[發明專利]一種復雜外形航天器投影面積的確定方法及系統

有效

• 申請號: 201711076808.8
• 申請日: 2017-11-06
• 公開（公告）號: CN107944094B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 靳旭紅;黃飛;程曉麗;王強;俞繼軍
• 申請（專利權）人: 中國航天空氣動力技術研究院
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 馬全亮

一種復雜外形航天器投影面積的確定方法和系統，借鑒統計學中Monte Carlo技術的思想，結合計算幾何學中基本的射線與三角形相交理論，發展了一種魯棒性和通用性都較好的復雜外形航天器沿任意方向投影面積的計算方法。首先，構建一個恰好包圍航天器外表面的長方體盒子，該長方體有一個表面垂直于投影方向；然后，確定產生試驗粒子的邊界矩形，邊界矩形所在平面垂直于投影方向，且位于包圍盒子的上游；再次，在邊界矩形產生試驗粒子，并跟蹤其運動軌跡，判斷軌跡是否與航天器表面相交，若相交則使相交試驗粒子數遞增1；最后，重復上一步過程直至試驗粒子總數足夠大，以保證計算結果收斂，根據相交試驗粒子數和產生的試驗粒子總數統計出航天器的投影面積。

技術領域

本發明涉及一種復雜外形航天器投影面積的確定方法及系統，屬于飛行器氣動特性設計和姿態軌道控制技術領域。

背景技術

近年來，由于重力場和穩態海洋環流精確測量的需要，超低地球軌道(200-500km)航天器逐漸展現出廣闊的應用前景，然而，實現重力梯度精確測量的先決條件是低軌衛星氣動阻力的準確計算。氣動阻力主要由當地大氣密度、阻力系數和衛星沿運動方向的投影面積共同決定。當地大氣密度一般由大氣模型給出，氣動阻力系數可以查閱數據庫，還需要解決的問題就是計算其沿運動方向的投影面積。

最近，太陽帆探測器在深空探測領域顯示出了巨大的潛力，因為其利用太陽光壓力獲取推動力，不需要攜帶大量推進劑。雖然太陽光壓很小，但持續地加速可使探測器達到一個可觀的速度，最終可達到傳統航天器5-10倍的速度。太陽帆探測器的姿態和軌道控制系統需要太陽光壓力的輸入，太陽光壓力則與太陽通量、太陽帆表面反射率和沿光線方向的投影面積有關。太陽通量為物理常數，反射率為材料屬性，可通過查閱相關手冊或實驗測量獲得，太陽光壓力的計算就歸結為太陽帆沿光線方向投影面積的計算。

此外，航天器防護系統設計和風險評估中重要的一環是微流星體或空間碎片與航天器部件撞擊概率的預估，其前提是提供航天器及其各個部件在給定威脅攻擊方向上的投影面積。同時，衛星沿某一方向的投影面積更直接是其姿態控制的必要輸入參數，比如太陽瞄準(Sun-pointing)姿態模式需要輸入衛星沿太陽光線方向的投影面積，最小或最大阻力(minimum-drag or maximum-drag)姿態模式則需要識別并計算出衛星的最小或最大投影面積。

生成幾何實體沿某方向的投影，在計算機圖形學領域稱為遮擋算法，是計算幾何實體投影面積的一種直觀數值方法，至今仍在不斷的研究和完善之中。目前，計算機圖形學廣泛使用的投影算法是光線投射和光線追蹤方法：光線投射方法計算從光源發射出的光線與幾何實體表面的交點，通過最小距離識別出可見面(非可見面為背光面)，然后采用多邊形投影算法對可見面進行投影即可生成幾何實體的投影圖像；光線追蹤方法在光線投射方法的基礎上，考慮了光線散射和反射效應。

然而，無論是低軌衛星大氣阻力、太陽帆探測器光壓的計算，還是航天器防護設計與風險評估，以及航天器姿態控制，都只需要航天器(部件)投影面積的輸入，通過計算機圖形學的方法生成投影圖像再計算投影面積顯然耗時耗力。國外有研究人員基于凸多邊形理論，發展了一種計算航天器沿任意方向投影面積的解析方法。由于每個過程均采用解析解的形式來實現，該方法的計算效率很高。然而，復雜外形的航天器進行多邊形離散后，其投影多邊形難免存在兩兩相交甚至三個或三個以上多邊形同時相交的情形，導致計算投影多邊形相交部分的面積極端困難，甚至不可能。而且，解析的特性導致其魯棒性和通用性較差，某些極端情況下，計算機固有的舍入誤差會導致錯誤的計算結果。航天器外形越復雜，出現極端情況的可能性越大。因此，上述解析方法雖然高效，卻很難應用于航天工程實踐中。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提出了一種復雜外形航天器沿任意方向投影面積的確定方法及系統，解決了現有技術中無法計算復雜外形航天器投影面積如的問題。

本發明的技術解決方案是：

一種復雜外形航天器投影面積的確定方法，包括以下步驟：