CN104615841B - 考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法 - Google Patents
考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104615841B CN104615841B CN201510098334.1A CN201510098334A CN104615841B CN 104615841 B CN104615841 B CN 104615841B CN 201510098334 A CN201510098334 A CN 201510098334A CN 104615841 B CN104615841 B CN 104615841B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mrow
- solar energy
- spacecraft
- energy sailboard
- mtd
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法，属于计算机仿真模拟技术领域。本发明解决了现有的卫星轨道、大型机构所产生的遮挡情况的分析任务复杂，导致发电效率预估不准确的问题。技术要点为：搭建实现环境；航天器三维虚拟建模；航天器本体、太阳能帆板、天线的实时显示；通过阴影遮挡算法计算遮挡矩阵；基于着色语言的太阳能帆板阴影可视化渲染；多视角交互式三维漫游；太阳能帆板功率及温度曲线的实时显示。本发明实现针对卫星轨道、大型机构所产生的遮挡情况的分析任务，并根据遮挡分析结果计算太阳电池阵发电功率，合理设计太阳电池数量。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能帆板功率计算及三维动态仿真方法，尤其涉及一种航天器太阳帆板的遮挡情况分析及显示、发电效率预估、帆板温度预估的三维动态仿真方法，属于计算机仿真模拟技术领域。
背景技术
三维计算机仿真的应用涉及游戏、产品展示、虚拟制造及装配、航空航天模拟等各个方面，仿真可视化已经成为科研人员开发仿真***、开展仿真实验的重要辅助手段。
太阳电池阵是众多航天器的能源提供者。太阳电池阵被完全或部分遮挡后，其输出功率将受到极大地影响。所以在航天器设计时，太阳电池阵应尽量避开遮挡多发区域，并对产生遮挡情况时进行发电效率预估，合理设计太阳电池数量。同时对太阳帆板的遮挡情况进行分析，还可以预估出太阳帆板的温度，并进行热分析。
由于现代卫星任务多样性，所携带的机构越来越多，会造成各种机构之间的互相遮挡，会产生遮挡效应，使卫星轨道、大型机构所产生的遮挡情况的分析任务复杂，所以对太阳能帆板的发电效率产生很大影响，导致发电效率预估不准确。
发明内容
本发明的目的是提出一种考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法，以解决针对现有的卫星轨道、大型机构所产生的遮挡情况的分析任务复杂，导致发电效率预估不准确的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
本发明所述的考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法，是按照以下步骤实现的：
步骤一、搭建实现环境：采用Qt搭建人机交互接口界面；
步骤二、航天器三维虚拟建模：根据航天器实际尺寸，利用3DS MAX建立航天器本体、太阳能帆板及遮挡机构的三维模型，并根据地球光晕渲染原理，大气云层渲染原理，太阳眩光原理建立地、月、日和太空空间场景；
步骤三、航天器本体、太阳能帆板、天线的实时显示：通过导入轨道参数及位姿数据，动态仿真航天器的运动；
步骤四、通过阴影遮挡算法计算遮挡矩阵：将太阳能帆板划分网格，设定遮挡机构和遮挡系数，通过阴影遮挡算法，得到遮挡机构对太阳能帆板的遮挡矩阵，用于模拟太阳能帆板受遮挡的真实情况；
步骤五、基于着色语言的太阳能帆板阴影可视化渲染；
步骤六、多视角交互式三维漫游；
步骤七、太阳能帆板功率及温度曲线的实时显示。
本发明的有益效果是：
1、本发明实现了大型机构所产生的遮挡情况的任务分析，为发电效率预估不准确的问题提出了解决方法，简化了地面人员的操作，降低了实物风险及研制成本。
2、本发明设计了航天器太阳能帆板阴影遮挡仿真方法，对太阳能帆板阴影进行实时计算仿真，并完成对太阳能帆板阴影的渲染及显示。
3、本发明设计了航天器太阳能帆板发电功率和帆板温度预估算法，实现了航天器太阳能帆板功率及温度实时仿真计算与显示，进而合理设计太阳能电池数量，从而实现最合理的供电效率。
4、本发明以航天器太阳能电池阵建模技术、可视化技术、虚拟现实技术和数值模拟技术等为核心，以Qt和OSG三维渲染引擎为实现工具，完成航天器太阳能电池阵阴影遮挡及发电效率计算的交互式虚拟仿真，具有真实感强、交互性好、实用性强等优点。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为具体实施方式四中遮挡矩阵计算流程图。
具体实施方式
结合附图进一步详细说明本发明的具体实施方式。
具体实施方式一：下面结合图1，图2说明本实施方式，本实施方式所述的考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法，包括以下步骤：
步骤一、搭建实现环境：采用Qt搭建人机交互接口界面；
Qt和OSG的实现都是基于C++，结合Qt和OSG三维渲染引擎共同搭建实现环境。C++用于基础语言实现和遮挡算法计算，Qt用于构建***平台和相关界面，充分利用Qt开源的特点，采用其丰富的API类和独特安全的signals/slots技术等设计了人性化的人机交互接口界面，使界面美观简洁、操作简单易懂；OSG虚拟现实技术用于实现航天器太阳翼阴影及功率三维动态全过程仿真，相比于传统的二维仿真技术，OSG虚拟现实技术使仿真结果更加直观化、现场化，具有良好的可视化和交互性。
利用OSG三维渲染引擎来实现航天器太阳能帆板实时阴影遮挡的三维虚拟仿真，具体如下：
步骤二、航天器三维虚拟建模：根据航天器实际尺寸，利用3DS MAX建立航天器本体、太阳能帆板及遮挡机构的三维模型，并根据地球光晕渲染原理，大气云层渲染原理，太阳眩光原理建立地、月、日和太空空间场景；
步骤三、航天器本体、太阳能帆板、天线的实时显示：通过导入轨道参数及位姿数据，动态仿真航天器的运动，实现航天器本体、太阳能帆板及天线的动态变化；
步骤四、通过阴影遮挡算法计算遮挡矩阵：将太阳能帆板划分网格，设定遮挡机构和遮挡系数，通过阴影遮挡算法，得到遮挡机构对太阳能帆板的遮挡矩阵，用于模拟太阳能帆板受遮挡的真实情况；
步骤五、基于着色语言的太阳能帆板阴影可视化渲染：实时完成对太阳能帆板阴影的渲染及显示，能够直观的对太阳能帆板阴影的变化状态进行显示，并以不同的颜色表示太阳能帆板的温度变化；
步骤六、多视角交互式三维漫游：相机临境视场可视化，通过太阳能帆板上三处相机，实现不同视角的显示，模拟真实的观察效果；
步骤七、太阳能帆板功率及温度曲线的实时显示。状态数据及曲线显示通过遮挡矩阵及温度功率公式计算而来，直观的显示太阳能帆板功率及温度等工程值及二维曲线信息。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二所述的航天器三维虚拟建模的具体过程为：
三维虚拟场景模拟是对航天器本体、太阳能帆板、遮挡机构、地球、太空进行三维模拟，通过三维模型可以非常清晰地看出航天器本体、太阳能帆板和遮挡机构的真实模样，并对模型中的各个零件进行干涉检查，看是否装配成功。
所述的三维虚拟建模包括模型建模与场景建模，其中模型建模的具体方法如下：
步骤二一、根据航天器本体、太阳能帆板和遮挡机构的实际尺寸，利用3DS MAX重建出相应的虚拟三维对象实体；
步骤二二、利用3D MAX对天线和太阳能帆板转动处添加DOF(自由度)节点，以便在仿真中调用，使用OSG函数查找节点名称并调用，实现关节运动；
步骤二三、运用材质贴图对步骤二一所述的虚拟三维对象实体进行处理；
步骤二四、绘制航天器模型：采用分舱段绘制，统一装配的方式，并且使用LOD(多细节层次)技术，用多组由简到繁的绘制方案来实现同一个模型的渲染，并通过OSG设置由远及近时的LOD切换动作，达到减轻***负担和保证渲染质量的多重目的。
步骤二五、利用osgExp将虚拟三维对象实体导出为FLT格式，最后利用osgConv命令将FLT转换为IVE格式；
所有模型都以IVE文件的形式存储。
所构造的三维虚拟模型与真实结构相比，需要经过必要的简化。这主要是因为，如果要完全重构与实际的机构、结构可比拟的虚拟模型，其几何数据将十分庞大，这将增加计算机在可视化过程中模型数据处理量，因为大量的几何数据在仿真过程中没有相对运动，因此在构造虚拟模型时，凡是不可见的零、部件均被去除。经过这样处理后，3D模型的几何节点数据量大大减小，有利于3D模型动态显示处理。
场景包括三维地球场景、太空场景，根据地球光晕渲染原理，大气云层渲染原理，太阳眩光原理进行场景建模；
三维地球是一个复杂的***，仿真难度较大。地球场景仿***要基于开源地球仿真方案osgEarth进行二次开发，可实现的功能有地球光晕及其大气云层、太阳及其眩光、地月日运行状态显示等效果。
地球光晕渲染原理：在存在大气分子的情况下计算大气层光谱，而后计算地球光谱和地球背影处的光谱，最后计算光学厚度，最终完成地球光晕的渲染。
大气云层渲染原理：依据大气散射，构建出大气层的散射纹理，然后在构建出的纹理的基础上计算渲染大气层的散射模型。
太阳眩光原理：当逆向观察太阳时，太阳光将出现眩光，而为了真实直观的显示眩光，可以通过计算视场位置及投向太阳的视角方向，当视线在阈值范围内时，则渲染眩光；而实现在阈值范围外时，则不渲染。其中眩光为若干圆环及圆球的透明体，能够较为真实的反应逆光时的太阳光特点，且由于透明渲染，不会对其他场景造成较大影响。
地月日运行状态应采用真实的轨道建立三者的位置关系，使本方法更真实。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤三所述的航天器本体、太阳能帆板、天线的实时显示如下：
在VC++工作线程里的帧循环中对航天器轨道参数、太阳能帆板和天线转动的参数进行更新，利用这些数据通过OSG线程对航天器运动、遮挡机构和太阳能帆板的转动进行实时驱动，所述的实时驱动方法如下：在仿真的每一帧中，通过OSG线程更新一次航天器运动参数值，利用这些值通过OSG回调函数对航天器位置进行设置，以此来实现实时显示；
所述航天器轨道参数包括：椭圆轨道的长半径α、偏心率e、航天器轨道倾角β、航天器升交点赤经Ω、航天器近升角距∞、航天器在参考时刻t0时的平均近点角M0，航天器通过近地点的时刻tp，通过上述参数即可得出任意瞬间航天器的位置。
具体实施方式四：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤四所述的通过阴影遮挡算法计算遮挡矩阵的具体过程如下：
步骤四一、利用航天器的轨道参数计算投影矩阵，以便用于计算阴影遮挡；
基于光线投影原理，计算投影矩阵，具体如下：
太阳光看作平行光入射，太阳光方向矢量是在地心坐标系下表示的，而航天器的太阳能帆板与各个遮挡机构是在航天器本体坐标系下描述的，所以根据航天器的轨道参数将太阳光方向矢量转到航天器本体坐标系中。
对于空间点向某一平面进行投影时，假设太阳能帆板平面所在平面方程为Ax+By+Cz+D＝0，太阳光方向矢量为S(m,n,p)，任意顶点坐标为P(x,y,z,1)，投影后的坐标为P′(x′,y′,z′)，设投影矩阵为M使得MP＝P′，则有
其中：
步骤四二、通过阴影遮挡算法计算遮挡矩阵，具体过程如下：
步骤四二一、太阳能帆板网格划分如下：
将太阳能帆板划分为L*K的分阵，每个分阵划分为3*3个小方格，每个分阵中用一个3*3的遮挡矩阵进行表示，当其中的某个小方格处于遮挡时，该处设置为1，当无遮挡时设置为0，当该小方格受到不同遮挡机构重复遮挡时，其值不累加还为1；
步骤四二二、遮挡机构与遮挡系数设定如下：
分析铰接头、杆与线网这三种遮挡机构对太阳能帆板所产生的遮挡效果，并将遮挡系数设为0和1，0代表无遮挡，1代表全遮挡，不考虑半透射情况，对这三种遮挡机构进行建模，并对每个机构进行三角网格划分，提取每个三角网格的顶点以及法线，只有提取了顶点信息，才能知道帆板尺寸，才能自动划分；
铰接头遮挡建模：取其中心点落入的小方格为全遮挡，该方格处标记为1，其余投影方格为无遮挡，标记为0；
杆遮挡建模：计算杆的投影长度，若落入小方格的杆的长度大于小方格的边长L，则视为全遮挡，标记为1，否则视为无遮挡，标记为0；
线网遮挡建模：将天线整体等效为圆柱体，投影到太阳能帆板小方格上的区域均视为全遮挡，标记为1；
步骤四二三、阴影遮挡算法如下：
铰接头遮挡矩阵的计算：首先提取铰接头的中心点在航天器本体坐标系(基于航天器本体中心点建立的坐标系)中的坐标，然后根据投影矩阵进行投影，得到铰接头在太阳能帆板上的投影位置，并将该点所处的小方格遮挡状况设置为1，这样得到了铰接头在太阳能帆板上的遮挡矩阵；
杆遮挡矩阵的计算：提取杆的两个端点，并通过投影矩阵进行投影，利用太阳能帆板平面上的两个投影点得到直线方程，通过所划分的网格对直线方程进行分割，得到每个小方格内的投影长度，当投影长度大于L时，该小方格设置为1，这样得到了杆所产生的遮挡矩阵；
线网遮挡矩阵的计算：将线网遮挡机构等效为圆柱体，利用圆柱体的解析方程，通过投影矩阵进行投影，得到圆柱体在投影面上的投影边缘，由于圆柱体是连续的实体模型，所以在投影边缘包围内的区域都处于遮挡状态，这样设边缘所在小方格以及边缘所包括的围内的小方格值为1，最终得到了线网所产生的遮挡矩阵；
对三个遮挡矩阵进行逻辑或运算，得到三个遮挡机构共同对太阳能帆板所产生的遮挡矩阵。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤五所述的基于着色语言的太阳能帆板阴影可视化渲染的具体过程如下：
着色语言(GLSL)能够对图形处理管线的大多数重要阶段实施完全的控制，实现突出的图形渲染效果。采用GLSL着色语言，根据太阳能帆板划分的L*K的分阵，按照遮挡矩阵和温度预估进行颜色渲染；
所述的温度预估公式如下：
根据能量平衡定律：
其中，ε和ε′分别为太阳能帆板阳面和阴面的发射率，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，∑Qi为太阳能帆板吸收的热量，Q为太阳能帆板吸收的热量，i为分阵的编号；
所述颜色渲染具体过程为：
根据预估的温度进行温度显示：太阳能帆板初始颜色为浅红色，温度越高，颜色赋值越深；
根据遮挡矩阵进行遮挡显示：对遮挡矩阵中0对应的分阵，保持原先的颜色，对遮挡矩阵中1对应的分阵赋值成黑色。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤六所述的多视角交互式三维漫游具体如下：
显示航天器空间的三维全景图和局部图，并根据视点要求实时驱动虚拟场景动态变化，实现在其中的漫游，是本发明的又一实施重点。
通过安装于航天器上的全局相机及安装于天线上的局部相机实现三维漫游，其中，全局相机的位置及视角根据安装初始值确定，局部相机的位置及视角随着天线的动作而实时变化，相机的焦距及视场根据相机本身的光学参数进行设置调整；
所述三维漫游的具体实现过程如下：
通过相机节点的矩阵变化实现视点的变换，视点变换矩阵用于将世界坐标系下的物体变换到相机坐标系中，变换公式为：
Vvcs＝Vwcs·Mview
其中，Vvcs为相机坐标系，Vwcs为世界坐标系，Mview为视点变换矩阵。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤七所述的太阳能帆板功率及温度曲线的实时显示具体过程如下：
太阳能帆板发电功率计算：利用每个分阵的遮挡矩阵得到分阵i中实际输出电流为:
式中，Is为分阵遮挡情况下的实际输出电流，I为无遮挡情况下分阵的实际输出电流，Ni为第i个分阵的遮挡矩阵为1的个数；
则遮挡状况下太阳能电池的瞬时功率为
其中V为母线电压，一般为定值。通过式(2)得到遮挡情况下太阳能电池的瞬时发电功率；
考虑卫星每圈日照时间T1，逆变器的转换效率、电池充电过程中的损耗，损耗因数为σ，则太阳能电池阵发电容量：
其中，Ts为采样时间，j为采样时间的次数；
设卫星电气设备的额定功率为P0，卫星绕地球运行一圈时间为T2，则所需提供电池阵发电容量为H0＝Po·T2，所以要保证卫星电气设备正常运行，需满足H≥H0，
由上述计算可知，当H≥H0时，太阳能电池阵所发电量能够支持卫星电气设备的正常运行，否则对太阳能电池阵重新设计；
使用Teechart画图控件选择需要显示的参数，再根据时间步长的变化，绘制太阳能电池板的发电功率及温度随时间变化的曲线图。
可以直观的显示太阳能帆板的发电效率和温度变化。可为太阳能帆板输出功率设计提供依据，同时也为太阳能帆板数量及天线和帆板的布局提供参考。
Claims (7)
1.考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
步骤一、搭建实现环境：采用Qt搭建人机交互接口界面；
步骤二、航天器三维虚拟建模：根据航天器实际尺寸，利用3DS MAX建立航天器本体、太阳能帆板及遮挡机构的三维模型，并根据地球光晕渲染原理，大气云层渲染原理，太阳眩光原理建立地、月、日和太空空间场景；
步骤三、航天器本体、太阳能帆板、天线的实时显示：通过导入轨道参数及位姿数据，动态仿真航天器的运动；
步骤四、通过阴影遮挡算法计算遮挡矩阵：将太阳能帆板划分网格，设定遮挡机构和遮挡系数，通过阴影遮挡算法，得到遮挡机构对太阳能帆板的遮挡矩阵，用于模拟太阳能帆板受遮挡的真实情况；
步骤五、基于着色语言的太阳能帆板阴影可视化渲染；
步骤六、多视角交互式三维漫游；
步骤七、太阳能帆板功率及温度曲线的实时显示。
2.根据权利要求1所述的考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法，其特征在于步骤二所述的航天器三维虚拟建模的具体过程为：
所述的三维虚拟建模包括模型建模与场景建模，其中模型建模的具体方法如下：
步骤二一、根据航天器本体、太阳能帆板和遮挡机构的实际尺寸，利用3DS MAX重建出相应的虚拟三维对象实体；
步骤二二、利用3D MAX对天线和太阳能帆板转动处添加DOF节点，使用OSG函数查找节点名称并调用，实现关节运动；
步骤二三、运用材质贴图对步骤二一所述的虚拟三维对象实体进行处理；
步骤二四、绘制航天器模型：采用分舱段绘制，统一装配的方式，并且使用LOD技术，用多组由简到繁的绘制方案来实现同一个模型的渲染，并通过OSG设置由远及近时的LOD切换动作；
步骤二五、利用osgExp将虚拟三维对象实体导出为FLT格式，最后利用osgConv命令将FLT转换为IVE格式；
场景包括三维地球场景、太空场景，根据地球光晕渲染原理，大气云层渲染原理，太阳眩光原理进行场景建模。
3.根据权利要求2所述的考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法，其特征在于步骤三所述的航天器本体、太阳能帆板、天线的实时显示如下：
在工作线程里的帧循环中对航天器轨道参数、太阳能帆板和天线转动的参数进行更新，利用这些数据通过OSG线程对航天器运动、遮挡机构和太阳能帆板的转动进行实时驱动，所述的实时驱动方法如下：在仿真的每一帧中，通过OSG线程更新一次航天器运动参数值，利用这些值通过OSG回调函数对航天器位置进行设置，以此来实现实时显示；
所述航天器轨道参数包括：椭圆轨道的长半径α、偏心率e、航天器轨道倾角β、航天器升交点赤经Ω、航天器近升角距∞、航天器在参考时刻t0时的平均近点角M0，航天器通过近地点的时刻tp，通过上述参数即可得出任意瞬间航天器的位置。
4.根据权利要求3所述的考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法，其特征在于步骤四所述的通过阴影遮挡算法计算遮挡矩阵的具体过程如下：
步骤四一、利用航天器的轨道参数计算投影矩阵；
基于光线投影原理，计算投影矩阵，具体如下：
对于空间点向某一平面进行投影时，假设太阳能帆板平面所在平面方程为Ax+By+Cz+D＝0，太阳光方向矢量为S(m,n,p)，任意顶点坐标为P(x,y,z,1)，投影后的坐标为P′(x′,y′,z′)，设投影矩阵为M使得MP＝P′，则有
<mrow>
<mi>M</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mi>N</mi>
<mrow>
<mi>A</mi>
<mi>m</mi>
<mo>+</mo>
<mi>B</mi>
<mi>n</mi>
<mo>+</mo>
<mi>C</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中：
<mrow>
<mi>N</mi>
<mo>=</mo>
<mfenced open = "[" close = "]">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>B</mi>
<mi>n</mi>
<mo>+</mo>
<mi>C</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>B</mi>
<mi>m</mi>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>C</mi>
<mi>m</mi>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>D</mi>
<mi>m</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>A</mi>
<mi>n</mi>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mi>A</mi>
<mi>m</mi>
<mo>+</mo>
<mi>C</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>C</mi>
<mi>n</mi>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>D</mi>
<mi>n</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>A</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>B</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mi>A</mi>
<mi>m</mi>
<mo>+</mo>
<mi>B</mi>
<mi>n</mi>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>D</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mn>0</mn>
</mtd>
<mtd>
<mn>0</mn>
</mtd>
<mtd>
<mn>0</mn>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mi>A</mi>
<mi>m</mi>
<mo>+</mo>
<mi>B</mi>
<mi>n</mi>
<mo>+</mo>
<mi>C</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
步骤四二、通过阴影遮挡算法计算遮挡矩阵，具体过程如下：
步骤四二一、太阳能帆板网格划分如下：
将太阳能帆板划分为L*K的分阵，每个分阵划分为3*3个小方格，每个分阵中用一个3*3的遮挡矩阵进行表示，当其中的某个小方格处于遮挡时，该被遮挡小方格处设置为1，当无遮挡时设置为0，当该小方格受到不同遮挡机构重复遮挡时，其值不累加还为1；
步骤四二二、遮挡机构与遮挡系数设定如下：
将遮挡系数设为0和1，0代表无遮挡，1代表全遮挡，不考虑半透射情况，对这三种遮挡机构进行建模，并对每个机构进行三角网格划分，提取每个三角网格的顶点以及法线；
铰接头遮挡建模：取其中心点落入的小方格为全遮挡，该全遮挡方格处标记为1，其余投影方格为无遮挡，标记为0；
杆遮挡建模：计算杆的投影长度，若落入小方格的杆的长度大于小方格的边长L，则视为全遮挡，标记为1，否则视为无遮挡，标记为0；
线网遮挡建模：将天线整体等效为圆柱体，投影到太阳能帆板小方格上的区域均视为全遮挡，标记为1；
步骤四二三、阴影遮挡算法如下：
铰接头遮挡矩阵的计算：首先提取铰接头的中心点在航天器本体坐标系中的坐标，然后根据投影矩阵进行投影，得到铰接头在太阳能帆板上的投影位置，并将该投影位置所处的小方格遮挡状况设置为1，这样得到了铰接头在太阳能帆板上的遮挡矩阵；
杆遮挡矩阵的计算：提取杆的两个端点，并通过投影矩阵进行投影，利用太阳能帆板平面上的两个投影点得到直线方程，通过所划分的网格对直线方程进行分割，得到每个小方格内的投影长度，当投影长度大于L时，该小方格设置为1，这样得到了杆所产生的遮挡矩阵；
线网遮挡矩阵的计算：将线网遮挡机构等效为圆柱体，利用圆柱体的解析方程，通过投影矩阵进行投影，得到圆柱体在投影面上的投影边缘，设边缘所在小方格以及边缘所包括的围内的小方格值为1，最终得到了线网所产生的遮挡矩阵；
对三个遮挡矩阵进行逻辑或运算，得到三个遮挡机构共同对太阳能帆板所产生的遮挡矩阵。
5.根据权利要求4所述的考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法，其特征在于步骤五所述的基于着色语言的太阳能帆板阴影可视化渲染的具体过程如下：
采用GLSL着色语言，根据太阳能帆板划分的L*K的分阵，按照遮挡矩阵和温度预估进行颜色渲染；
所述的温度预估公式如下：
根据能量平衡定律：
其中，ε和ε′分别为太阳能帆板阳面和阴面的发射率，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，∑Qi为太阳能帆板吸收的热量，Q为太阳能帆板吸收的热量，i为分阵的编号；
所述颜色渲染具体过程为：
根据预估的温度进行温度显示：太阳能帆板初始颜色为浅红色，温度越高，颜色赋值越深；
根据遮挡矩阵进行遮挡显示：对遮挡矩阵中0对应的分阵，保持原先的颜色，对遮挡矩阵中1对应的分阵赋值成黑色。
6.根据权利要求5所述的考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法，其特征在于步骤六所述的多视角交互式三维漫游具体如下：
通过安装于航天器上的全局相机及安装于天线上的局部相机实现三维漫游，其中，全局相机的位置及视角根据安装初始值确定，局部相机的位置及视角随着天线的动作而实时变化，相机的焦距及视场根据相机本身的光学参数进行设置调整；
所述三维漫游的具体实现过程如下：
通过相机节点的矩阵变化实现视点的变换，视点变换矩阵用于将世界坐标系下的物体变换到相机坐标系中，变换公式为：
Vvcs＝Vwcs·Mview
其中，Vvcs为相机坐标系，Vwcs为世界坐标系，Mview为视点变换矩阵。
7.根据权利要求6所述的考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法，其特征在于步骤七所述的太阳能帆板功率及温度曲线的实时显示具体过程如下：
太阳能帆板发电功率计算：利用每个分阵的遮挡矩阵得到分阵i中实际输出电流为:
<mrow>
<msub>
<mi>I</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mi>I</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>&times;</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>N</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mn>9</mn>
</mfrac>
</mrow>
式中，Is为分阵遮挡情况下的实际输出电流，I为无遮挡情况下分阵的实际输出电流，Ni为第i个分阵的遮挡矩阵为1的个数；
则遮挡状况下太阳能电池的瞬时功率为
<mrow>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>t</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mi>V</mi>
<mo>&times;</mo>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mrow>
<mi>L</mi>
<mo>*</mo>
<mi>K</mi>
</mrow>
</munderover>
<msub>
<mi>I</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中V为母线电压，通过式(2)得到遮挡情况下太阳能电池的瞬时发电功率；
使用Teechart画图控件选择需要显示的参数，再根据时间步长的变化，绘制太阳能电池板的发电功率及温度随时间变化的曲线图。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510098334.1A CN104615841B (zh) | 2015-03-05 | 2015-03-05 | 考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510098334.1A CN104615841B (zh) | 2015-03-05 | 2015-03-05 | 考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104615841A CN104615841A (zh) | 2015-05-13 |
| CN104615841B true CN104615841B (zh) | 2017-08-25 |
Family
ID=53150282
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510098334.1A Active CN104615841B (zh) | 2015-03-05 | 2015-03-05 | 考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104615841B (zh) |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106599329A (zh) * | 2015-10-15 | 2017-04-26 | 上海勘测设计研究院有限公司 | 一种确定光伏电站孤立遮挡物光照影响区域的方法 |
| CN105373009A (zh) * | 2015-11-12 | 2016-03-02 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 一种再生能源***模拟测试与半实物仿真*** |
| CN105954008A (zh) * | 2016-06-07 | 2016-09-21 | 江南工业集团有限公司 | 基于双ccd的实时光纤缠绕缺陷视觉检测装置 |
| CN106407626B (zh) * | 2016-11-22 | 2019-08-30 | 上海卫星工程研究所 | 航天器太阳电池阵本体在轨遮挡的简化分析方法 |
| CN108520150B (zh) * | 2018-04-12 | 2022-03-01 | 哈尔滨工业大学深圳研究生院 | 一种航天器含金属网布的构件的透光性遮挡的计算方法 |
| CN109711082B (zh) * | 2019-01-08 | 2023-08-08 | 上海卫星工程研究所 | 大椭圆冻结轨道卫星光照条件和帆板遮挡联合分析方法 |
| CN110095767B (zh) * | 2019-05-08 | 2022-05-20 | 哈尔滨工业大学 | 一种空间目标成像仿真面元消隐方法 |
| CN111221514B (zh) * | 2020-01-13 | 2023-03-03 | 陕西心像信息科技有限公司 | 基于OsgEarth的三维可视化组件实现方法及*** |
| CN111709088B (zh) * | 2020-06-17 | 2024-07-12 | 中国人民解放军63920部队 | 目标航天器的光压面积的处理方法和装置 |
| CN113642188B (zh) * | 2021-01-08 | 2023-09-15 | 中国科学院微小卫星创新研究院 | 星体对转动太阳帆板遮挡面积的全周期可视化分析方法 |
| CN113401364B (zh) * | 2021-06-07 | 2022-06-14 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于日食效应的空间攻防方法 |
| CN113722832A (zh) * | 2021-09-06 | 2021-11-30 | 广东航宇卫星科技有限公司 | 一种航天器实时渲染建模方法、***及存储介质 |
| CN115793493B (zh) * | 2022-11-09 | 2023-08-18 | 星智航天科技有限公司 | 一种航天器供配电分***在轨飞行仿真测试方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0913623A2 (en) * | 1997-10-31 | 1999-05-06 | TRW Inc. | Large area pulsed solar simulator |
| CN101276378A (zh) * | 2007-03-26 | 2008-10-01 | 中国航天科技集团公司第五研究院第五一○研究所 | 卫星太阳阵表面充电数值模拟预估的方法 |
| CN103448922A (zh) * | 2013-08-08 | 2013-12-18 | 上海卫星工程研究所 | 静止轨道卫星太阳电池阵在轨被遮挡的分析计算方法 |
-
2015
- 2015-03-05 CN CN201510098334.1A patent/CN104615841B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0913623A2 (en) * | 1997-10-31 | 1999-05-06 | TRW Inc. | Large area pulsed solar simulator |
| CN101276378A (zh) * | 2007-03-26 | 2008-10-01 | 中国航天科技集团公司第五研究院第五一○研究所 | 卫星太阳阵表面充电数值模拟预估的方法 |
| CN103448922A (zh) * | 2013-08-08 | 2013-12-18 | 上海卫星工程研究所 | 静止轨道卫星太阳电池阵在轨被遮挡的分析计算方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 一种精确计算航天器本体对太阳电池阵遮挡的方法;李安寿，张东来等;《宇航学报》;20131031;第34卷(第10期);第1403-1409页 * |
| 一种组合体航天器帆板的光照遮挡计算新方法;黄岸毅，宝音，李俊峰;《载人航天》;20130930;第19卷(第5期);第1-5页 * |
| 太阳同步轨道卫星太阳电池阵在轨特性分析;井元良，孙海涛，雷英俊;《航天器工程》;20131031;第22卷(第5期);第61-66页 * |
| 空间结构之间对太阳直接辐射的遮挡算法的研究;上爱红，刘明治;《机械》;20040831;第31卷(第8期);第4-5页 * |
| 组合体太阳帆板遮挡分析及可视化;李文，杨涛等;《计算机仿真》;20130331;第30卷(第3期);第105-108页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104615841A (zh) | 2015-05-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104615841B (zh) | 考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法 | |
| CN102323996B (zh) | 基于三维gis技术的输电线路可视化状态监测*** | |
| CN102915559B (zh) | 一种基于三维点云的实时透明物体gpu并行生成方法 | |
| CN103870665B (zh) | 空间机械臂辅助对接过程三维动态仿真方法 | |
| CN112100720A (zh) | 一种提升风环境的人工智能城市设计形态布局方法 | |
| CN107665269A (zh) | 基于地理信息的快速人群疏散仿真方法和装置 | |
| CN107085629A (zh) | 一种基于视频重建与欧拉模型耦合的流体仿真方法 | |
| CN107480826A (zh) | 基于gis的输电线路覆冰预警三维***的应用 | |
| CN109726433A (zh) | 基于曲面边界条件的三维无粘低速绕流的数值模拟方法 | |
| CN105488844A (zh) | 一种三维场景中海量模型实时阴影的显示方法 | |
| Max et al. | Visualization for climate modeling | |
| Bang et al. | Computer simulation of wind speed, wind pressure and snow accumulation around buildings (SNOW-SIM) | |
| CN114139326A (zh) | 一种基于三维gis的输电线路张力放线仿真模拟*** | |
| CN108492366A (zh) | 无人机自适应多场景合成虚拟视景方法 | |
| Wu et al. | Comparative analyses of current three-dimensional numerical solar wind models | |
| CN106202700A (zh) | 一种光伏发电出力预测的数据分析方法 | |
| CN104036549B (zh) | 一种合轴分枝树木形态结构三维可视化模拟方法 | |
| CN105911614B (zh) | 一种基于数据缓存的日照时数计算方法 | |
| CN112017159A (zh) | 一种遥感场景下的地面目标真实感仿真方法 | |
| Kaftan et al. | Integrating the cellular method for shading design with a thermal simulation | |
| Liu et al. | A novel acceleration approach to shadow calculation based on sunlight channel for urban building energy modeling | |
| CN106126950B (zh) | 一种建筑太阳能评估算法及装置 | |
| Gabriel et al. | Voxel based method for real-time calculation of urban shading studies | |
| Bomfim et al. | Building facade optimization for maximizing the incident solar radiation | |
| Hu et al. | Research on 3D GIS Data Modeling System Based on Computer Big Data Technology |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |