每个三角形网格顶点的位置信息；
(2)提取遮挡部件的STL网格化数据；
提取步骤1)得到的遮挡部件的STL网格化模型文件中三角形网格顶点的位置信息，例如，将顶点1的位置信息以直角坐标系的坐标形式存为(x1，y1，z1)，顶点2的位置信息以直角坐标系的坐标形式存为(x2，y2，z2)，以此类推，顶点i的位置信息以直角坐标系的坐标形式存为(xi，yi，zi)，其中i为1～n，n为所有顶点的总数。将所有顶点的位置信息保存为有效的坐标数据文件；
(3)将遮挡部件的STL网格化坐标数据进行处理，并转换成平面夹角数据；
将步骤2)得到的所有的遮挡部件的三角形网格顶点i的坐标(xi，yi，zi)利用公式
转换成俩夹角αi，βi(如图2所示：(x0,y0,z0)为敏感器中心点O的坐标，(xi,yi,zi)为三角形网格顶点i的坐标；顶点i在xz平面的投影为i’,坐标为(xi,0,zi)；将光线Oi与xz平面的夹角定义为αi；光线Oi在xz平面的投影Oi’与x轴的夹角定义为βi)，将所有顶点对应的夹角以平面坐标的形式存为(αi，βi)，得到遮挡部件的平面夹角数据。其中i为1～n，n为所有顶点的总数。
(4)将敏感器视场范围转化为平面夹角数据；
以有效视场为±60°×±60°的太阳敏感器为例，将其有效视场的边界面转化成平面夹角数据。由于太阳敏感器的视场向无穷远处延伸，但其有效视场边界面与太阳敏感器的基准法线的角度是固定值，因此可以作垂直于太阳敏感器基准法线的平面P，并且该平面距离太阳敏感器1个单位长度。太阳敏感器有效视场的边界面与平面P的四条交线围成一个平面矩形，该矩形的四个顶点为D1、D2、D3和D4，四条边线记为D1D2、D2D3、D3D4和D4D1；可以得到D1、D2、D3和D4的坐标分别为和如图2所示。根据几何关系，可以得到：D1D2直线转化为平面夹角坐标 D2D3直线转化为平面夹角坐标 D3D4直线转化为平面夹角坐标 D4D1直线转化为平面夹角坐标
(5)将遮挡部件的平面夹角数据与敏感器视场范围的平面夹角数据进行对比，判断敏感器视场被部件遮挡的情况；
首先对步骤3)得到的遮挡部件的平面夹角数据(αi，βi)进行判断，将满足βi∈(-60°,60°)的坐标数据留下，记为(αi′，βi′)；其次，将留下的坐标数据(αi′，βi′)再次进行判断，将满足的坐标数据留下，记为(αi″，βi″)。此坐标数据(αi″，βi″)即为遮挡部件对敏感器视场产生遮挡的三角形网格顶点的坐标。将坐标数据(αi″，βi″)的个数记为m；将遮挡敏感器视场第一象限(满足αi″>0，βi″>0)的坐标个数记为m1，则可以计算出第一象限遮挡坐标数占总数的比率k1＝m1/m；将遮挡敏感器视场第二象限(满足αi″>0，βi″<0)的坐标个数记为m2，则可以计算出第二象限遮挡坐标数占总数的比率k2＝m2/m；将遮挡敏感器视场第三象限(满足αi″<0，βi″<0)的坐标个数记为m3，则可以计算出第三象限遮挡坐标数占总数的比率k3＝m3/m；将遮挡敏感器视场第四象限(满足αi″<0，βi″>0)的坐标个数记为m4，则可以计算出第四象限遮挡坐标数占总数的比率k4＝m4/m。
对比计算得到的各个象限遮挡坐标数占总数的比率，找出最大比率所对应的象限，则该象限受遮挡最为严重，并将该比率记为kmax；判断kmax是否小于太阳敏感器的设计要求值，若小于，则进行步骤6)；若不小于，则优化调整遮挡部件和太阳敏感器的相互位置关系，再次按步骤1)～步骤5)进行遮挡分析。
(6)绘制太阳敏感器视场遮挡图并计算遮挡面积与遮挡率；
将步骤4)得到的敏感器视场平面夹角坐标绘制于平面坐标系，并将其所围成的面积记为S视场，将步骤5)得到的坐标数据(αi″，βi″)也绘制于同一平面坐标系内，并将其所围成的面积记为S遮挡，记遮挡率K＝S遮挡/S视场。由此可以得到太阳敏感器视场遮挡图，如图3所示。设计人员可以通过图3直观的判断敏感器视场所受遮挡的情况，并根据敏感器指标要求判断在该遮挡率下能否正常工作，为其设计工作提供参考依据。
本发明说明书中未做详细描述的内容属本领域技术人员公知技术。

Claims (2)

1.一种基于STL网格化模型的敏感器视场遮挡区域确定方法，其特征在于步骤如下：
1)将有可能遮挡敏感器视场的部件，即遮挡部件的三维模型转化为STL网格化模型文件；
2)提取遮挡部件的STL网格化数据
提取步骤1)得到的遮挡部件的STL网格化模型文件中三角形网格顶点的位置信息，将顶点i的位置信息以直角坐标系的坐标形式存为(xi,yi,zi)，其中i为1～n，n为所有顶点的总数；
3)将遮挡部件的STL网格化坐标数据进行处理，并转换成平面夹角数据将步骤2)得到的所有的遮挡部件的三角形网格顶点i的坐标(xi,yi,zi)利用公式
转换成遮挡部件的三角形网格顶点i与敏感器中心点O的连线与xz平面的夹角αi和遮挡部件的三角形网格顶点i与敏感器中心点O的连线在xz平面的投影线段与x轴的夹角βi，将所有顶点对应的夹角以平面坐标的形式存为(αi，βi)，得到遮挡部件的平面夹角数据；所述的(x0,y0,z0)为敏感器中心点坐标；
4)将敏感器视场范围转化为平面夹角数据
将有效视场为±60°×±60°的太阳敏感器有效视场的边界面转化成平面夹角数据；作垂直于太阳敏感器基准法线的平面P，并且该平面距离太阳敏感器1个单位长度；太阳敏感器有效视场的边界面与平面P的四条交线围成一个平面矩形，该矩形的四个顶点为D1、D2、D3和D4，四条边线记为D1D2、D2D3、D3D4和D4D1；则D1、D2、D3和D4的坐标分别为 和根据几何关系，得到：D1D2直线转化为平面夹角坐标D2D3直线转化为平面夹角坐标D3D4直线转化为平面夹角坐标D4D1直线转化为平面夹角坐标
5)将遮挡部件的平面夹角数据与敏感器视场范围的平面夹角数据进行对比，判断敏感器视场被部件遮挡的情况
首先对步骤3)得到的遮挡部件的平面夹角数据(αi，βi)进行判断，将满足βi∈(-60°,60°)的坐标数据留下，记为(α′i，β′i)；其次，将留下的坐标数据(α′i，β′i)再次进行判断，将满足的坐标数据留下，记为(αi″，βi″)；此坐标数据(αi″，βi″)即为遮挡部件对敏感器视场产生遮挡的三角形网格顶点的坐标；将坐标数据(αi″，βi″)的个数记为m；将遮挡敏感器视场第一象限，即满足αi″>0，βi″>0的坐标个数记为m1，计算出第一象限遮挡坐标数占总数的比率k1＝m1/m；将遮挡敏感器视场第二象限，即满足αi″>0，βi″<0的坐标个数记为m2，则可以计算出第二象限遮挡坐标数占总数的比率k2＝m2/m；将遮挡敏感器视场第三象限，即满足αi″<0，βi″<0的坐标个数记为m3，则可以计算出第三象限遮挡坐标数占总数的比率k3＝m3/m；将遮挡敏感器视场第四象限，即满足αi″<0，βi″>0的坐标个数记为m4，则可以计算出第四象限遮挡坐标数占总数的比率k4＝m4/m；
对比计算得到的各个象限遮挡坐标数占总数的比率，找出最大比率所对应的象限，则该象限受遮挡最为严重，并将该比率记为kmax；判断kmax是否小于太阳敏感器的设计要求值，若小于，则进行步骤6)；若不小于，则调整遮挡部件和太阳敏感器的相互位置关系，再次按步骤1)～步骤5)进行遮挡分析，直至满足太阳敏感器的设计要求值；
6)绘制太阳敏感器视场遮挡图并计算遮挡面积与遮挡率
将步骤4)得到的敏感器视场平面夹角坐标绘制于平面坐标系，并将其所围成的面积记为S视场，将步骤5)得到的坐标数据(αi″，βi″)也绘制于同一平面坐标系内，并将其所围成的面积记为S遮挡，记遮挡率K＝S遮挡/S视场；由此得到太阳敏感器视场遮挡图。
2.根据权利要求1所述的一种基于STL网格化模型的敏感器视场遮挡区域确定方法，其特征在于：步骤1)的具体方法为：以卫星机械坐标系为基准，将遮挡部件的三维模型转化为STL网格化模型文件，STL网格化模型文件将三维模型表面离散化成三角形网格的形式，包含每个三角形网格顶点的位置信息；所述卫星机械坐标系的原点位于卫星质心，x轴正方向指向卫星东板，y轴正方向指向卫星南板，z轴正方向根据右手法则确定。
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