專利名稱：基于stl的通信衛(wèi)星大天線對(duì)太陽(yáng)翼遮擋分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于STL的通信衛(wèi)星大天線對(duì)太陽(yáng)翼遮擋分析方法，屬于衛(wèi)星設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)任務(wù)的復(fù)雜程度越來(lái)越高，星載大天線口徑越來(lái)越大。大天線和太陽(yáng)翼在衛(wèi)星發(fā)射時(shí)收攏在衛(wèi)星艙板上，在軌展開(kāi)。對(duì)于通信衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)翼始終對(duì)日定向。若衛(wèi)星在軌姿態(tài)連續(xù)偏置，太陽(yáng)翼與太陽(yáng)光夾角會(huì)呈現(xiàn)周期性變化。隨著太陽(yáng)光和太陽(yáng)翼的法向矢量?jī)烧咧g夾角的變化，在某些特定時(shí)刻，大天線將對(duì)太陽(yáng)翼造成遮擋，其實(shí)質(zhì)是對(duì)太陽(yáng)翼上電池片的遮擋。遮擋使投射到部分電池表面的太陽(yáng)光強(qiáng)度減小，導(dǎo)致其整串太陽(yáng)電池輸出電流下降，太陽(yáng)電池陣輸出功率衰減。
為了在衛(wèi)星設(shè)計(jì)初期綜合考慮整星功率、大天線布局以及太陽(yáng)翼的結(jié)構(gòu)形式和電池片布片方式，有必要研究大天線對(duì)太陽(yáng)翼上電池片的遮擋。
以往的通信衛(wèi)星太陽(yáng)翼所受遮擋影響的分析方法，主要是按照太陽(yáng)光和太陽(yáng)翼法向矢量的夾角的變化，在三維模型中將太陽(yáng)翼轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的夾角，然后看大天線對(duì)太陽(yáng)翼的遮擋。這種方法主要有以下不足:
(I) —般多考慮太陽(yáng)光在極限情況下(太陽(yáng)光入射方向和太陽(yáng)翼方向夾角為23.5度)時(shí)，大天線對(duì)太陽(yáng)翼的遮擋。但目前有些通信衛(wèi)星不再是標(biāo)準(zhǔn)的同步軌道，而是小傾角同步軌道，衛(wèi)星姿態(tài)、太陽(yáng)光矢量和太陽(yáng)翼的相對(duì)幾何關(guān)系難以準(zhǔn)確表達(dá)，這樣使得原有的極限位置不再適用；
(2)除了軌道變化外，有些大天線還繞衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，原有分析方法中的簡(jiǎn)單極限位置也不再適用；
(3)原有的分析方法除極限位置外，若詳細(xì)考慮其他位置的遮擋，需人工調(diào)整三維模型，工作量較大；
(4)由于在三維軟件中將太陽(yáng)翼轉(zhuǎn)動(dòng)了一定的角度，不利于供配電設(shè)計(jì)師按照這種轉(zhuǎn)動(dòng)后的遮擋圖進(jìn)行太陽(yáng)翼上電池片的布片設(shè)計(jì)；
(5)以往分析方法只是將整個(gè)太陽(yáng)翼做為一個(gè)整體進(jìn)行簡(jiǎn)單的幾何分析，未考慮實(shí)際的電池片布片情況。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有大天線對(duì)太陽(yáng)翼遮擋影響分析方法的上述不足情況，提供一種根據(jù)衛(wèi)星軌道傾角、姿態(tài)偏置，可有效分析大天線對(duì)太陽(yáng)翼遮擋分析的方法。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于STL(Stereo Lithographic)的遮擋分析方法，包括如下步驟:
(I)將待分析對(duì)象的三維模型轉(zhuǎn)化為STL數(shù)據(jù)文件；
(2)提取太陽(yáng)翼電池片STL數(shù)據(jù)中有效的三角形網(wǎng)格；
(3)對(duì)太陽(yáng)翼電池片三角形網(wǎng)格進(jìn)行插值處理；
(4)將大天線STL數(shù)據(jù)處理后投影到太陽(yáng)翼電池片所在平面；
(5)在二維平面判斷電池片和大天線的三角形網(wǎng)格的遮擋情況；
(6)根據(jù)遮擋情況計(jì)算遮擋面積，并生成分析圖。
本發(fā)明給出了一種遮擋判斷的幾何分析方法，根據(jù)太陽(yáng)光線和太陽(yáng)翼法向矢量之間的夾角，可以得到任意時(shí)刻、任意軌道位置太陽(yáng)翼所受遮擋情況，且只需給出太陽(yáng)翼和大天線初始位置的三維模型，大天線相對(duì)于太陽(yáng)翼的其他位置模型通過(guò)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣只要知道衛(wèi)星的軌道位置，就可以得到任意時(shí)刻大天線對(duì)太陽(yáng)翼的遮擋情況；
本發(fā)明不再轉(zhuǎn)動(dòng)太陽(yáng)翼的朝向，而是相對(duì)太陽(yáng)翼的主視圖，將天線向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后，進(jìn)行遮擋分析，這樣，得到的遮擋結(jié)果圖有利于供配電設(shè)計(jì)師直觀的分析；
本發(fā)明將太陽(yáng)翼上的電池片按照實(shí)際尺寸和位置擺放，然后再提取其STL信息，這樣得到的太陽(yáng)翼所受遮擋情況即為實(shí)際的電池片受到的遮擋結(jié)果，避免了以往分析中不考慮電池片幾何信息的情況；
為了簡(jiǎn)化計(jì)算，使本項(xiàng)目更適合工程應(yīng)用，本項(xiàng)目不求取三角形網(wǎng)格相交和互相包含后的交點(diǎn)及相交面積，而是將太陽(yáng)翼電池片產(chǎn)生的STL數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，使每個(gè)電池片均分解為細(xì)小的三角形單元，這樣，某一細(xì)小的三角形單元(記為A)和大天線三角形單元(記為B)相交或包含，即判定A被遮擋。這種處理簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，符合工程應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明所涉及方法的流程圖2為本發(fā)明所采用的STL微元幾何(即三角形網(wǎng)格)示意圖3為太陽(yáng)翼上電池片受到I個(gè)三角形網(wǎng)格遮擋的分析結(jié)果示意；圖3(幻為插值前的分析結(jié)果圖，圖3(b)為插值后的分析結(jié)果圖4為星載大天線和太陽(yáng)翼整翼的電池片STL網(wǎng)格化后的模型；
圖5為星載大天線對(duì)太陽(yáng)翼的遮擋分析示意圖6為圖5中所受遮擋部位局部放大圖。
具體實(shí)施方式
開(kāi)展大天線對(duì)太陽(yáng)翼遮擋分析技術(shù)研究，考慮軌道傾角、姿態(tài)偏置和天線結(jié)構(gòu)，利用信息化手段解決大天線對(duì)太陽(yáng)翼幾何遮擋分析，可以滿足后續(xù)新型號(hào)研制需求。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的實(shí)施過(guò)程。本發(fā)明的實(shí)施如圖1所示，具體步驟如下:
(I)將待分析對(duì)象的三維模型轉(zhuǎn)化為STL數(shù)據(jù)文件:
STL(stereo lithographic)是美國(guó)3D System公司1988年開(kāi)發(fā)的用于快速成型制造技術(shù)的表面模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。目前，AutoCAD、Pro/E、UG、SolidWorks、1-DEAS, CAXA等軟件均能輸出以STL表示的三維實(shí)體模型。
太陽(yáng)翼電池片和大天線的三維模型各自以衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，選擇合適的“弦高”和“角度控制”兩個(gè)參數(shù)后，得到兩組STL數(shù)據(jù)文件(太陽(yáng)翼電池片的STL數(shù)據(jù)文件記為 “Solar_STL_Original”,大天線的 STL 數(shù)據(jù)文件記為 “Antenna_STL_Original ”)。該數(shù)據(jù)文件將三維模型表面離散化成三角形網(wǎng)格的形式，如圖2所示，包含了每個(gè)三角形網(wǎng)格的位置信息和法向矢量信息。
(2)按照太陽(yáng)翼電池片的STL數(shù)據(jù)中的法向矢量信息，提取出有效的三角形網(wǎng)格信息:
對(duì)本發(fā)明涉及到的分析任務(wù)來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)翼電池片的+Z向(與衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系Z軸正向相同的方向)向受到大天線的遮擋，所以提取“Solar_STL_Original”中法向矢量的i= l的三角形網(wǎng)格，形成“Solar_STL_Valid”的新數(shù)據(jù)文件。
(3)對(duì)“Solar_ STL_Valid”數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理:
由于在三維軟件中，像電池片這種法向矢量單一的模型，每個(gè)電池片只會(huì)生成2個(gè)三角形網(wǎng)格，如圖3所示，圖中電池片只是整個(gè)太陽(yáng)翼電池片的一小部分，黑色部分為被遮擋網(wǎng)格，不能滿足分析的需要，所以需對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行插值。本發(fā)明中采用簡(jiǎn)單的插值方法，即選取原三角形網(wǎng)格的三條邊的中點(diǎn)，連接這三個(gè)中點(diǎn)，從而將原三角形分割為四個(gè)三角形。處理完畢后的STL數(shù)據(jù)記為“Solar_STL_Final”；圖3(a)為插值前的分析結(jié)果圖，圖3(b)為插值后的分析結(jié)果圖；插值后，每個(gè)單元格的面積由616.6mm2變?yōu)?.6mm2。
(4)將“Antenna_STL_Valid”數(shù)據(jù)投影到太陽(yáng)翼電池片所在平面:
由于本發(fā)明最終得到的遮擋分析圖，是使太陽(yáng)翼電池片所在平面一直垂直于屏幕向外，所以需將大天線的STL數(shù)據(jù)進(jìn)行如下3步處理:
(a)以一個(gè)相對(duì)太陽(yáng)翼的旋轉(zhuǎn)角度(即太陽(yáng)翼法向矢量和太陽(yáng)光入射方向的夾角)和太陽(yáng)翼相對(duì)衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動(dòng)角進(jìn)行逆向旋轉(zhuǎn):
權(quán)利要求
1.一種基于STL的通信衛(wèi)星大天線對(duì)太陽(yáng)翼遮擋分析方法，其特征是:包括如下步驟: (1)將待分析對(duì)象的三維模型轉(zhuǎn)化為STL數(shù)據(jù)文件； (2)提取太陽(yáng)翼電池片STL數(shù)據(jù)中有效的三角形網(wǎng)格； (3)對(duì)太陽(yáng)翼電池片三角形網(wǎng)格進(jìn)行插值處理； (4)將大天線STL數(shù)據(jù)處理后投影到太陽(yáng)翼電池片所在平面； (5)在二維平面判斷電池片和大天線的三角形網(wǎng)格的遮擋情況； (6)根據(jù)遮擋情況計(jì)算遮擋面積，并生成分析圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于STL的通信衛(wèi)星大天線對(duì)太陽(yáng)翼遮擋分析方法，其特征是:在所述的步驟(I)中，將太陽(yáng)翼電池片和大天線的三維模型各自以衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，選擇合適的弦高和角度控制兩個(gè)參數(shù)后，得到太陽(yáng)翼電池片的STL數(shù)據(jù)文件和大天線的STL數(shù)據(jù)文件，所述數(shù)據(jù)文件將三維模型表面離散化成三角形網(wǎng)格的形式，包含了每個(gè)三角形網(wǎng)格的位置信息和法向矢量信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于STL的通信衛(wèi)星大天線對(duì)太陽(yáng)翼遮擋分析方法，其特征是:在所述的步驟(2)中，提取太陽(yáng)翼電池片的STL數(shù)據(jù)文件中法向矢量的;= 1的三角形網(wǎng)格，形成“Solar_STL_Valid”的新數(shù)據(jù)文件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于STL的通信衛(wèi)星大天線對(duì)太陽(yáng)翼遮擋分析方法，其特征是:在所述的步驟(3)中的插值方法為簡(jiǎn)單的插值方法，所述的簡(jiǎn)單的插值方法包括選取原三角形網(wǎng)格的三條邊的中點(diǎn)，連接這三個(gè)中點(diǎn)，將原三角形分割為四個(gè)三角形，處理完畢后的STL數(shù)據(jù)為Solar_STL_Final。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于STL的通信衛(wèi)星大天線對(duì)太陽(yáng)翼遮擋分析方法，其特征是:在所述的步驟(4)中將大天線的STL數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理: (a)以一個(gè)相對(duì)太陽(yáng)翼法向矢量和太陽(yáng)光入射方向的夾角和太陽(yáng)翼相對(duì)衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動(dòng)角進(jìn)行逆向旋轉(zhuǎn):
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于STL的通信衛(wèi)星大天線對(duì)太陽(yáng)翼遮擋分析方法，其特征是:在所述的步驟(5)中，Solar_STL_Final中某一個(gè)太陽(yáng)翼電池片插值后的網(wǎng)格形成的三角形網(wǎng)格C，Antenna_STL_Final中某一個(gè)三角形網(wǎng)格D，判斷所述的三角形網(wǎng)格C和三角形網(wǎng)格D的幾何關(guān)系是相離或相交或三角形網(wǎng)格C包含三角形網(wǎng)格D或三角形網(wǎng)格D包含三角形網(wǎng)格C，若為后三種情況之一，則判斷該電池片的l/(4n)被遮擋，并將三角形網(wǎng)格C的遮擋標(biāo)志位記為I,否則記為O ;n為插值次數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于STL的通信衛(wèi)星大天線對(duì)太陽(yáng)翼遮擋分析方法，其特征是:按照如下步驟判斷三角形網(wǎng)格C和三角形網(wǎng)格D是否為包含關(guān)系: (a)判斷三角形網(wǎng)格C的某一條邊的兩個(gè)頂點(diǎn)是否和三角形網(wǎng)格D的某一點(diǎn)組成的行列式的值大于O ; (b)若步驟(a)中所述的行列式的值大于O，則相含標(biāo)志位加I;相含標(biāo)志位初始值為O ； (C)重復(fù)步驟(a)，直至判斷完三角形網(wǎng)格D的三個(gè)頂點(diǎn)和三角形網(wǎng)格C的三條邊的關(guān)系; (d)若所述的相含標(biāo)志位為9，則三角形網(wǎng)格C包含三角形網(wǎng)格D。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于STL的通信衛(wèi)星大天線對(duì)太陽(yáng)翼遮擋分析方法，其特征是:在所述的步驟(6)中，根據(jù)步驟(5)得到的兩個(gè)STL中的三角形互相遮擋情況，計(jì)算遮擋面積，并生成遮擋圖；步驟(5)中， 所有太陽(yáng)翼電池片三角形網(wǎng)格的遮擋標(biāo)志位數(shù)目為num_mark,則總的遮擋面積為:S = num_mark*Sstl Sstl為每個(gè)電池片插值后的網(wǎng)格的面積。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于STL的通信衛(wèi)星大天線對(duì)太陽(yáng)翼遮擋分析方法，屬于衛(wèi)星設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提供一種根據(jù)衛(wèi)星軌道傾角、姿態(tài)偏置，可有效分析大天線對(duì)太陽(yáng)翼遮擋分析的方法，包括(1)將待分析對(duì)象的三維模型轉(zhuǎn)化為STL數(shù)據(jù)文件；(2)提取太陽(yáng)翼電池片STL數(shù)據(jù)中有效的三角形網(wǎng)格；(3)對(duì)太陽(yáng)翼電池片三角形網(wǎng)格進(jìn)行插值處理；(4)將大天線STL數(shù)據(jù)處理后投影到太陽(yáng)翼電池片所在平面；(5)在二維平面判斷電池片和大天線的三角形網(wǎng)格的遮擋情況；(6)根據(jù)遮擋情況計(jì)算遮擋面積，并生成分析圖。本發(fā)明的方法可得到任意時(shí)刻大天線對(duì)太陽(yáng)翼的遮擋情況，便于供配電設(shè)計(jì)師直觀的分析，簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，便于工程實(shí)施。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103150414SQ20121019271
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2012年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月13日
發(fā)明者徐春生, 孫治國(guó), 劉麗坤, 韓慶虎, 梁新剛 申請(qǐng)人:中國(guó)空間技術(shù)研究院