CN113642188A - 星体对转动太阳帆板遮挡面积的全周期可视化分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星体对转动太阳帆板遮挡面积的全周期可视化分析方法，涉及航空器设计技术领域，包括如下步骤：将卫星设计结构图通过建模软件导出和模型转化软件转化并进行参数调整，得到可被可视化实时计算系统识别的模型文件；建立卫星数学仿真系统，生成并输出信息；在可视化实时计算系统中进行卫星模型、卫星运行的配置、在轨运行可视化与期望的验证、建立分析工作所需的坐标系、向量和面，并将数据导出；根据导出的数据进行星体对转动太阳帆板遮挡面积的计算。至少部分解决了理论计算过于繁琐且难以校验的问题，将计算结果与可视化显示进行比对校验，避免了纯理论计算可能导致的错误，也方便卫星设计人员使用。
Description
技术领域
本发明涉及航空器设计技术领域，特别涉及一种星体对转动太阳帆板遮挡面积的全周期可视化分析方法。
背景技术
互联网卫星集成多型大功率通信设备，在轨运行指向需要根据任务要求进行变化，所以需要太阳帆板驱动机构(Solar Array Drive Assembly，SADA)驱动帆板进行对日，提供能源补给。
受到运载能力和卫星在轨挠性特性的限制，不能一味的加大帆板面积，所以动态实时根据卫星在轨位置和太阳照射帆板的方向分析帆板太阳能电池片受照面积十分重要。通过地面仿真分析，一方面可以为整星结构设计提供依据，另一方面可以为太阳能电池片布片提供支撑，最终保证卫星系统能源的最优和在不同工况下的利用率最高。
但现有技术进行星体对转动太阳帆板遮挡面积的地面仿真分析时，往往在卫星计算能源和帆板面积时总是以在轨最恶劣情况进行纯理论计算，且大多数情况都未考虑带SADA驱动的帆板的情况，存在理论计算过于繁琐且难以校验的问题。
发明内容
本发明为解决现有技术进行星体对转动太阳帆板遮挡面积的地面仿真分析时，理论计算过于繁琐且难以校验的问题，采用了一种动态可视化的分析方法，以至少部分地解决上述问题。
由于卫星在轨位置实时变化，姿态根据任务要求多变，本发明方法根据卫星信息、太阳位置和帆板转动等信息进行帆板受照率的分析，通过理论计算出具体的遮挡区域和遮挡面积，并通过可视化手段对计算进行复核和实时显示。
具体而言，本发明提供一种结合建模软件、模型转化软件、卫星数学仿真系统和可视化实时计算系统的动态可视化的分析方法，包括如下步骤：
将卫星设计结构图通过建模软件导出和模型转化软件转化并进行参数调整，得到可被可视化实时计算系统识别的模型文件；所述模型文件包括：固定部件，由星体设置；转动部件，由带SADA驱动的帆板设置。
建立卫星数学仿真系统，生成并输出信息；所述卫星数学仿真系统中，生成并输出的信息包括：卫星轨道动力学信息、卫星姿态动力学信息、卫星SADA转动模型信息；所述卫星轨道动力学信息包括：根据初始轨道信息和轨控信息实时解算得到的卫星在轨位置信息；所述卫星姿态动力学信息包括：根据任务和工作模式实时解算得到的卫星在轨指向信息；所述卫星SADA转动模型信息包括：根据SADA转动导引率实时解算得到的帆板与卫星本体系的位置关系信息。
在可视化实时计算系统中进行卫星模型的配置；卫星模型的配置包括：将模型文件导入可视化实时计算系统中，完成转动部件转动特性的设置，并完成部件与外部接口的定义；所述转动部件转动特性，包括：转动轴、转动方向及转动范围。
在可视化实时计算系统中进行卫星运行的配置；卫星运行的配置包括：将卫星轨道动力学信息、卫星姿态动力学信息以数据流的形式跟可视化实时计算系统进行交互，转动部件根据卫星SADA转动模型信息输出实时转动。
在可视化实时计算系统中进行在轨运行可视化与期望的验证；
在可视化实时计算系统中建立分析工作所需的坐标系、向量和面，并将数据导出；在可视化实时计算系统中建立分析工作所需的坐标系、向量和面包括：建立卫星本体坐标系、帆板坐标系、太阳向量、卫星本体的包络向量、帆板的包络向量；根据太阳向量建立的卫星本体的包络向量在帆板上的投影向量；
将数据导出包括如下步骤：基于卫星本体坐标系，确定帆板的顶点坐标、卫星星体顶点坐标、卫星星体上的突出物轮廓坐标、卫星轨道参数、世界时和太阳倾角；将上述数据通过转化矩阵转化到帆板坐标系下；按照可设置的时间间隔通过可视化实时计算系统报表的形式导出数据。
根据导出的数据进行星体对转动太阳帆板遮挡面积的计算；利用数据分析工具，将各个点在帆板坐标系下进行显示，并将各坐标点连接起来形成包络；采用蒙特卡洛算法对各包络之间的相交面积求积分得到相交面积；随着时间序列的前进，实时计算当前时间的相交面积；相交面积为星体对转动太阳帆板遮挡面积，在可视界面中进行实时显示；
将各坐标点连接起来形成包络包括：将帆板的顶点直接相连，表征帆板的包络；将星体顶点在帆板上的投影点凸包连接，表征星体的包络投影；将星体上突出物轮廓凸包连接，表征星体上突出物轮廓的包络投影。
其中，所述可视化实时计算系统包括STK软件系统，并且在所述STK软件系统中实时动态显示卫星的在轨运行状态、遮挡区域以及对卫星寿命周期任何时间节点、不同太阳矢量与帆板法线夹角情况下进行可视化显示。
本发明所提供的星体对转动太阳帆板遮挡面积的全周期可视化分析方法，在分析过程中，可以通过可视化手段对计算进行复核和实时显示，并且可以根据需求，在卫星寿命周期任何时间节点，不同太阳矢量与帆板法线夹角情况下进行可视化显示，最大程度上遍历全部可能情况。本发明至少具有如下有益效果：与现有技术相比，避免了大量的理论计算，可以将计算结果与可视化显示进行比对校验，避免了纯理论计算可能导致的错误，也方便卫星设计人员使用。
附图说明
图1示出了本发明方法一个实施例中星体对带SADA驱动的帆板遮挡实时可视化计算的系统整体框架。
图2示出了本发明方法一个实施例中卫星模型文件的导出及转化。
图3示出了本发明方法一个实施例中的卫星结构。
图4示出了本发明方法中的卫星数学仿真系统及信息输出。
图5示出了本发明方法一个实施例中的可视界面中对遮挡形状及大小的动态显示。
图6示出了本发明方法一个实施例中星体对帆板遮挡面积可视化计算的实时输出。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
图1示出本发明方法一个实施例中星体对带SADA驱动的帆板遮挡实时可视化计算的系统整体框架。建模软件为Pro/ENGINEER(Proe)，卫星数学仿真系统基于MATLAB，可视化实时计算系统为美国Analytical Graphics公司的卫星工具软件STK(Satellite ToolKit)，数据处理和遮挡计算基于Python，具体步骤如下：
卫星设计结构图如图3所示，二维SADA具有两个旋转自由度，分别为旋转点G和旋转点H，其中旋转点G可以绕Yb做360°的旋转，而旋转点H可以绕Xf做设定角度范围内的旋转。旋转点G和旋转点H之间有一个连接杆，旋转点H通过一个连接杆与帆板相连。其中，ObH长a，HOf长b，旋转点H旋转角度为α，旋转点G旋转角度为β。
根据卫星设计结构图，通过建模软件Pro/ENGINEER(Proe)导出Obj格式模型文件，然后由LightWave软件将Obj文件转化为可被STK识别的Mdl模型文件，将星体与带SADA驱动的帆板进行结构分离，将星体设置为固定部件，带SADA驱动的帆板设置为转动部件，并进行参数调整完成Mdl文件与实际模型的映射。
以及建立卫星数学仿真系统，其中包括卫星轨道动力学：根据初始轨道信息和轨控信息实时解算卫星在轨位置信息；卫星姿态动力学：根据任务和工作模式实时解算卫星在轨指向信息；卫星SADA转动模型：根据SADA转动导引率实时解算帆板与卫星本体系的位置关系。并将上述信息整体输出。
以及进行STK卫星模型的配置。将卫星Mdl文件导入STK中，完成转动部件转动特性的设置(转动轴、转动方向及转动范围)，并完成部件与外部接口的定义，便于后续程序驱动。
以及进行STK卫星运行的配置。将卫星指向信息和位置信息以数据流的形式跟STK进行交互，STK实时根据卫星数学仿真系统输出的信息进行运行。转动部件根据SADA转动模型的输出实时转动。
以及进行STK在轨运行可视化与期望的验证工作。然后开展卫星本体对帆板太阳能电池片的遮挡分析工作。在卫星的本体和帆板上建立后续分析工作所需要的建立分析工作所需的坐标系、向量和面，主要包括建立卫星本体坐标系、帆板坐标系、太阳矢量、卫星本体的包络向量、帆板的包络、根据太阳照射方向建立本体包络向量在帆板上投影向量。并将数据通过STK报表的形式导出。
定义帆板坐标系如下：
卫星本体坐标系Ob-XbYbZb先沿着Yb方向平移a，然后旋转点G旋转角为α，则：
平移量t1＝[0 -a 0]，旋转矩阵T1，表示为：
G点旋转和平移过程表示为：
其次，旋转点H旋转角为θ，然后沿着Yf方向平移b长度。旋转矩阵T2为：
平移向量t2为[0 -b 0]。H点的旋转和平移过程表示为：
太阳矢量为S(m，n，p)，任意点坐标为P(x，y，z)，该点沿着太阳矢量方向在帆板平面上的投影点为P′(x′，y′)，则有：
太阳矢量与帆板法线夹角为β，帆板坐标系的太阳矢量为S＝[0 cosβ sinβ]
则沿着太阳矢量方向，将卫星本体做投影，交帆板坐标系Of-XfYfZf的OXY平面得到其投影轮廓。
需要导出的数据(以单个帆板为例，坐标系为卫星本体坐标系)：
| 帆板的四个顶点坐标(动态) |
| 卫星星体的八个顶点坐标(动态) |
| 卫星星体上的突出物轮廓坐标(动态) |
| 卫星轨道参数 |
| 采样时间间隔 |
| 世界时 |
| 太阳倾角 |
将导出的数据按照上述定义帆板坐标系中的转换矩阵分别转换到帆板坐标系的坐标系下，帆板与星体侧面平行的边作为基准坐标系的X轴，帆板与星体侧面垂直的边作为基准坐标系的Y轴建立坐标系。
根据上述模型，构建相关坐标系以及矢量，确定点的坐标。并按照一定时间间隔导出相关数据。
以及根据STK导出的数据，计算相似面积。
利用python的数据分析工具，将各个点在基准坐标系下进行显示，并按照一定的规则将各坐标点连接起来形成包络。
规则如下：
1.帆板的四个顶点直接相连，用于表征帆板的包络。
2.星体八个顶点的投影点的凸包连接，用于表征星体的包络投影。
3.星体上突出物轮廓凸包连接，用于表突出物轮廓的包络投影。
形成包络以后，采用蒙特卡洛算法对各包络之间的相交面积求积分得到相交面积。随着时间序列的前进，实时计算当前时间的相交遮挡面积，并在QtGUI界面中进行实时显示，见图5。
最终，进行在轨长时间仿真，根据STK输出数据，进行各种工况和太阳照射情况下的帆板遮挡面积计算。根据几何遮挡模型，通过STK软件进行建模，在STK软件环境中可以实时动态显示出航天器的在轨运行状态以及遮挡区域。且可以根据需求，在卫星寿命周期任何时间节点，不同β角情况下进行可视化显示，最大程度上遍历全部可能情况。而后通过STK软件进行卫星在轨相关数据采集，并通过Python进行遮挡面积计算，获取卫星全寿命周期所有遮挡情况以及遮挡面积大小。图6可见示出了星体对帆板遮挡面积可视化计算的实时输出。
Claims (4)
1.一种星体对转动太阳帆板遮挡面积的全周期可视化分析方法，其特征在于，采用了一种结合建模软件、模型转化软件、卫星数学仿真系统和可视化实时计算系统的动态可视化的分析方法，包括如下步骤：
将卫星设计结构图通过建模软件导出和模型转化软件转化并进行参数调整，得到可被可视化实时计算系统识别的模型文件，其中所述模型文件包括：固定部件，由星体设置；转动部件，由带SADA驱动的帆板设置；
建立卫星数学仿真系统，生成并输出信息，其中所述信息包括卫星轨道动力学信息、卫星姿态动力学信息、卫星SADA转动模型信息；
在可视化实时计算系统中进行卫星模型的配置，其中包括将模型文件导入可视化实时计算系统中，完成转动部件转动特性的设置，并完成部件与外部接口的定义，其中所述转动部件转动特性包括转动轴、转动方向及转动范围；
在可视化实时计算系统中进行卫星运行的配置，其中包括将卫星轨道动力学信息、卫星姿态动力学信息以数据流的形式跟可视化实时计算系统进行交互，转动部件根据卫星SADA转动模型信息输出实时转动；
在可视化实时计算系统中进行在轨运行可视化与期望的验证；
在可视化实时计算系统中建立分析工作所需的坐标系、向量和面，并将数据导出，其中建立分析工作所需的坐标系、向量和面包括建立卫星本体坐标系、帆板坐标系、太阳向量、卫星本体的包络向量、帆板的包络向量；根据太阳向量建立的卫星本体的包络向量在帆板上的投影向量；将数据导出包括如下步骤：基于卫星本体坐标系，确定帆板的顶点坐标、卫星星体顶点坐标、卫星星体上的突出物轮廓坐标、卫星轨道参数、世界时和太阳倾角；将上述数据通过转化矩阵转化到帆板坐标系下；按照可设置的时间间隔通过可视化实时计算系统报表的形式导出数据；以及
根据导出的数据进行星体对转动太阳帆板遮挡面积的计算，其中包括下列步骤：利用数据分析工具，将各个点在帆板坐标系下进行显示，并将各坐标点连接起来形成包络；采用蒙特卡洛算法对各包络之间的相交面积求积分得到相交面积；随着时间序列的前进，实时计算当前时间的相交面积；相交面积为星体对转动太阳帆板遮挡面积，在可视界面中进行实时显示；其中将各坐标点连接起来形成包络包括：将帆板的顶点直接相连，表征帆板的包络；将星体顶点在帆板上的投影点凸包连接，表征星体的包络投影；将星体上突出物轮廓凸包连接，表征星体上突出物轮廓的包络投影；
其中，所述可视化实时计算系统包括STK软件系统，并且在所述STK软件系统中实时动态显示卫星的在轨运行状态、遮挡区域以及对卫星寿命周期任何时间节点、不同太阳矢量与帆板法线夹角情况下进行可视化显示。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星轨道动力学信息包括：根据初始轨道信息和轨控信息实时解算得到的卫星在轨位置信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星姿态动力学信息包括：根据任务和工作模式实时解算得到的卫星在轨指向信息。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星SADA转动模型信息包括：根据SADA转动导引率实时解算得到的帆板与卫星本体系的位置关系信息。
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