本發(fā)明涉及一種基于STL網(wǎng)格化模型的敏感器視場(chǎng)遮擋區(qū)域確定方法，屬于衛(wèi)星設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

太陽(yáng)敏感器是衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要測(cè)量部件，也是最早用于衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的光學(xué)姿態(tài)敏感器。太陽(yáng)敏感器是通過(guò)敏感太陽(yáng)光而獲得衛(wèi)星姿態(tài)信息的儀器，因此，它對(duì)視場(chǎng)范圍有較高的要求。由于平臺(tái)布局的需要，其它部件可能會(huì)對(duì)太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)造成一定程度的遮擋，影響太陽(yáng)敏感器的工作性能，進(jìn)而影響衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的正常工作。

為了滿(mǎn)足太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)的相關(guān)要求，保障衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的準(zhǔn)確與可靠，確保衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的正常工作，有必要研究遮擋部件對(duì)太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)的遮擋。

以往的太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)所受遮擋的分析方法，主要以幾何作圖的形式進(jìn)行定性分析。這種方法主要有以下不足：

(1)只能利用幾何分析方法，在三維軟件中通過(guò)作圖得出太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)不受遮擋的最大角度；

(2)無(wú)法定量給出太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)各象限受遮擋的情況；

(3)由于只是采用人工作圖，無(wú)法定量給出太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)所受遮擋的具體面積及遮擋率；

(4)不能直觀的給出太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)所受遮擋的詳細(xì)分布范圍；

(5)有些遮擋部件，例如天線可能還會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)或展開(kāi)，若考慮各種狀態(tài)下的遮擋情況，還需人工調(diào)整三維模型，對(duì)各種狀態(tài)下的遮擋情況分別作圖分析，工作量較大，效率不高；

(6)對(duì)于具有簡(jiǎn)單幾何外形的部件，以往方法尚能進(jìn)行遮擋分析，如若涉及復(fù)雜幾何外形部件的遮擋問(wèn)題，則很難開(kāi)展太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)遮擋分析。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于STL網(wǎng)格化模型的敏感器視場(chǎng)遮擋區(qū)域確定方法，可以定量給出太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)各象限受遮擋的情況，定量給出太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)所受遮擋的具體面積及遮擋率，給出視場(chǎng)所受遮擋的詳細(xì)分布范圍，旨在減少工作量，提高計(jì)算效率，便于工程設(shè)計(jì)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于STL網(wǎng)格化模型的敏感器視場(chǎng)遮擋區(qū)域確定方法，步驟如下：

1)將有可能遮擋敏感器視場(chǎng)的部件，即遮擋部件的三維模型轉(zhuǎn)化為STL網(wǎng)格化模型文件；

2)提取遮擋部件的STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)

提取步驟1)得到的遮擋部件的STL網(wǎng)格化模型文件中三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)的位置信息，將頂點(diǎn)i的位置信息以直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)形式存為(x_i,y_i,z_i)，其中i為1～n，n為所有頂點(diǎn)的總數(shù)；

3)將遮擋部件的STL網(wǎng)格化坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)換成平面夾角數(shù)據(jù)

將步驟2)得到的所有的遮擋部件的三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)i的坐標(biāo)(x_i,y_i,z_i)利用公式

${\mathrm{\α}}_i=\arctan \left(\frac{(y_i-y_0)}{\sqrt{{(x_i-x_0)}^2+{(z_i-z_0)}^2}}\right),{\mathrm{\β}}_i=\arctan (\frac{(z_i-z_0)}{\sqrt{(x_i-x_0)}}$

轉(zhuǎn)換成遮擋部件的三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)i與敏感器中心點(diǎn)O的連線與xz平面的夾角α_i和遮擋部件的三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)i與敏感器中心點(diǎn)O的連線在xz平面的投影線段與x軸的夾角β_i，將所有頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的夾角以平面坐標(biāo)的形式存為(α_i，β_i)，得到遮擋部件的平面夾角數(shù)據(jù)；所述的(x₀,y₀,z₀)為敏感器中心點(diǎn)坐標(biāo)；

4)將敏感器視場(chǎng)范圍轉(zhuǎn)化為平面夾角數(shù)據(jù)

將有效視場(chǎng)為±60°×±60°的太陽(yáng)敏感器有效視場(chǎng)的邊界面轉(zhuǎn)化成平面夾角數(shù)據(jù)；作垂直于太陽(yáng)敏感器基準(zhǔn)法線的平面P，并且該平面距離太陽(yáng)敏感器1個(gè)單位長(zhǎng)度；太陽(yáng)敏感器有效視場(chǎng)的邊界面與平面P的四條交線圍成一個(gè)平面矩形，該矩形的四個(gè)頂點(diǎn)為D₁、D₂、D₃和D₄，四條邊線記為D₁D₂、D₂D₃、D₃D₄和D₄D₁；則D₁、D₂、D₃和D₄的坐標(biāo)分別為和根據(jù)幾何關(guān)系，得到：D₁D₂直線轉(zhuǎn)化為平面夾角坐標(biāo)D₂D₃直線轉(zhuǎn)化為平面夾角坐標(biāo)D₃D₄直線轉(zhuǎn)化為平面夾角坐標(biāo)D₄D₁直線轉(zhuǎn)化為平面夾角坐標(biāo)

5)將遮擋部件的平面夾角數(shù)據(jù)與敏感器視場(chǎng)范圍的平面夾角數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷敏感器視場(chǎng)被部件遮擋的情況

首先對(duì)步驟3)得到的遮擋部件的平面夾角數(shù)據(jù)(α_i，β_i)進(jìn)行判斷，將滿(mǎn)足β_i∈(-60°,60°)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)留下，記為(α_i′，β_i′)；其次，將留下的坐標(biāo)數(shù)據(jù)(α_i′，β_i′)再次進(jìn)行判斷，將滿(mǎn)足的坐標(biāo)數(shù)據(jù)留下，記為(α_i″，β_i″)；此坐標(biāo)數(shù)據(jù)(α_i″，β_i″)即為遮擋部件對(duì)敏感器視場(chǎng)產(chǎn)生遮擋的三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)的坐標(biāo)；將坐標(biāo)數(shù)據(jù)(α_i″，β_i″)的個(gè)數(shù)記為m；將遮擋敏感器視場(chǎng)第一象限，即滿(mǎn)足α_i″>0，β_i″>0的坐標(biāo)個(gè)數(shù)記為m₁，計(jì)算出第一象限遮擋坐標(biāo)數(shù)占總數(shù)的比率k₁＝m₁/m；將遮擋敏感器視場(chǎng)第二象限，即滿(mǎn)足α_i″>0，β_i″<0的坐標(biāo)個(gè)數(shù)記為m₂，則可以計(jì)算出第二象限遮擋坐標(biāo)數(shù)占總數(shù)的比率k₂＝m₂/m；將遮擋敏感器視場(chǎng)第三象限，即滿(mǎn)足α_i″<0，β_i″<0的坐標(biāo)個(gè)數(shù)記為m₃，則可以計(jì)算出第三象限遮擋坐標(biāo)數(shù)占總數(shù)的比率k₃＝m₃/m；將遮擋敏感器視場(chǎng)第四象限，即滿(mǎn)足α_i″<0，β_i″>0的坐標(biāo)個(gè)數(shù)記為m₄，則可以計(jì)算出第四象限遮擋坐標(biāo)數(shù)占總數(shù)的比率k₄＝m₄/m；

對(duì)比計(jì)算得到的各個(gè)象限遮擋坐標(biāo)數(shù)占總數(shù)的比率，找出最大比率所對(duì)應(yīng)的象限，則該象限受遮擋最為嚴(yán)重，并將該比率記為k_max；判斷k_max是否小于太陽(yáng)敏感器的設(shè)計(jì)要求值，若小于，則進(jìn)行步驟6)；若不小于，則調(diào)整遮擋部件和太陽(yáng)敏感器的相互位置關(guān)系，再次按步驟1)～步驟5)進(jìn)行遮擋分析，直至滿(mǎn)足太陽(yáng)敏感器的設(shè)計(jì)要求值；

6)繪制太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)遮擋圖并計(jì)算遮擋面積與遮擋率

將步驟4)得到的敏感器視場(chǎng)平面夾角坐標(biāo)繪制于平面坐標(biāo)系，并將其所圍成的面積記為S_{視場(chǎng)}，將步驟5)得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)(α_i″，β_i″)也繪制于同一平面坐標(biāo)系內(nèi)，并將其所圍成的面積記為S_遮擋，記遮擋率K＝S_遮擋/S_{視場(chǎng)}；由此得到太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)遮擋圖。

步驟1)的具體方法為：以衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，將遮擋部件的三維模型轉(zhuǎn)化為STL網(wǎng)格化模型文件，STL網(wǎng)格化模型文件將三維模型表面離散化成三角形網(wǎng)格的形式，包含每個(gè)三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)的位置信息；所述衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于衛(wèi)星質(zhì)心，x軸正方向指向衛(wèi)星東板，y軸正方向指向衛(wèi)星南板，z軸正方向根據(jù)右手法則確定。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：將本發(fā)明提出的分析方法用于太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)遮擋分析，可以定量給出太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)各象限受遮擋的情況，解決定量計(jì)算太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)所受遮擋的具體面積及遮擋率，給出視場(chǎng)所受遮擋的詳細(xì)分布范圍，克服為分析各種狀態(tài)下的遮擋情況而導(dǎo)致的工作量大的問(wèn)題，提高了計(jì)算效率，同時(shí)為各部件布局優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。優(yōu)化各部件與太陽(yáng)敏感器的相互位置關(guān)系，減少不必要的結(jié)構(gòu)重量，減輕衛(wèi)星發(fā)射重量，降低發(fā)射成本。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所涉及方法的流程圖。

圖2為太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)示意圖。

圖3為遮擋部件對(duì)太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)遮擋圖。

具體實(shí)施方式

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：

(1)將有可能遮擋敏感器視場(chǎng)的部件(以下簡(jiǎn)稱(chēng)遮擋部件)的三維模型轉(zhuǎn)化為STL網(wǎng)格化模型文件；

以衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系(該坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于衛(wèi)星質(zhì)心，x軸正方向指向衛(wèi)星東板，y軸正方向指向衛(wèi)星南板，z軸正方向根據(jù)右手法則確定)為基準(zhǔn)，將遮擋部件的三維模型轉(zhuǎn)化為STL網(wǎng)格化模型文件，STL網(wǎng)格化模型文件將三維模型表面離散化成三角形網(wǎng)格的形式，包含每個(gè)三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)的位置信息；

(2)提取遮擋部件的STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)；

提取步驟1)得到的遮擋部件的STL網(wǎng)格化模型文件中三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)的位置信息，例如，將頂點(diǎn)1的位置信息以直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)形式存為(x₁，y₁，z₁)，頂點(diǎn)2的位置信息以直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)形式存為(x₂，y₂，z₂)，以此類(lèi)推，頂點(diǎn)i的位置信息以直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)形式存為(x_i，y_i，z_i)，其中i為1～n，n為所有頂點(diǎn)的總數(shù)。將所有頂點(diǎn)的位置信息保存為有效的坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件；

(3)將遮擋部件的STL網(wǎng)格化坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)換成平面夾角數(shù)據(jù)；

將步驟2)得到的所有的遮擋部件的三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)i的坐標(biāo)(x_i，y_i，z_i)利用公式

${\mathrm{\&alpha;}}_i=\arctan \left(\frac{(y_i-y_0)}{\sqrt{{(x_i-x_0)}^2+{(z_i-z_0)}^2}}\right),{\mathrm{\&beta;}}_i=\arctan (\frac{(z_i-z_0)}{\sqrt{(x_i-x_0)}}$

轉(zhuǎn)換成倆夾角α_i，β_i(如圖2所示：(x₀,y₀,z₀)為敏感器中心點(diǎn)O的坐標(biāo)，(x_i,y_i,z_i)為三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)i的坐標(biāo)；頂點(diǎn)i在xz平面的投影為i’,坐標(biāo)為(x_i,0,z_i)；將光線Oi與xz平面的夾角定義為α_i；光線Oi在xz平面的投影Oi’與x軸的夾角定義為β_i)，將所有頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的夾角以平面坐標(biāo)的形式存為(α_i，β_i)，得到遮擋部件的平面夾角數(shù)據(jù)。其中i為1～n，n為所有頂點(diǎn)的總數(shù)。

(4)將敏感器視場(chǎng)范圍轉(zhuǎn)化為平面夾角數(shù)據(jù)；

以有效視場(chǎng)為±60°×±60°的太陽(yáng)敏感器為例，將其有效視場(chǎng)的邊界面轉(zhuǎn)化成平面夾角數(shù)據(jù)。由于太陽(yáng)敏感器的視場(chǎng)向無(wú)窮遠(yuǎn)處延伸，但其有效視場(chǎng)邊界面與太陽(yáng)敏感器的基準(zhǔn)法線的角度是固定值，因此可以作垂直于太陽(yáng)敏感器基準(zhǔn)法線的平面P，并且該平面距離太陽(yáng)敏感器1個(gè)單位長(zhǎng)度。太陽(yáng)敏感器有效視場(chǎng)的邊界面與平面P的四條交線圍成一個(gè)平面矩形，該矩形的四個(gè)頂點(diǎn)為D₁、D₂、D₃和D₄，四條邊線記為D₁D₂、D₂D₃、D₃D₄和D₄D₁；可以得到D₁、D₂、D₃和D₄的坐標(biāo)分別為和如圖2所示。根據(jù)幾何關(guān)系，可以得到：D₁D₂直線轉(zhuǎn)化為平面夾角坐標(biāo)D₂D₃直線轉(zhuǎn)化為平面夾角坐標(biāo)D₃D₄直線轉(zhuǎn)化為平面夾角坐標(biāo)D₄D₁直線轉(zhuǎn)化為平面夾角坐標(biāo)

(5)將遮擋部件的平面夾角數(shù)據(jù)與敏感器視場(chǎng)范圍的平面夾角數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷敏感器視場(chǎng)被部件遮擋的情況；

首先對(duì)步驟3)得到的遮擋部件的平面夾角數(shù)據(jù)(α_i，β_i)進(jìn)行判斷，將滿(mǎn)足β_i∈(-60°,60°)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)留下，記為(α_i′，β_i′)；其次，將留下的坐標(biāo)數(shù)據(jù)(α_i′，β_i′)再次進(jìn)行判斷，將滿(mǎn)足的坐標(biāo)數(shù)據(jù)留下，記為(α_i″，β_i″)。此坐標(biāo)數(shù)據(jù)(α_i″，β_i″)即為遮擋部件對(duì)敏感器視場(chǎng)產(chǎn)生遮擋的三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)的坐標(biāo)。將坐標(biāo)數(shù)據(jù)(α_i″，β_i″)的個(gè)數(shù)記為m；將遮擋敏感器視場(chǎng)第一象限(滿(mǎn)足α_i″>0，β_i″>0)的坐標(biāo)個(gè)數(shù)記為m₁，則可以計(jì)算出第一象限遮擋坐標(biāo)數(shù)占總數(shù)的比率k₁＝m₁/m；將遮擋敏感器視場(chǎng)第二象限(滿(mǎn)足α_i″>0，β_i″<0)的坐標(biāo)個(gè)數(shù)記為m₂，則可以計(jì)算出第二象限遮擋坐標(biāo)數(shù)占總數(shù)的比率k₂＝m₂/m；將遮擋敏感器視場(chǎng)第三象限(滿(mǎn)足α_i″<0，β_i″<0)的坐標(biāo)個(gè)數(shù)記為m₃，則可以計(jì)算出第三象限遮擋坐標(biāo)數(shù)占總數(shù)的比率k₃＝m₃/m；將遮擋敏感器視場(chǎng)第四象限(滿(mǎn)足α_i″<0，β_i″>0)的坐標(biāo)個(gè)數(shù)記為m₄，則可以計(jì)算出第四象限遮擋坐標(biāo)數(shù)占總數(shù)的比率k₄＝m₄/m。

對(duì)比計(jì)算得到的各個(gè)象限遮擋坐標(biāo)數(shù)占總數(shù)的比率，找出最大比率所對(duì)應(yīng)的象限，則該象限受遮擋最為嚴(yán)重，并將該比率記為k_max；判斷k_max是否小于太陽(yáng)敏感器的設(shè)計(jì)要求值，若小于，則進(jìn)行步驟6)；若不小于，則優(yōu)化調(diào)整遮擋部件和太陽(yáng)敏感器的相互位置關(guān)系，再次按步驟1)～步驟5)進(jìn)行遮擋分析。

(6)繪制太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)遮擋圖并計(jì)算遮擋面積與遮擋率；

將步驟4)得到的敏感器視場(chǎng)平面夾角坐標(biāo)繪制于平面坐標(biāo)系，并將其所圍成的面積記為S_{視場(chǎng)}，將步驟5)得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)(α_i″，β_i″)也繪制于同一平面坐標(biāo)系內(nèi)，并將其所圍成的面積記為S_遮擋，記遮擋率K＝S_遮擋/S_{視場(chǎng)}。由此可以得到太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)遮擋圖，如圖3所示。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)圖3直觀的判斷敏感器視場(chǎng)所受遮擋的情況，并根據(jù)敏感器指標(biāo)要求判斷在該遮擋率下能否正常工作，為其設(shè)計(jì)工作提供參考依據(jù)。

本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未做詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。