CN111125832A - 一种获取空间飞行器迎风面压心位置和面积的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种获取空间飞行器迎风面压心位置和面积的方法，包括：在空间飞行器附近位置建立标准参照体的三维几何模型；创建标准参照体和空间飞行器沿飞行方向的平行投影平面图；识别并提取投影平面图中标准参照体区域和空间飞行器区域；计算所提取标准参照体区域的图像尺寸、形心坐标值和总像元数；计算所提取空间飞行器区域的形心坐标值、总像元数；计算标准参照体区域图像尺寸与理论工程尺寸的单位转换系数；计算空间飞行器迎风面压心位置和面积。本发明可以快速、准确地获取具有复杂外形航天器迎风面压心位置和面积；适用工况多；计算精度可调，可操作性强。

Description

一种获取空间飞行器迎风面压心位置和面积的方法

技术领域

本发明涉及空间飞行器总体设计技术领域，具体地，涉及一种获取空间飞行器迎风面压心位置和面积的方法。

背景技术

空间飞行器特别是环绕地球飞行的低轨空间飞行器，在飞行过程中其迎风面的气动力作用点(压心)不通过空间飞行器质心时，这种压力偏心情况会使空间飞行器的飞行姿态受到干扰。当飞行轨道高度越低、大气密度越大、迎风面积越大，大气压力偏心引起的姿态干扰力矩越大，若这种干扰力矩超出空间飞行器姿态控制执行部件——反作用飞轮的控制能力时，可能引起空间飞行器姿态失稳，导致空间飞行器进入紧急姿态安全模式从而中断了正常的业务运行。因此，在空间飞行器设计初期获取准确的迎风面压心位置、迎风面面积等参数并结合轨道高度来评估空间飞行器设计方案的可行性显得尤为重要。

一般而言，大多数空间飞行器主要为外形相对规则的本体和太阳电池阵组成，这类空间飞行器的通常比较容易根据规则的几何尺寸算得其迎风面的压力中心和面积。但是，对于少数具有复杂外形的空间飞行器，由于其外形的不规则特征，不能再根据规则的几何尺寸算得其迎风面的压力中心和面积，传统做法是通过简化几何外形的方式来计算其压力中心和面积，但简化会带来较大的误差，而且这种简化计算通常是假设空间飞行器以零姿态飞行，对于任意姿态飞行的情况则难以实现。比如，某种低轨道运行的空间飞行器，其复杂的外形在于装载有一维圆锥扫描大反射面微波探测仪、二维驱动大口径反射面的数传中继天线、一维驱动双翼偏置太阳电池阵以及其他突出部件，而且这些驱动部件的驱动角度随时间不断变化也使得空间飞行器迎风面一直在变化，迎风面变化导致了压心位置也不断在变化,为了计算其在不同姿态不同转动工况下迎风面的压心位置和面积，简化的方法其精度无法满足,效率也不高。

因此，需要一种适应多转动工况、多飞行姿态外形复杂航天器的迎风面压心位置和面积的高效、高精度的算法。

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获取空间飞行器迎风面压心位置和面积的方法。

根据本发明提供的一种获取空间飞行器迎风面压心位置和面积的方法，包括如下步骤：

步骤S1：在空间飞行器附近位置建立标准参照体的三维几何模型；

步骤S2：创建标准参照体和空间飞行器沿飞行方向的平行投影平面图；

步骤S3：识别并提取平行投影平面图中标准参照体区域和空间飞行器区域；

步骤S4：计算所提取标准参照体区域的图像尺寸、形心坐标值和总像元数；

步骤S5：计算所提取空间飞行器区域的形心坐标值、总像元数；

步骤S6：计算标准参照体区域图像尺寸与理论工程尺寸的单位转换系数；

步骤S7：计算空间飞行器迎风面压心位置和面积。

优选地，步骤S1中：

标准参照体的位置尺寸相对于空间飞行器上固定参考点进行设置且在投影时标准参照体与空间飞行器两者互不遮挡；

所述标准参照体建立为具有外形尺寸属性和颜色属性；

建立标准参照体的场景中，场景的背景色区别于标准参照体颜色和空间飞行器颜色。

优选地，步骤S2中：

进行投影时，空间飞行器的飞行姿态为任意姿态，空间飞行器所装载的活动部件具有任一活动状态；

标准参照体和空间飞行器一同沿飞行方向平行投影得到投影平面图，投影平面图为位图。

优选地，步骤S3中：

根据标准参照体的单一特征颜色、标准形状特征识别并提取出标准参照体区域；空间飞行器区域的提取方法为首先在投影平面图中用背景色填充标准参体区域，然后通过与背景色进行对比提取出空间飞行器区域。

优选地，步骤S4中的图像尺寸、形心坐标值以及步骤S5中的形心坐标值的度量单位均为像元；步骤S4和步骤S5中的形心坐标的参考原点位于投影平面图上的任意选取点。

优选地，步骤S6中：

标准参照体区域的理论工程尺寸为按照飞行方向平行投影到平面上所应呈现的理论尺寸，所述理论工程尺寸的度量单位为工程长度单位；所述单位转换系数＝标准参照体的理论工程尺寸/标准参照体区域的图像尺寸。

优选地，步骤S7中：

根据得到的标准参照体相对位置、标准参照体区域形心坐标、空间飞行器区域形心坐标、单位转换系数，通过几何学方法算得空间飞行器迎风面压心位置和面积，压心位置和面积均采用工程单位度量；

计算得到的压心位置尺寸的参照基准为空间飞行器上固定参考点；

计算得到的迎风面压心位置基于空间飞行器飞行环境下迎风面的压心位置与迎风面的形心位置重合的基本假设。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明可以快速、准确地获取具有复杂外形航天器迎风面压心位置和面积，为评估空间飞行器在轨运行时空间飞行器姿态受气动力干扰提供准确的参数；

2、本发明适用工况多，可适用于具有多种飞行姿态、装载有多种活动部件且活动部件具有多种活动状态等各种工况组合下的空间飞行器；

3、本发明计算精度可调，工程实现上准备工作简单、约束条件少，可操作性强。

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为本发明一种获取空间飞行器迎风面压心位置和面积的方法流程图；

图2为某空间飞行器附近位置建立有标准参照体的平面投影图示意图。

图中示出：

1-一维驱动偏置太阳电池阵；

2-空间飞行器本体；

3-标准参照体；

4-一维驱动遥感仪器微波反射面；

5-二轴驱动天线反射面。

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供的一种获取空间飞行器迎风面压心位置和面积的方法，包括如下步骤：

步骤1，在空间飞行器附近位置建立标准参照体的三维几何模型，如图2所示，图中某空间飞行器的组成部分包括一维驱动偏置太阳电池阵、空间飞行器本体、一维驱动遥感仪器微波反射面、二轴驱动天线反射面，图中标准参照体选取边长(即理论工程尺寸)为d(单位：mm)的立方体，立方体几何中心相对于空间飞行器固定参考点O的坐标值(单位：mm)为x_r、y_r、z_r，立方体颜色设置为红色(建议立方体颜色与空间飞行器上的任一颜色均不相同)，空间飞行器颜色保持本色(即不对空间飞行器做额外的颜色设置)，背景色为白色(与标准参照体和空间飞行器颜色均不同)；

步骤2，创建标准参照体和空间飞行器沿飞行方向的平行投影平面图，空间飞行器飞行姿态选择零姿态，一维驱动偏置太阳电池阵转角为β₁，一维驱动遥感仪器微波反射面转角位β₂，二轴驱动天线反射面转角(β_x，β_y)，沿飞行方向进行平行投影得到的投影平面图如见图2所示，投影平面图为位图，图像分辨率设置为X个dpi，X取值越大，则后面获取的迎风面压心位置和面积的精度越高；

步骤3，识别并提取投影平面图中标准参照体区域和空间飞行器区域，首先，根据标准参照体的特征色红色，按照一定的容差提取与该特征色相同的区域A₁，区域A₁包含了标准参照体区域和该空间飞行器上与该特征色相近的区域，在A₁中根据标准参照体形状特征提取标准参照体区域A_s，其次在投影平面图中用白色背景色填充标准参体区域A_s，最后，在投影平面图中通过与背景色进行对比提取出空间飞行器区域A_c；

步骤4，计算所提取标准参照体区域的图像尺寸、形心坐标值和总像元数，针对标准参照体区域A_s，识别出区域A_s的边长d′(单位：像元)，统计区域A_s的总像元数量N_s，选取投影平面图左上角点为参考原点，计算区域A_s的形心坐标x_s、y_s(单位：像元)，即

式中，x_i、y_i(单位：像元)分别为区域A_s中第i个像元的横坐标(向右为正)、纵坐标(向下为正)；

步骤5，计算所提取空间飞行器区域的形心坐标值、总像元数，针对标准参照体区域A_c，统计区域A_c的总像元数量N_c，计算区域A_c的形心坐标x_c、y_c(单位：像元)，即

式中，x_j、y_j(单位:像元)分别为区域A_c第j个像元的横坐标(向右为正)、纵坐标(向下为正)；

步骤6，计算标准参照体区域图像尺寸与理论工程尺寸的单位转换系数，单位转换系数为γ＝d/d′(单位：mm/像元)；

步骤7，计算空间飞行器迎风面压心位置和面积，在大气层外飞行的前提下，认为空间飞行器迎风面压心与迎风面形心重合，以空间飞行器固定参考点O(位于空间飞行器底面几何中心)为原点，空间飞行器零姿态飞行时，设迎风面压心位置为y_cg、z_cg(单位：mm)，迎风面面积为S_c(单位：m²)，则由以上步骤中的参数，根据几何学方法算得迎风面压心位置为y_cg＝y_r-γ(x_c-x_s)，z_cg＝z_r+γ(y_c-y_s)，迎风面面积为S_c＝A_c·γ²/10⁶。

本发明可以快速、准确地获取具有复杂外形航天器迎风面压心位置和面积，为评估空间飞行器在轨运行时空间飞行器姿态受气动力干扰提供准确的参数；适用工况多，可适用于具有多种飞行姿态、装载有多种活动部件且活动部件具有多种活动状态等各种工况组合下的空间飞行器；计算精度可调，工程实现上准备工作简单、约束条件少，可操作性强。

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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种获取空间飞行器迎风面压心位置和面积的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：在空间飞行器附近位置建立标准参照体的三维几何模型；

步骤S2：创建标准参照体和空间飞行器沿飞行方向的平行投影平面图；

步骤S3：识别并提取平行投影平面图中标准参照体区域和空间飞行器区域；

步骤S4：计算所提取标准参照体区域的图像尺寸、形心坐标值和总像元数；

步骤S5：计算所提取空间飞行器区域的形心坐标值、总像元数；

步骤S6：计算标准参照体区域图像尺寸与理论工程尺寸的单位转换系数；

步骤S7：计算空间飞行器迎风面压心位置和面积。

2.根据权利要求1所述的获取空间飞行器迎风面压心位置和面积的方法，其特征在于，步骤S1中：

标准参照体的位置尺寸相对于空间飞行器上固定参考点进行设置且在投影时标准参照体与空间飞行器两者互不遮挡；

所述标准参照体建立为具有外形尺寸属性和颜色属性；

建立标准参照体的场景中，场景的背景色区别于标准参照体颜色和空间飞行器颜色。

3.根据权利要求1所述的获取空间飞行器迎风面压心位置和面积的方法，其特征在于，步骤S2中：

进行投影时，空间飞行器的飞行姿态为任意姿态，空间飞行器所装载的活动部件具有任一活动状态；

标准参照体和空间飞行器一同沿飞行方向平行投影得到投影平面图，投影平面图为位图。

4.根据权利要求1所述的获取空间飞行器迎风面压心位置和面积的方法，其特征在于，步骤S3中：

根据标准参照体的单一特征颜色、标准形状特征识别并提取出标准参照体区域；空间飞行器区域的提取方法为首先在投影平面图中用背景色填充标准参体区域，然后通过与背景色进行对比提取出空间飞行器区域。

5.根据权利要求1所述的获取空间飞行器迎风面压心位置和面积的方法，其特征在于，步骤S4中的图像尺寸、形心坐标值以及步骤S5中的形心坐标值的度量单位均为像元；步骤S4和步骤S5中的形心坐标的参考原点位于投影平面图上的任意选取点。

6.根据权利要求1所述的获取空间飞行器迎风面压心位置和面积的方法，其特征在于，步骤S6中：

标准参照体区域的理论工程尺寸为按照飞行方向平行投影到平面上所应呈现的理论尺寸，所述理论工程尺寸的度量单位为工程长度单位；所述单位转换系数＝标准参照体的理论工程尺寸/标准参照体区域的图像尺寸。

7.根据权利要求1所述的获取空间飞行器迎风面压心位置和面积的方法，其特征在于，步骤S7中：

根据得到的标准参照体相对位置、标准参照体区域形心坐标、空间飞行器区域形心坐标、单位转换系数，通过几何学方法算得空间飞行器迎风面压心位置和面积，压心位置和面积均采用工程单位度量；

计算得到的压心位置尺寸的参照基准为空间飞行器上固定参考点；

计算得到的迎风面压心位置基于空间飞行器飞行环境下迎风面的压心位置与迎风面的形心位置重合的基本假设。

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