[發明專利]一種基于正十二面體的空間太陽能電站球面聚光器網格劃分方法

在審

• 申請號: 201710492767.4
• 申請日: 2017-06-26
• 公開（公告）號: CN107358652A
• 公開（公告）日: 2017-11-17
• 發明（設計）人: 張逸群;李仙麗;王東旭;樊冠恒;紀祥飛;段竹竹;宋立偉;張樹新
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G06T17/20
• 分類號: G06T17/20
• 代理公司: 西安吉盛專利代理有限責任公司61108
• 代理人: 張恒陽

技術領域

本發明涉及到球形聚光器空間太陽能電站的球面網格生成領域，具體是一種基于正十二面體的空間太陽能電站球面聚光器網格劃分方法。

背景技術

空間太陽能以其能流密度大、持續穩定、不受晝夜和氣候影響等優點而受到國內外學者的廣泛關注。隨著空間科學技術的發展，空間太陽能電站(SSPS，Space solar power station)的建設越來越受到研究人員的重視。2014年，西安電子科技大學段寶巖團隊提出了OMEGA-SSPS(Orb-shape Membrane Energy Gathering Array)空間太陽能電站模型，其中主要的結構有球形聚光收集器，線饋源太陽能電池陣，導電系統和發射天線。其中聚光收集器是一個球面結構，需要用網格骨架搭建，之后再用單向透光薄膜覆蓋。眾所周知，受到發射時火箭運載平臺可承載重量以及容量的限制，當前的空間結構的尺寸最大是在十米量級，而GW級空間太陽能電站聚光系統的尺度在數百米甚至千米量級，質量和體積都超出了目前運載平臺的運載能力。因此，需要進一步對大型球形聚光器進行模塊化處理。如何實現空間大型球形聚光器的模塊化組裝與拼接，降低在軌構建與運載發射難度，同時保證聚光系統的光收集效率和空間運行穩定性是SSPS-OMEGA方案聚光器設計中面臨的難題。球面網格的構建，現有的方法大多是是采用柵格算法，首先必須將球面柵格化，基本原理就是將球面剖分為較規則的網格單元，如四邊形、三角形。特別在計算機圖形學領域，單純的球面網格生成已有成熟算法，例如“經緯度采樣”和“大弧平分”算法等，但這些方法是針對三角形、四邊形的。盡管也能達到分割球面的目的，但是這類算法卻普遍存在如下缺陷:首先，由于是在球面上直接操作，生成三角網格比較容易，但對四邊形或六邊形網格則非常困難；其次，網格單元的形狀或面積差距較大，不利于生產及太空運輸。

發明內容

本發明的目的是克服上述現有技術中存在的問題，提供一種基于正十二面體的空間太陽能電站球面聚光器網格劃分方法，采用基于正十二面體的測地弧線劃分法模塊化構網格建球形聚光器，能夠合理地進行球面聚光器網格的設計生成。

本發明的技術方案是：一種基于正十二面體的空間太陽能電站球面聚光器網格劃分方法，包括如下步驟：

步驟101正十二面體的每個面都是五邊形，對其中一個五邊形，找到它的中心點，與這個五邊形的頂點組成五個等腰三角形，將正十二面體的其它五邊形面也如此處理，則可得到六十個等腰三角形；

步驟102將步驟101產生的等腰三角形延直徑方向映射到與正十二面體外切的球成為球面等腰三角形，則整個球面可以產生六十個球面三角形，將其稱為球面六十面體；

步驟103取出球面六十面體的一個球面等腰三角形，將球面等腰三角形底邊上的高所對應的測地線弧均分成為n等分，其中n大于2；

步驟104從球面等腰三角形頂點開始將已等分為n段的測地線弧從頂部開始依次編號，從頂點開始每一點依次從第1點編號至第i點；

步驟105以球心為圓心，過步驟104中已經編號的每一點，作與球面等腰三角形底邊上的高所對應的測地線弧的垂直的圓，與球面等腰三角形的腰邊界相交于一點，再以球心為圓心，過此相交點及對應的步驟104中已經編號的點作子午圓；

步驟106依次取步驟105產生的子午圓在球面三角形面片中的弧段，為新的測地線弧，等分第i點所在的新的測地線弧i份，得到每條新測地線弧的等分點，則設第i點所在的測地線上的弧為第i層上的點，得到的所有點形成球面等腰三角形上的點陣；

步驟107選擇點陣里的關鍵點連接，產生球面多邊形網格，這些關鍵點是球面網格的頂點。

步驟107中所述的關鍵點連接的方法包括如下步驟：

步驟201球面等腰三角形經兩次等分得到的點陣，第i層有i個點，設計算組成多邊形的關鍵點個數為m，則m＝[(i-1)/3]+1，其中[]表示取整；設兩次等分的后的角度分別為a、b，則a＝0.5536/n,b＝0.3649/i；

步驟202設在第i層，球面多邊形網格頂點關鍵點的位置為N_j；j表示第i層的關鍵點編號，其值依次取從1到m的整數；對i進行判定，若i為奇數，則N_j＝6*[(j+1)/2]-1-(j/2)*4，若i為偶數，N_j＝6*[(j+1)/2]-2-(j/2)*2,其中[]表示取整,/表示取余；

步驟203利用向量關系推導出已知某點對應的的兩個球面角，對應球面位置的計算公式為：