專利名稱：基于stl的通信衛(wèi)星大天線對太陽翼遮擋分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于STL的通信衛(wèi)星大天線對太陽翼遮擋分析方法，屬于衛(wèi)星設(shè)計技術(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)雜程度越來越高，星載大天線口徑越來越大。大天線和太陽翼在衛(wèi)星發(fā)射時收攏在衛(wèi)星艙板上，在軌展開。對于通信衛(wèi)星來說，太陽翼始終對日定向。若衛(wèi)星在軌姿態(tài)連續(xù)偏置，太陽翼與太陽光夾角會呈現(xiàn)周期性變化。隨著太陽光和太陽翼的法向矢量兩者之間夾角的變化，在某些特定時刻，大天線將對太陽翼造成遮擋，其實(shí)質(zhì)是對太陽翼上電池片的遮擋。遮擋使投射到部分電池表面的太陽光強(qiáng)度減小，導(dǎo)致其整串太陽電池輸出電流下降，太陽電池陣輸出功率衰減。
為了在衛(wèi)星設(shè)計初期綜合考慮整星功率、大天線布局以及太陽翼的結(jié)構(gòu)形式和電池片布片方式，有必要研究大天線對太陽翼上電池片的遮擋。
以往的通信衛(wèi)星太陽翼所受遮擋影響的分析方法，主要是按照太陽光和太陽翼法向矢量的夾角的變化，在三維模型中將太陽翼轉(zhuǎn)動相應(yīng)的夾角，然后看大天線對太陽翼的遮擋。這種方法主要有以下不足:
(I) —般多考慮太陽光在極限情況下(太陽光入射方向和太陽翼方向夾角為23.5度)時，大天線對太陽翼的遮擋。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)、太陽光矢量和太陽翼的相對幾何關(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，此時，原有分析方法中的簡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翼轉(zhuǎn)動了一定的角度，不利于供配電設(shè)計師按照這種轉(zhuǎn)動后的遮擋圖進(jìn)行太陽翼上電池片的布片設(shè)計；
(5)以往分析方法只是將整個太陽翼做為一個整體進(jìn)行簡單的幾何分析，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)問題是:克服現(xiàn)有大天線對太陽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太陽翼遮擋分析的方法。
為解決上述技術(shù)問題，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)將待分析對象的三維模型轉(zhuǎn)化為STL數(shù)據(jù)文件；
(2)提取太陽翼電池片STL數(shù)據(jù)中有效的三角形網(wǎng)格；
(3)對太陽翼電池片三角形網(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)太陽光線和太陽翼法向矢量之間的夾角，可以得到任意時刻、任意軌道位置太陽翼所受遮擋情況，且只需給出太陽翼和大天線初始位置的三維模型，大天線相對于太陽翼的其他位置模型通過程序來實(shí)現(xiàn)，這樣只要知道衛(wèi)星的軌道位置，就可以得到任意時刻大天線對太陽翼的遮擋情況；
本發(fā)明不再轉(zhuǎn)動太陽翼的朝向，而是相對太陽翼的主視圖，將天線向相反方向轉(zhuǎn)動一定角度后，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)計師直觀的分析；
本發(fā)明將太陽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；
為了簡化計算，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，而是將太陽翼電池片產(chǎn)生的STL數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，使每個電池片均分解為細(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。這種處理簡化了計算過程，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為太陽翼上電池片受到I個三角形網(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為星載大天線對太陽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
開展大天線對太陽翼遮擋分析技術(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太陽翼幾何遮擋分析，可以滿足后續(xù)新型號研制需求。
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)將待分析對象的三維模型轉(zhuǎn)化為STL數(shù)據(jù)文件:
STL(stereo lithographic)是美國3D System公司1988年開發(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”兩個參數(shù)后，得到兩組STL數(shù)據(jù)文件(太陽翼電池片的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，包含了每個三角形網(wǎng)格的位置信息和法向矢量信息。
(2)按照太陽翼電池片的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:
對本發(fā)明涉及到的分析任務(wù)來說，太陽翼電池片的+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“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，每個電池片只會生成2個三角形網(wǎng)格，如圖3所示，圖中電池片只是整個太陽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，所以需對網(wǎng)格進(jìn)行插值。本發(fā)明中采用簡單的插值方法，即選取原三角形網(wǎng)格的三條邊的中點(diǎn)，連接這三個中點(diǎn)，從而將原三角形分割為四個三角形。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)以一個相對太陽翼的旋轉(zhuǎn)角度(即太陽翼法向矢量和太陽光入射方向的夾角)和太陽翼相對衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動角進(jìn)行逆向旋轉(zhuǎn):
權(quán)利要求
1.一種基于STL的通信衛(wèi)星大天線對太陽翼遮擋分析方法，其特征是:包括如下步驟: (1)將待分析對象的三維模型轉(zhuǎn)化為STL數(shù)據(jù)文件； (2)提取太陽翼電池片STL數(shù)據(jù)中有效的三角形網(wǎng)格； (3)對太陽翼電池片三角形網(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)星大天線對太陽翼遮擋分析方法，其特征是:在所述的步驟(I)中，將太陽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參數(shù)后，得到太陽翼電池片的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)星大天線對太陽翼遮擋分析方法，其特征是:在所述的步驟(2)中，提取太陽翼電池片的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)星大天線對太陽翼遮擋分析方法，其特征是:在所述的步驟(3)中的插值方法為簡單的插值方法，所述的簡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)，連接這三個中點(diǎn)，將原三角形分割為四個三角形，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)星大天線對太陽翼遮擋分析方法，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)以一個相對太陽翼法向矢量和太陽光入射方向的夾角和太陽翼相對衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動角進(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)星大天線對太陽翼遮擋分析方法，其特征是:在所述的步驟(5)中，Solar_STL_Final中某一個太陽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)星大天線對太陽翼遮擋分析方法，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)星大天線對太陽翼遮擋分析方法，其特征是:在所述的步驟(6)中，根據(jù)步驟(5)得到的兩個STL中的三角形互相遮擋情況，計算遮擋面積，并生成遮擋圖；步驟(5)中， 所有太陽翼電池片三角形網(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)星大天線對太陽翼遮擋分析方法，屬于衛(wèi)星設(shè)計技術(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太陽翼遮擋分析的方法，包括(1)將待分析對象的三維模型轉(zhuǎn)化為STL數(shù)據(jù)文件；(2)提取太陽翼電池片STL數(shù)據(jù)中有效的三角形網(wǎng)格；(3)對太陽翼電池片三角形網(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)遮擋情況計算遮擋面積，并生成分析圖。本發(fā)明的方法可得到任意時刻大天線對太陽翼的遮擋情況，便于供配電設(shè)計師直觀的分析，簡化了計算過程，便于工程實(shí)施。
文檔編號G06F17/50GK103150414SQ20121019271
公開日2013年6月12日 申請日期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, 劉麗坤, 韓慶虎, 梁新剛 申請人:中國空間技術(shù)研究院