CN106407626A - 航天器太阳电池阵本体在轨遮挡的简化分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航天器太阳电池阵本体在轨遮挡的简化分析方法，包括以下步骤：步骤一，基于STK自有建模语言分别建立*.mdl格式的太阳电池阵受晒模型和航天器本体遮蔽模型；步骤二，分别导入太阳电池阵受晒模型和航天器本体遮蔽模型，对二者的分析环境进行一致性设置；步骤三，对太阳电池阵受晒模型进行以秒为时间单位以航天器本体为遮蔽物的太阳电池阵在轨遮挡分析；步骤四，提取太阳电池阵在轨运行周期内各时刻太阳电池阵受晒面积。本发明满足不同时间尺度上太阳电池阵遮挡结果的使用需求。

Description

航天器太阳电池阵本体在轨遮挡的简化分析方法

技术领域

本发明涉及一种航天技术，具体地，涉及一种航天器太阳电池阵本体在轨遮挡的简化分析方法。

背景技术

航天器在轨服役期间，星载设备工作用电主要依靠星上电源系统提供。当前，电源系统主要是通过太阳电池阵上贴附的具有光电转换能力的半导体材料，将轨道上电池阵所能受晒到的太阳光能转换为电能。从太阳电池阵在轨工作原理可知，太阳电池阵供电能力不仅取决于电池阵上贴附的光电转换材料光能/电能转换效率，同时还与太阳电池阵在轨受晒光照强度、太阳光线与太阳电池阵面夹角、太阳电池阵有效受晒面积等因素有关。由于光电转换材料的光电转换效率是定值，航天器运行轨道设计定型后，太阳电池阵在轨受晒光照强度、太阳光线与太阳电池阵面也将是定值，因此，在这种条件下，对太阳电池阵供电能力产生影响的关键因素即为太阳电池阵的有效受晒面积。

所谓太阳电池阵有效受晒面积是指太阳电池阵在轨运行期间其阵面上贴附光电转换材料未被完全或部分遮挡的几何面积。由于太阳电池阵面上贴附光电转换材料的特殊性，使得一旦光电转换材料被完全或部分遮挡时，光电转换材料单片所在的整个串联组件光电转换输出功率不足未被遮挡情况下的10％，严重影响太阳电池阵电能的供应。因此，在进行航天器总体设计时，应尽量避开太阳电池阵遮挡多发区域，同时，对不可避免遮挡的情况，必须进行充分的分析和预估，以便于在进行太阳电池阵设计时，能够充分考虑合适的裕量，合理的进行太阳电池阵相关设计。由此可见，太阳电池阵的遮挡分析是航天器电源分系统方案设计的基础。

航天器的太阳电池阵被部分或者完全遮挡的情况，主要有以下四种类型：(1)被航天器自身本体遮挡；(2)被空间行星星体遮挡；(3)被其它邻近的航天器遮挡；(4)被地形地物遮挡。其中类型(1)较为常见，本方法主要针对类型(1)进行。

由于太阳电池阵遮挡分析本身的复杂性，涉及航天器运行轨道、光照条件、整星在轨运行状态等，使得目前专门针对航天器遮挡分析的方法并不多见。目前虽有方法可以进行太阳电池阵遮挡分析，但大多数是利用可视化技术和图形学中的遮挡算法进行，这些方法大多存在着不足，主要表现在：

(1)利用可视化技术和图形学中的遮挡算法进行太阳电池阵遮挡分析，需要协调航天器运行轨道参数、光照条件参数、在轨运行状态参数，特别是航天器实时姿态参数等，由于这些参数之间并非完全独立，协调这些参数无形中增加了遮挡分析计算的复杂度；

(2)已有遮挡分析算法通常是将航天器假设为凸多面体或形状规则的结构，无法使用多面体轮廓投影法适应开孔状态的航天器模型的遮挡分析。

(3)已有遮挡分析算法无法实现针对航天器在轨运行过程多时间尺度的遮挡分析，无法结合航天器在轨运行状态进行精确定时定轨的确定各时间尺度上航天器遮挡情况和航天器运行状态的对应关系；

为了充分保证太阳电池阵在轨服役期间能够为星上设备提供足够的电能，必须对太阳电池阵在轨期间的有效受晒面积进行分析，并协调航天器运行轨道参数、光照条件参数、在轨运行状态参数等，实现针对航天器在轨运行过程多时间尺度的遮挡分析，确定各时间尺度上航天器遮挡情况和航天器运行状态的对应关系等，为航天器电源分系统方案设计的提供依据。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种航天器太阳电池阵本体在轨遮挡的简化分析方法，其满足不同时间尺度上太阳电池阵遮挡结果的使用需求。

根据本发明的一个方面，提供一种航天器太阳电池阵本体在轨遮挡的简化分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，基于STK自有建模语言分别建立*.mdl格式的太阳电池阵受晒模型和航天器本体遮蔽模型；

步骤二，基于STK建立卫星轨道分析环境，分别导入太阳电池阵受晒模型和航天器本体遮蔽模型，对二者的分析环境进行一致性设置；

步骤三，根据航天器在轨运行状态下的空间包络，选取合适的遮挡分析空间大小，对太阳电池阵受晒模型进行以秒为时间单位以航天器本体为遮蔽物的太阳电池阵在轨遮挡分析；

步骤四，提取太阳电池阵在轨运行周期内各时刻太阳电池阵受晒面积，通过实时受晒面积处理算法对各时刻太阳电池阵实际受晒面积进行数据处理，提取太阳电池阵在轨运行过程中以分钟、小时、天、月、年五级时间尺度下的遮挡面积。

优选地，所述太阳电池阵受晒模型和航天器本体遮蔽模型均基于整星构型布局坐标系进行描述。

优选地，所述太阳电池阵受晒模型描述布局坐标系下太阳电池阵贴片面的几何尺寸、受照属性、与航天器本体的几何位置关系和在轨运动关系，主要通过太阳电池阵贴片面几何平面和阵面受晒矢量来表征；航天器本体遮蔽模型描述布局坐标系下卫航天器本体的空间几何包络、遮蔽属性、空间位置和在轨姿态属性，主要通过曲面拉伸和曲面封闭等组合形成遮蔽体及空间位置变换等表征。

优选地，所述步骤三将航天器本体遮蔽模型和太阳电池阵受晒模型作为两个独立空间对象分别导入STK软件，针对二者分别设置相同的轨道参数和分析条件，以秒为时间单位以航天器本体为遮蔽物的太阳电池阵在轨遮挡分析。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：(1)基于整星构型布局坐标系进行描述建立的*.mdl格式的太阳电池阵受晒模型和航天器本体遮蔽模型，其中，受晒模型描述布局坐标系下太阳电池阵贴片面的几何尺寸、受照属性、与航天器本体的几何位置关系和在轨运动关系等；遮蔽模型描述布局坐标系下卫航天器本体的空间几何包络、遮蔽属性、空间位置和在轨姿态属性等，模型对航天器本体和太阳电池阵的状态都进行明确描述，符合实际进行遮挡分析时航天器本体遮蔽特征和太阳电池阵受晒特征；(2)二者之间既采用相同的轨道参数和分析条件，又存在明确的位置关系和相互运动关系，在遮挡分析过程中直接协调了航天器运行轨道参数、光照条件参数、在轨运行状态等参数，直接简化了遮挡分析；(3)以秒为时间单位以航天器本体为遮蔽物的太阳电池阵在轨遮挡分析后，提取太阳电池阵在轨运行周期内各时刻太阳电池阵受晒面积，通过实时受晒面积处理算法对各时刻太阳电池阵实际受晒面积进行数据处理，提取太阳电池阵在轨运行过程中以分钟、小时、天、月、年五级时间尺度下的遮挡面积，满足不同时间尺度上太阳电池阵遮挡结果的使用需求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明航天器太阳电池阵本体在轨遮挡的简化分析方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明航天器太阳电池阵本体在轨遮挡的简化分析方法包括以下步骤：

步骤一，基于STK(STK是由美国Analytical Graphics公司开发的一款在航天领域处于领先地位的商业分析软件)自有建模语言分别建立*.mdl格式的太阳电池阵受晒模型和航天器本体遮蔽模型；太阳电池阵受晒模型和航天器本体遮蔽模型二者均基于整星构型布局坐标系进行描述。其中，太阳电池阵受晒模型描述布局坐标系下太阳电池阵贴片面的几何尺寸、受照属性、与航天器本体的几何位置关系和在轨运动关系等，主要通过太阳电池阵贴片面几何平面和阵面受晒矢量来表征；航天器本体遮蔽模型描述布局坐标系下卫航天器本体的空间几何包络、遮蔽属性、空间位置和在轨姿态属性等，主要通过曲面拉伸和曲面封闭等组合形成遮蔽体及空间位置变换等表征。

基于航天器整体构型布局模型，在控制计算规模和保证解算精度的前提下，通过一定的简化措施，分别针对航天器本体(除太阳电池阵之外的航天器部组件)和太阳电池阵进行简化，提取航天器本体最大几何包络和太阳电池阵贴片面精确几何包络。航天器本体在保证满足最大空间包络且空间位置关系等准确符合卫星实际构型的前提下，简化为曲面和拉伸曲面形成的封闭组合并对封闭组合进行网格化；太阳电池阵的受晒分析模型仅考虑太阳电池阵贴片面的建模，在精确符合太阳电池阵贴片面几何尺寸的条件下，按照太阳电池阵各分块空间位置关系等分块建立太阳电池阵贴片面模型。

步骤二，基于STK建立卫星轨道分析环境，分别导入太阳电池阵受晒模型和航天器本体遮蔽模型，对二者的分析环境进行一致性设置；基于航天器构型布局坐标系分别建立*.mdl格式的太阳电池阵受晒模型和航天器本体遮蔽模型，其中，受晒模型通过太阳电池阵贴片面几何平面和阵面受晒矢量来表征布局坐标系下太阳电池阵贴片面的几何尺寸、受照属性、与航天器本体的几何位置关系和在轨运动关系等；遮蔽模型通过曲面拉伸和曲面封闭等组合形成遮蔽体及空间位置变换来表征布局坐标系下卫航天器本体的空间几何包络、遮蔽属性、空间位置和在轨姿态属性等。

步骤三，遮挡分析步骤，根据航天器在轨运行状态下的空间包络，选取合适的遮挡分析空间大小，对太阳电池阵受晒模型进行以秒为时间单位以航天器本体为遮蔽物的太阳电池阵在轨遮挡分析；

遮挡分析空间的选取：主要依据航天器展开状态下的最大空间包络和在轨运行过程中的姿态参数，记遮挡分析空间包络直径为R，航天器在轨展开状态下的最大空间包络尺寸为L，飞行姿态与轨道面夹角为θ，则遮挡分析空间计算公式如下式(1)：

R＝L×sinθ (1)

将航天器本体遮蔽模型和太阳电池阵受晒模型作为两个独立空间对象分别导入STK软件，针对二者分别设置相同的轨道参数和分析条件，以秒为时间单位以航天器本体为遮蔽物的太阳电池阵在轨遮挡分析。

步骤四，多时间尺度分析步骤，提取太阳电池阵在轨运行周期内各时刻太阳电池阵受晒面积，通过实时受晒面积处理算法对各时刻太阳电池阵实际受晒面积进行数据处理，提取太阳电池阵在轨运行过程中以分钟、小时、天、月、年五级时间尺度下的遮挡面积等，满足不同时间尺度上太阳电池阵遮挡结果的使用需求。

考虑到在轨运行过程中可能出现太阳电池阵被地球或其他星体完全遮挡的情况，因而在以分钟、小时、天、月、年为时间尺度进行遮挡分析时，需要剔除被地球或其他星体遮挡的数据，对提取的数据进行时间尺度上的平均。

本发明具有以下特点:(1)建立*.mdl格式的太阳电池阵受晒模型和航天器本体模型较为方便，可直接对三维模型进行处理，提取三维模型空间包络等信息，适用于复杂航天器模型；(2)直接利用STK软件相关轨道光照分析解算功能，将太阳电池阵遮挡分析集成在卫星轨道分析过程中；(3)计算速度比较快，能够实现多级时间尺度的遮挡分析，能够协调航天器在轨运行实时参数，有利于实现太阳电池阵遮挡实时分析。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种航天器太阳电池阵本体在轨遮挡的简化分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，基于STK自有建模语言分别建立*.mdl格式的太阳电池阵受晒模型和航天器本体遮蔽模型；

步骤二，基于STK建立卫星轨道分析环境，分别导入太阳电池阵受晒模型和航天器本体遮蔽模型，对二者的分析环境进行一致性设置；

步骤三，根据航天器在轨运行状态下的空间包络，选取合适的遮挡分析空间大小，对太阳电池阵受晒模型进行以秒为时间单位以航天器本体为遮蔽物的太阳电池阵在轨遮挡分析；

步骤四，提取太阳电池阵在轨运行周期内各时刻太阳电池阵受晒面积，通过实时受晒面积处理算法对各时刻太阳电池阵实际受晒面积进行数据处理，提取太阳电池阵在轨运行过程中以分钟、小时、天、月、年五级时间尺度下的遮挡面积。

2.根据权利要求1所述的航天器太阳电池阵本体在轨遮挡的简化分析方法，其特征在于，所述太阳电池阵受晒模型和航天器本体遮蔽模型均基于整星构型布局坐标系进行描述。

3.根据权利要求2所述的航天器太阳电池阵本体在轨遮挡的简化分析方法，其特征在于，所述太阳电池阵受晒模型描述布局坐标系下太阳电池阵贴片面的几何尺寸、受照属性、与航天器本体的几何位置关系和在轨运动关系，主要通过太阳电池阵贴片面几何平面和阵面受晒矢量来表征；航天器本体遮蔽模型描述布局坐标系下卫航天器本体的空间几何包络、遮蔽属性、空间位置和在轨姿态属性，主要通过曲面拉伸和曲面封闭组合形成遮蔽体及空间位置变换表征。

4.根据权利要求1所述的航天器太阳电池阵本体在轨遮挡的简化分析方法，其特征在于，所述步骤三将航天器本体遮蔽模型和太阳电池阵受晒模型作为两个独立空间对象分别导入STK软件，针对二者分别设置相同的轨道参数和分析条件，以秒为时间单位以航天器本体为遮蔽物的太阳电池阵在轨遮挡分析。