CN110399698A - 一种模块化航天器的可视化概念设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化航天器的可视化概念设计方法，属于可视化设计与仿真技术领域。包括：步骤1对由各模块单元拼装而成的模块化航天器的组成模块进行属性定义，并将定义的属性与模块进行关联，实现模块模型实例化；步骤2利用鼠标旋转、拖拽航天器组成模块，并实现模块间的拼接组合，组合后的模块在可视化层面及数据层面成为整体以支持概念设计工作，输出设计人员拼装组合的模块化航天器相关信息；步骤3获取模块化航天器相关信息，调用性能评估模块进行包括质量、惯量以及结构基频在内的性能分析，输出性能分析结果文件；步骤4将性能分析结果文件进行可视化显示。所述方法能实现模块化航天器概念设计与初步分析的完整流程，提高了设计效率。

Description

一种模块化航天器的可视化概念设计方法

技术领域

本发明涉及一种模块化航天器的可视化概念设计方法，尤其涉及一种基于Unity3D与Nastran分析软件的模块化航天器的可视化概念设计方法，属于可视化设计与仿真技术领域。

背景技术

航天器作为一种按照天体力学的规律在太空运行并执行探索、开发、利用太空和天体等特定任务的飞行器，该飞行器系统组成主要包括结构系统、电源系统、热控系统、轨道控制系统等。在各类航天器中，人造卫星是目前发射数量最多、用途最广、发展最快的航天器。人造卫星按照运行轨道不同分为低轨道卫星、中高轨道卫星、地球同步卫星、地球静止卫星等；按照用途划分，人造卫星又能分为通信卫星、气象卫星、侦察卫星、导航卫星等。上述这些种类繁多、用途各异的人造卫星为人类的发展做出了巨大的贡献。

但是，传统航天器设计存在诸多不足：首先传统航天器设计是面向任务的，由用户需求驱动，任务功能单一；第二，传统航天器一般为多系统耦合集成的整体，结构复杂，风险高，为了提高可靠性，典型的做法是增加子系统冗余，但这又进一步增加了航天器的质量和复杂性；第三，这样的复杂系统在地面制造和装配时，往往需要在不同的地点进行生产和运输，这又进一步增加了风险、成本和时间；第四，航天器的发射对其体积、构型和质量也提出了严格的要求，使设计受到极大限制。

针对传统航天器所存在的上述问题，模块化航天器设计的概念应运而生。模块化航天器是一类能够实现在轨组装、在轨模块更换、补加扩展、升级等服务的航天器系统。实际上，模块化航天器设计的概念早已作为突破传统航天器设计局限性的重要创新理念和手段而被提出，并得到了各国航天相关从业者高度的重视和大量的研究。

作为航天器工程的重要组成部分，航天器总体设计是指为完成航天任务规定的目标所开展的以航天器为对象的一系列设计活动。其中航天器的概念设计阶段对工程设计人员的约束最少，具有较大的创新空间，且这个阶段设计的迭代性和循环性较为突出。

近十年来，随着航天产业向着商业化的趋势不断发展，一些航天企业都在寻求对相关的研发过程进行进一步研究以达到优化设计、提高效率和控制成本的目的。但截至目前，尚未有仅针对模块化航天器的可视化概念设计方法，虽然目前市面上的几种商用软件能够支持对研究对象的分析与结果可视化，但是其均无法体现模块化航天器的标准化、拼装灵活的特点。在总体方案概念设计阶段，对于工程设计人员初步构思设计出的一种航天器构型，为验证该类构型的合理性，以结构分系统为例，需要在商业软件中完成航天器构型的有限元模型建模工作，再提交求解器进行分析求解，这类完整的分析过程往往需要耗费大量的时间和精力。同时，航天器的设计过程中涉及大量的迭代过程，这又进一步加剧了模块化航天器的设计耗时，进而影响了模块化航天器的设计进度，也无法完全发挥这类航天器灵活拓展、面向在轨服务的应用优势。而作为目前较为重要、新颖的一类航天器，有理由认为对于模块化航天器的上述研究具有一定价值，并能应用于与模块化航天器相关的工程实践。

发明内容

本发明的目的在于针对模块化航天器概念设计阶段所存在的缺乏直观描述的构型方案及对构型进行初步分析耗时长的技术缺陷，提出了一种模块化航天器的可视化概念设计方法，提供一种以模块化航天器为设计对象，实现对于航天器的各个组成模块进行实例化定义、通过交互界面进行模块组合拼装、对于航天器构型进行快速性能分析评估的可视化概念设计方法。

所述模块化航天器的可视化概念设计方法依托的概念设计系统包括可视化前端界面、可视化场景、模块化航天器模型、性能评估模块以及模型库；

其中，可视化前端界面基于Unity3D软件及WPF(Windows PresentationFoundation)开发；可视化场景基于Unity3D软件开发；性能评估模块基于C#程序及MSC.NASTRAN求解器开发；模型库基于SQL server数据库引擎开发；

所述模块化航天器的可视化概念设计方法，能够实现模块化航天器概念设计阶段中模块定义、模块拼装组合、航天器构型性能仿真以及性能可视化这一完整流程，具体包括以下步骤：

步骤1：对由各模块单元拼装而成的模块化航天器的组成模块进行属性定义，并将定义的属性与模块进行关联，实现模块模型实例化；

步骤1，包括如下子步骤：

步骤1.1：通过可视化前端界面使设计人员对模块化航天器模型的属性进行定义，即生成属性定义数据；

模块化航天器中各模块单元的属性由工程设计人员进行定义，各模块单元的属性包括模块名称、模块质量、质心位置、转动惯量以及模块各面组件种类，定义方式由设计人员在属性定义窗口上进行输入和选择；

其中，输入和选择的所有数据，即属性定义数据将被保存至模型库中等待设计人员使用；模块各面组件指的是可在模块表面安装的各类部件；

步骤1.2：步骤1.1生成的属性定义数据通过TCP/IP协议传输至可视化前端界面及可视化场景；

其中，TCP/IP协议，即传输控制协议/互联网协议；

其中，使用TCP/IP协议在可视化前端界面及可视化场景之间进行数据通讯，在属性定义界面完成模块化航天器模块单元的设计工作后，模型属性的各项数据由可视化前端界面发送至可视化场景；

可视化场景接收到数据后对数据进行解析分类，分别存储到相应数组中；

步骤1.3：根据属性定义在可视化场景中将对应模块化航天器模型实例化并分配属性值，具体为：

1.3A在可视化层面，不同种类的航天器模块模型由固定数量的模型组件组合而成，模型组件预先由三维设计软件绘制成三维模型，再将该三维模型转换为*.FBX文件后导入可视化场景中，保存于资源Resources文件夹里，建立“模型组件库”；通过编写的脚本，首先在可视化场景实例化出模块框架，之后获取模型各面的定义信息，脚本中模型组件实例化函数根据模型各面组件名称从模型组件库中调取对应组件并在场景中实例化，设置该组件为模块框架的子物体并设置正确位置，完成模块化航天器模型可视化层面的实例化工作；

1.3B在属性数据层面，模块化航天器模型的质量、转动惯量、质心位置信息都存储在模型库中，把属性定义部分的数据提取并分类，属性数据在航天器模型完成实例化后添加在模块上，即完成了自定义模块的属性实例化工作；

步骤2：通过可视化前端界面使设计人员能够利用鼠标旋转、拖拽各个航天器组成模块，并实现模块间的拼接组合，组合后的模块在可视化层面以及数据层面成为整体以支持概念设计工作，输出设计人员拼装组合的模块化航天器相关信息，具体包括如下子步骤：

步骤2.1：在设计人员旋转、拖拽各个模块的过程中对各模块接口之间的距离进行检测，具体为：

步骤2.1A实现模块连接的脚本中，使用编写的函数遍历场景中所有模块接口，并将接口存至可视化场景的游戏对象数组中；

步骤2.1B在模块被移动过程中，各接口的位置在不断变化，脚本通过持续运行的函数实时计算不同模块上各个接口之间距离，当有接口间距大于等于指定值时，则继续等待并判断接口间距直至接口间距小于指定值时，判断该接口是否已连接其他物体，再判断接口所在模块是否支持拼接，各条件都满足要求时设计系统调用函数使该接口上方会弹出“连接”按钮，并跳至步骤2.2等待设计人员触发“连接”按钮；若两接口再次远离，连接按钮将消失,跳至步骤2.1B等待设计人员移动模块；

其中，游戏对象数组指的是Unity3D中的GameObject数组；

步骤2.2：检测完毕后，等待设计人员触发“连接”按钮，该“连接”按钮事件函数被触发运行，具体为：

步骤2.2A获取两模块游戏对象数组中的数据并存入变量中；

步骤2.2B获取两模块上的脚本组件中有关模块的所有属性；

步骤2.2C调整一个模块与另一个模块平齐，在空间上实现对接并绑定两者的位置关系，具体为：

设计系统中的函数先判断两模块是否有模块已拼接其他模块，若未拼接任何模块将其定义为“自由模块”，在拼接时将调整自由模块空间位置与姿态与非自由模块对齐，设置自由模块为非自由模块的子物体，即完成位置绑定；

步骤2.2D设置接口属性为“已拼接”，设置该模块属性为“非自由模块”；

其中，被设置接口属性及模块属性的航天器模块为设计人员操作连接的两个模块；

至此，从步骤2.1至步骤2.2，完成了一次拼接模块化航天器；

其中，第一次拼接模块化航天器过程中生成了一个新的计算输入文件，非第一次连接的过程将在计算输入文件中添加相关信息，为步骤3性能分析使用；

步骤3：获取步骤2输出的设计人员拼装组合的模块化航天器相关信息，调用性能评估模块进行包括质量、惯量以及结构基频在内的性能分析，输出性能分析结果文件，具体为：

步骤3.1：通过模型库以及可视化前端界面获取模块化航天器各组成模块属性信息以及模块连接位置关系；

为对模块化航天器的质量、质心以及结构基频进行分析，要获取各个模块的质量、质心位置以及各模块的连接顺序及位置关系；

其中，质心位置、各模块的连接顺序及位置关系要进行定义以保证数据无歧义，具体为：

步骤3.1A定义概念设计系统中的局部坐标系和全局坐标系，设定模块所对应的局部坐标系为以各模块形心所在位置为原点的坐标系；可视化场景中第一个实例化的模块的局部坐标系为全局坐标系；

步骤3.1B定义模块化航天器模块的连接顺序及位置关系，具体为：

定义各个模块每个面的编号，且模块的局部坐标系与各个面之间的关系是固定的；模块连接时按照连接该模块面的编号的不同分为六大类连接，对不同类型的连接规定了不同的连接编号；定义新连接模块在固定的连接类型下的具体连接姿态，在规定的视角下获取新模块的连接面编号以及与该连接面相邻上侧面编号，形成共计二十四类连接姿态；

根据上述定义的各类数据，即能无歧义地确定并获取各模块化航天器模块的连接信息和对应的姿态信息；

步骤3.2：调用性能评估模块，生成模块化航天器并进行性能分析，输出性能分析结果；

其中，性能分析包括对模块化航天器的质量、质心以及结构基频进行分析，且对模块化航天器的质量以及质心分析无需调用求解器，结构基频分析需生成计算输入文件；

其中，计算输入文件指的是*.bdf文件，且该计算输入文件通过步骤2拼接模块化航天器的第一次拼接过程产生，后续若干次拼接过程是将相关信息添加至生成的计算输入文件中；

其中，第一次拼接过程指的是两个单独的模块连接；后续若干次连接过程指的是一个单独的模块连接至一个由多个模块所构成的模块化航天器上；

其中，结构基频分析具体通过使用Nastran求解器调用性能评估模块实现，该求解器中的函数能保证求解器运行条件的正确设置、求解器正确启动、计算输入文件路径正确提交、性能分析结果文件正确保存，输出性能分析结果文件；

其中，性能分析结果文件指的是*.f06文件；

步骤4：将步骤3输出的性能分析结果进行可视化，在概念设计系统中为设计人员提供直观的结果显示，具体为：

步骤4.1：对性能分析结果文件的正确性进行检测，输出正确与否的检测结果；

对性能分析结果文件正确性进行判断，当含有关键字“FATAL”时返回计算错误的信息，若整个文件不含有关键字“FATAL”，则返回计算无误的信息；

步骤4.2：判断步骤4.1输出的检测结果是否正确，若正确，则读取分析结果并将分析结果经数据类型转换存储在内存中，否则在可视化前端界面提示错误信息；

其中，若性能分析结果文件正确，即检测结果正确，则读取性能分析结果文件，具体为：在性能分析结果文件中确定结果数据所在位置，将结果数据以字符串的形式读入，最后转换字符串型的结果数据类型，将类型转换后的数据存储在内存中；

步骤4.3：在可视化前端界面上显示性能分析结果，供设计人员参考；

从内存中获取步骤4.2中的分析结果，利用UI Text组件将该组件的Text文本内容设置为分析结果，并控制UI内容在界面上的显示与隐藏；

其中，分析结果即UI内容。

有益效果

本发明公开的一种模块化航天器的可视化概念设计方法，与现有基于多种商业软件平台支持的概念设计方法相比，具有如下有益效果：

1.所述方法整合CAD软件、有限元分析软件以及后处理可视化软件的特点，能够实现模块化航天器概念设计与初步分析的完整流程，不需要工程设计人员在不同功能的软件之间进行切换；

2.所述方法基于直观的人机交互界面，能够快速定义航天器模块的基本属性，工程设计人员通过鼠标能操作模块实现旋转、平移，并能够根据设计人员的要求对模块实现快速连接；

3.所述模块化航天器的可视化概念设计方法，通过程序调用求解器进行分析，实现了对于模块化航天器物理特性的初步预示，结合模块化航天器的特点实现了自动建模，提高了设计效率。

附图说明

图1为本发明一种模块化航天器的可视化概念设计方法的总体流程图；

图2为本发明一种模块化航天器的可视化概念设计方法实施例1中用于进行概念设计的航天器模块基本外形图；

图3为本发明一种模块化航天器的可视化概念设计方法实施例1步骤I.1中自定义模块单元属性定义界面；

图4为本发明一种模块化航天器的可视化概念设计方法及实施例1步骤I.3中完成自定义模块导入后仿真场景界面；

图5为本发明一种模块化航天器的可视化概念设计方法及实施例1步骤Ⅱ.1中拖拽模块进行拼装出现连接按钮时的仿真场景界面；

图6为本发明一种模块化航天器的可视化概念设计方法实施例1步骤Ⅱ.2中点击连接后两模块实现拼接后的仿真场景界面；

图7为本发明一种模块化航天器的可视化概念设计方法实施例1步骤Ⅲ.2中实现模型拼接的流程图；

图8为本发明一种模块化航天器的可视化概念设计方法实施例1步骤Ⅳ.3中性能分析结果在场景中显示时的仿真场景界面。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面通过以六面体型的模块化航天器为实体，借助本方法完成航天器模块定义、模块拼装组合、航天器性能初步评估以及性能可视化这一完整流程对本发明做出详细解释。

实施例1

本实施例中所采用的六面体型模块化航天器具有六个机械接口，平均分布在模块的六个面上，为突出模块化航天器较传统航天器而言组装灵活、设计空间大、面向在轨服务的特点，六面体型模块化航天器是相关行业中使用最为广泛的航天器模块，该模块化航天器模块的基本外形如图2所示，图中的模块为模块化航天器的基本模块。本发明中所提出的一种模块化航天器的可视化概念设计方法较传统的基于多种商业软件进行独立分析的概念设计方法相比，充分考虑了模块化航天器的技术特点以及设计过程中所需考虑的几何及性能约束，整合原有基于多软件、多平台才能完成的构型概念设计任务，通过人机交互实现了设计构思的实例化，并结合性能评估模块对构型的合理性进行评估，以支持设计人员的设计迭代工作，有效提高了模块化航天器概念设计阶段的设计效率，减轻了设计人员的工作负担。

具体实施步骤流程图如图1所示，包括：

步骤I：本实施例中，在可视化前端界面中对模块化航天器组成模块进行属性定义，并将定义的属性与模块进行关联，实现模块模型实例化。

步骤I.1：通过可视化前端界面使设计人员对模块化航天器组成模块的若干基本物理属性进行定义。

在设计模块化航天器时提前确定所需要的模块单元种类和数量，并通过前端界面逐一完成各模块的定义并添加至可视化场景中。本实例中共需要2个基本模块和1个双太阳翼模块，为了便于后文的叙述，在此约定双太阳翼模块为1号模块，1号模块左侧、右侧的基本模块分别为2号、3号模块。在定义1号模块时先后输入模块质量、质心位置、转动惯量及各面定义信息，这里设置E面和F面为太阳翼部件，定义窗口如图3所示，图中各输入框内为模块的属性信息。

步骤I.2：属性定义数据通过TCP/IP协议传输至可视化场景。

1号模块在定义窗口完成数据输入和各面安装组件的定义后，点击“确定”按钮，此时模块定义信息通过TCP/IP数据接口传输至概念设计系统的可视化场景。

步骤I.3：根据属性定义在可视化场景中实例化出对应模块化航天器模型并分配属性值。

使用程序后台的CreateCustomModule()脚本将根据定义信息在模型组件库中依次实例化出模块框架、两个太阳翼组件和四个标准接口组件，并设置各组件位置构成双太阳翼模块，之后将模块质量特性和结构特性数据分配到模块属性中，即完成模块实例化工作。其余两个模块实例化过程与此相同。待3个模块实例化完毕后，可视化场景如图4所示，图中的模块之间尚未进行连接。

步骤Ⅱ：本实施方案中，在可视化前端界面中旋转、拖拽各模块化航天器组成模块来实现模块间的拼接组合，组合后的模块在可视化层面以及数据层面成为整体，本步骤体现了本发明的有益效果2。

步骤Ⅱ.1：在设计人员旋转、拖拽各个模块的过程中对各个模块接口之间的距离进行检测。

在可视化场景中提供“移动”和“旋转”功能实现物体的空间位置的调整，在操作上通过鼠标点击要操作的目标，之后拖拽或旋转目标上出现的操作杆对其进行移动和旋转。在可视化场景中所有模块的接口被程序实时检测，判断各接口之间的距离是否足够接近来满足拼接条件，待两接口间距满足条件时可视化场景如图5所示，图中接口附近弹出“连接”按钮。

步骤Ⅱ.2：触发连接事件后实现两模块的拼接组合。

若确定在此位置实现两模块连接，点击“连接”按钮，程序将通过接口获得其所属模块，此时两者均为自由模块，故随机设定其中一个为另一个模块的子物体，并调整其空间位置，设置两接口属性为“已连接”，设置两模块属性为“非自由模块”。拼接任务完成后界面状态如图6所示，图中系统已开始对当前航天器构型性能进行评估。

步骤Ⅲ：本实施方案中，通过可视化场景获取拼装组合所形成的模块化航天器的信息，调用性能评估模块进行包括质量、惯量以及结构基频在内的性能分析，本步骤体现了本发明的有益效果3。

步骤Ⅲ.1：获取模块化航天器各组成模块属性信息以及模块连接位置关系。

在实施方案中，通过数据库以及可视化前端界面获取各个模块的质量、质心位置以及各个模块的连接顺序及位置关系。

模块1至3号的质量均为100kg，对应的质心位置分别为(0,0,0)、(-40,0,0)、(40,0,0)。

同时，按照定义的六大类连接，本实施例中的1号模块与2号模块的连接类型属于第二类连接，3号模块与1号模块的连接类型属于第一类连接。为了进一步定义新连接模块在上述两类连接下的具体连接姿态，通过可视化前端界面所提供信息确认连接所对应的连接面及相邻上侧面的编号。

步骤Ⅲ.2：调用性能评估模块，生成模块化航天器进行性能分析所需的计算输入文件。

本实施例中，生成计算输入文件的特性分析为结构动力学特性分析，由于第一次拼接过程与后续拼接过程对于计算输入文件的修改有较大差异，结合步骤Ⅲ.1中所获取的信息依次调用上述两个拼接过程所对应的程序，形成计算输入文件，形成计算输入文件的流程图如图7所示，图7(a)中的流程图对应的是第一次拼接过程，图7(b)中的流程图对应的是后续的若干次连接过程。

本实施例中使用了POINT和SELOC卡片来保证各个模块的连接正确且各个连接界面之间没有公共边的存在，能生成模块化航天器所对应的计算输入文件。

步骤Ⅲ.3：调用性能评估模块实现模块化航天器性能求解。

根据对脚本和函数设计，FrequencyCalculateProgram()脚本运行后根据预先设Nastran计算所需要的计算输入文件所在路径以及计算结果存储路径通过NastranInvoke()函数传递给Nastran求解器，之后RunNastran()函数控制Nastran求解器逐步按要求对计算输入文件进行求解，最终将结算结果文件保存至指定位置即完成Nastran求解过程。

步骤Ⅳ：实现性能分析结果可视化，为设计人员提供直观的结果显示。

步骤Ⅳ.1：在具体实施方案中，对性能分析结果文件的正确性进行检测。使用检测程序对于性能分析结果文件(*.f06文件)中的关键字进行检测，经过程序确认，计算结果文件中没有计算错误的关键字，能进行分析结果读取。

步骤Ⅳ.2：在结果文件正确的情况下，实现结果文件的读取。在实施方案中，使用Substring()函数确定结果所在位置，在确定结果所在位置后，再使用Substring()函数将模块化航天器的前三阶固有频率数据以字符串的形式读入，最后将字符串型数据通过int.Parse()或double.Parse()函数转换类型，确定前三阶频率，将含有上述数据的数组存储在内存中。

步骤Ⅳ.3：在可视化前端界面上显示性能分析的结果供设计人员参考。

获取所有计算结果数据后，设计系统中ShowUiText()脚本自动运行将质量、质心位置、转动惯量和基频计算结果一并获取，对UI Text组件的Text文本进行编辑，将要显示的计算结果加入到显示文本中。最后通过canvas.SetActive()方法将文本内容显示在界面的左下角上，显示的性能分析结果如图8所示。

根据上述步骤I到步骤Ⅳ得到模块化航天器性能分析结果，体现了本发明的有益效果1，本发明所公开的方法能为模块化航天器的构型方案设计、布局合理性分析方面的应用提供有力的支持，具有广泛的应用前景与效益。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模块化航天器的可视化概念设计方法，其特征在于：依托的概念设计系统包括可视化前端界面、可视化场景、模块化航天器模型、性能评估模块以及模型库；

其中，可视化前端界面基于Unity3D软件及WPF开发；可视化场景基于Unity3D软件开发；性能评估模块基于C#程序及MSC.NASTRAN求解器开发；模型库基于SQL server数据库引擎开发；

其中，WPF，即Windows Presentation Foundation；

所述模块化航天器的可视化概念设计方法，能够实现模块化航天器概念设计阶段中模块定义、模块拼装组合、航天器构型性能仿真以及性能可视化这一完整流程，具体包括以下步骤：

步骤1：对由各模块单元拼装而成的模块化航天器的组成模块进行属性定义，并将定义的属性与模块进行关联，实现模块模型实例化；

步骤1，包括如下子步骤：

步骤1.1：通过可视化前端界面使设计人员对模块化航天器模型的属性进行定义，即生成属性定义数据；

模块化航天器中各模块单元的属性由工程设计人员进行定义，各模块单元的属性包括模块名称、模块质量、质心位置、转动惯量以及模块各面组件种类，定义方式由设计人员在属性定义窗口上进行输入和选择；

其中，输入和选择的所有数据，即属性定义数据将被保存至模型库中等待设计人员使用；模块各面组件指的是可在模块表面安装的各类部件；

步骤1.2：步骤1.1生成的属性定义数据通过TCP/IP通讯协议传输至可视化前端界面及可视化场景；

步骤1.3：根据属性定义在可视化场景中将对应模块化航天器模型实例化并分配属性值，具体为：

1.3A在可视化层面，不同种类的航天器模块模型由固定数量的模型组件组合而成，模型组件预先由三维设计软件绘制成三维模型，再将该三维模型转换为*.FBX文件后导入可视化场景中，保存于资源Resources文件夹里，建立“模型组件库”；通过编写的脚本，首先在可视化场景实例化出模块框架，之后获取模型各面的定义信息，脚本中模型组件实例化函数根据模型各面组件名称从模型组件库中调取对应组件并在场景中实例化，设置该组件为模块框架的子物体并设置正确位置，完成模块化航天器模型可视化层面的实例化工作；

1.3B在属性数据层面，模块化航天器模型的质量、转动惯量、质心位置信息都存储在模型库中，把属性定义部分的数据提取并分类，属性数据在航天器模型完成实例化后添加在模块上，即完成了自定义模块的属性实例化工作；

步骤2：通过可视化前端界面使设计人员能够利用鼠标旋转、拖拽各个航天器组成模块，并实现模块间的拼接组合，组合后的模块在可视化层面以及数据层面成为整体以支持概念设计工作，输出设计人员拼装组合的模块化航天器相关信息，具体包括如下子步骤：

步骤2.1：在设计人员旋转、拖拽各个模块的过程中对各模块接口之间的距离进行检测，具体为：

步骤2.1A实现模块连接的脚本中，使用编写的函数遍历场景中所有模块接口，并将接口存至可视化场景的游戏对象数组中；

步骤2.1B在模块被移动过程中，各接口的位置在不断变化，脚本通过持续运行的函数实时计算不同模块上各个接口之间距离，当有接口间距大于等于指定值时，则继续等待并判断接口间距直至接口间距小于指定值时，判断该接口是否已连接其他物体，再判断接口所在模块是否支持拼接，各条件都满足要求时设计系统调用函数使该接口上方会弹出“连接”按钮，并跳至步骤2.2等待设计人员触发“连接”按钮；若两接口再次远离，连接按钮将消失,跳至步骤2.1B等待设计人员移动模块；

步骤2.2：检测完毕后，等待设计人员触发“连接”按钮，该“连接”按钮事件函数被触发运行，具体为：

步骤2.2A获取两模块游戏对象数组中的数据并存入变量中；

步骤2.2B获取两模块上的脚本组件中有关模块的所有属性；

步骤2.2C调整一个模块与另一个模块平齐，在空间上实现对接并绑定两者的位置关系，具体为：

设计系统中的函数先判断两模块是否有模块已拼接其他模块，若未拼接任何模块将其定义为“自由模块”，在拼接时将调整自由模块空间位置与姿态与非自由模块对齐，设置自由模块为非自由模块的子物体，即完成位置绑定；

步骤2.2D设置接口属性为“已拼接”，设置该模块属性为“非自由模块”；

其中，被设置接口属性及模块属性的航天器模块为设计人员操作连接的两个模块；

至此，从步骤2.1至步骤2.2，完成了一次拼接模块化航天器；

其中，第一次拼接模块化航天器过程中生成了一个新的计算输入文件，非第一次连接的过程将在计算输入文件中添加相关信息，为步骤3性能分析使用；

步骤3：获取步骤2输出的设计人员拼装组合的模块化航天器相关信息，调用性能评估模块进行包括质量、惯量以及结构基频在内的性能分析，输出性能分析结果文件，具体为：

步骤3.1：通过模型库以及可视化前端界面获取模块化航天器各组成模块属性信息以及模块连接位置关系；

为对模块化航天器的质量、质心以及结构基频进行分析，要获取各个模块的质量、质心位置以及各模块的连接顺序及位置关系；

其中，质心位置、各模块的连接顺序及位置关系要进行定义以保证数据无歧义，具体为：

步骤3.1A定义概念设计系统中的局部坐标系和全局坐标系，设定模块所对应的局部坐标系为以各模块形心所在位置为原点的坐标系；可视化场景中第一个实例化的模块的局部坐标系为全局坐标系；

步骤3.1B定义模块化航天器模块的连接顺序及位置关系，具体为：

定义各个模块每个面的编号，且模块的局部坐标系与各个面之间的关系是固定的；模块连接时按照连接该模块面的编号的不同分为六大类连接，对不同类型的连接规定了不同的连接编号；定义新连接模块在固定的连接类型下的具体连接姿态，在规定的视角下获取新模块的连接面编号以及与该连接面相邻上侧面编号，形成共计二十四类连接姿态；

根据上述定义的各类数据，即能无歧义地确定并获取各模块化航天器模块的连接信息和对应的姿态信息；

步骤3.2：调用性能评估模块，生成模块化航天器并进行性能分析，输出性能分析结果；

其中，性能分析包括对模块化航天器的质量、质心以及结构基频进行分析，且对模块化航天器的质量以及质心分析无需调用求解器，结构基频分析需生成计算输入文件；

步骤4：将步骤3输出的性能分析结果进行可视化，在概念设计系统中为设计人员提供直观的结果显示，具体为：

步骤4.1：对性能分析结果文件的正确性进行检测，输出正确与否的检测结果；

对性能分析结果文件正确性进行判断，当含有关键字“FATAL”时返回计算错误的信息，若整个文件不含有关键字“FATAL”，则返回计算无误的信息；

步骤4.2：判断步骤4.1输出的检测结果是否正确，若正确，则读取分析结果并将分析结果经数据类型转换存储在内存中，否则在可视化前端界面提示错误信息；

其中，若性能分析结果文件正确，即检测结果正确，则读取性能分析结果文件，具体为：在性能分析结果文件中确定结果数据所在位置，将结果数据以字符串的形式读入，最后转换字符串型的结果数据类型，将类型转换后的数据存储在内存中；

步骤4.3：在可视化前端界面上显示性能分析结果，供设计人员参考。

2.如权利要求1所述的一种模块化航天器的可视化概念设计方法，其特征在于：步骤1.2中，TCP/IP协议，即传输控制协议/互联网协议。

3.如权利要求1所述的一种模块化航天器的可视化概念设计方法，其特征在于：步骤1.2中，使用TCP/IP协议在可视化前端界面及可视化场景之间进行数据通讯，在属性定义界面完成模块化航天器模块单元的设计工作后，模型属性的各项数据由可视化前端界面发送至可视化场景。

4.如权利要求1所述的一种模块化航天器的可视化概念设计方法，其特征在于：步骤1.2中，可视化场景接收到数据后对数据进行解析分类，分别存储到相应数组中。

5.如权利要求1所述的一种模块化航天器的可视化概念设计方法，其特征在于：步骤2.1B中，游戏对象数组指的是Unity3D中的GameObject数组。

6.如权利要求1所述的一种模块化航天器的可视化概念设计方法，其特征在于：步骤3.2中，计算输入文件指的是*.bdf文件，且该计算输入文件通过步骤2拼接模块化航天器的第一次拼接过程产生，后续若干次拼接过程是将相关信息添加至生成的计算输入文件中。

7.如权利要求1所述的一种模块化航天器的可视化概念设计方法，其特征在于：步骤3.2中，第一次拼接过程指的是两个单独的模块连接；后续若干次连接过程指的是一个单独的模块连接至一个由多个模块所构成的模块化航天器上。

8.如权利要求1所述的一种模块化航天器的可视化概念设计方法，其特征在于：步骤3.2中，结构基频分析具体通过使用Nastran求解器调用性能评估模块实现，该求解器中的函数能保证求解器运行条件的正确设置、求解器正确启动、计算输入文件路径正确提交、性能分析结果文件正确保存，输出性能分析结果文件。

9.如权利要求1所述的一种模块化航天器的可视化概念设计方法，其特征在于：步骤3.2中，性能分析结果文件指的是*.f06文件。

10.如权利要求1所述的一种模块化航天器的可视化概念设计方法，其特征在于：步骤4.3具体为：从内存中获取步骤4.2中的分析结果，利用UI Text组件将该组件的Text文本内容设置为分析结果，并控制UI内容在界面上的显示与隐藏；

其中，分析结果即UI内容。