王裕夫 裴勝偉 黃華

(中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)

隨著衛(wèi)星有效載荷技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星星表的產(chǎn)品越來越多，體積越來越大。特別是某些產(chǎn)品部件，例如可展開天線，在衛(wèi)星發(fā)射時(shí)收攏在衛(wèi)星艙板上，在軌時(shí)展開。展開后可能會對敏感器的視場造成遮擋。遮擋使敏感器視場減小，影響其正常工作，導(dǎo)致整星的姿態(tài)確定受到影響[1-3]，為了在衛(wèi)星設(shè)計(jì)初期綜合考慮整星的布局以及相應(yīng)產(chǎn)品部件的結(jié)構(gòu)形式，有必要研究星上產(chǎn)品部件對敏感器視場的遮擋問題。

針對衛(wèi)星上的遮擋分析，文獻(xiàn)[4]采用計(jì)算機(jī)軟件SolidWorks，來分析遮擋物對敏感器視場的遮擋情況。文獻(xiàn)[5]提出一種用于軸對稱形狀組合體航天器的帆板遮擋分析方法。文獻(xiàn)[6]采用圖像檢測的方法分析了航天器太陽翼遮擋的情況。以上文獻(xiàn)中，遮擋分析主要是采用幾何分析，分析方法需要對位置關(guān)系以及遮擋部件單獨(dú)建模，遇到涉及轉(zhuǎn)動或者復(fù)雜的遮擋部件，人工操作工作量大，效率低，在定量給出敏感器視場所受遮擋的具體范圍及遮擋率方面存在一定困難。

本文將遮擋部件的三維模型轉(zhuǎn)化為STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)(STL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)[7-8]。)，然后對遮擋部件的STL網(wǎng)格化坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，與敏感器視場范圍均轉(zhuǎn)換成平面夾角數(shù)據(jù)，將部件的遮擋問題轉(zhuǎn)化為判斷網(wǎng)格坐標(biāo)點(diǎn)位置范圍的問題。STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)可以直接從實(shí)際部件的三維模型得到，包含了分析遮擋所需的全部幾何數(shù)據(jù)，無其它冗余信息。采用STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)后，可以適應(yīng)星上所有產(chǎn)品遮擋敏感器視場的分析，在對各種布局情況分析時(shí)，可以避免以往分析方法的反復(fù)、復(fù)雜建模過程，顯著提高工作效率，便于進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，可有效的應(yīng)用于敏感器視場遮擋分析。

1 視場遮擋區(qū)域分析

本文提出的遮擋分析方法主要由3部分組成：數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析。如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)提取部分是將遮擋部件的三維模型轉(zhuǎn)化為STL網(wǎng)格化模型文件，并提取出遮擋部件的STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理部分是將遮擋部件的STL網(wǎng)格化坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，與敏感器視場范圍均轉(zhuǎn)換成平面夾角數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析部分則是將遮擋部件的平面夾角數(shù)據(jù)與敏感器視場范圍的平面夾角數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析敏感器視場被部件遮擋的情況，并繪制敏感器視場遮擋圖，計(jì)算遮擋率。

圖1 敏感器視場遮擋分析流程圖Fig.1 Flow chart of the occlusion analysis of optical sensor

1.1 數(shù)據(jù)提取

1)STL簡介

目前，CATIA、Pro/E等三維建模軟件均能輸出以STL表示的三維實(shí)體模型，該模型是利用空間三角形的拼接來對原有三維模型表面進(jìn)行逼近的數(shù)學(xué)模型，每個(gè)三角形用3個(gè)頂點(diǎn)來表示，每個(gè)頂點(diǎn)采用(x，y，z)來定位。另外，STL數(shù)據(jù)中還包含每個(gè)三角形的法向矢量數(shù)據(jù)。STL文件的美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼(American Standard Code for Information Interchange，ASCII)格式數(shù)據(jù)如下：

solid STL文件開始

facet normalxyz三角形開始，三角形法向矢量

outer loop

vertexx1y1z1三角形第一點(diǎn)坐標(biāo)

vertexx2y2z2三角形第二點(diǎn)坐標(biāo)

vertexx3y3z3三角形第三點(diǎn)坐標(biāo)

endloop

endfacet 三角形結(jié)束

各個(gè)三角形信息

endsolid STL 文件結(jié)束

上述數(shù)據(jù)格式中，x、y、z反映了三角形法向矢量與基準(zhǔn)坐標(biāo)系(生成STL時(shí)選擇的坐標(biāo)系)3個(gè)坐標(biāo)軸的夾角。x1、y1、z1、x2、y2、z2、x3、y3、z3分別為三角形三個(gè)頂點(diǎn)在基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。詳見圖2所示。

圖2 STL數(shù)據(jù)中的三角形網(wǎng)格示意Fig.2 Triangle mesh of STL data

2)遮擋部件的STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)提取

為考慮衛(wèi)星上真實(shí)的遮擋部件和敏感器視場的實(shí)際情況，采取的方法為：由遮擋部件的三維模型提取STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)。后文的模型均假定遮擋部件的三維模型與衛(wèi)星上實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品一致。

在三維模型中，選取敏感器視場的坐標(biāo)系作為參考坐標(biāo)系，這樣生成的STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)中的矢量和位置信息均相對于敏感器視場。提取得到的遮擋部件的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(xi,yi,zi)，其中i為1～n，n為所有頂點(diǎn)的總數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

首先，將數(shù)據(jù)提取得到的所有遮擋部件的三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)i的坐標(biāo)(xi,yi,zi)利用公式

(1)

(2)

轉(zhuǎn)換成遮擋部件的三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)i與敏感器視場中心點(diǎn)O的連線與xz平面的夾角αi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βi，將所有頂點(diǎn)對應(yīng)的夾角以平面坐標(biāo)的形式存為(αi，βi)，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)。敏感器視場示意圖見圖3。

圖3 敏感器視場示意圖Fig.3 View field of optical sensor

以上數(shù)據(jù)處理及遮擋圖繪制利用自編程序快速實(shí)現(xiàn)。

2 計(jì)算應(yīng)用

設(shè)定某遮擋部件以及敏感器視場參數(shù)后，在三維建模軟件中完成三維模型的建模，遮擋部件進(jìn)入敏感器視場錐域，對敏感器視場產(chǎn)生了遮擋，如圖4所示。然后按照圖1所示流程分析敏感器視場所受遮擋的情況。根據(jù)圖1所示流程，在分析敏感器視場遮擋區(qū)域時(shí)需要3個(gè)輸入條件：遮擋部件的STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)、敏感器視場范圍以及遮擋部件與敏感器之間的相互位置關(guān)系。

圖4 遮擋部件對敏感器視場的三維遮擋示意圖Fig.4 3D Pictures of the occlusion view field

以有效視場為±60°×±60°的某敏感器受某部

件遮擋為例進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算得出遮擋率K為17.83%，其視場遮擋圖如圖5所示，陰影區(qū)域?yàn)橐晥霰徽趽醪糠?，從圖5中可以分析出，敏感器視場的第一象限遮擋的最嚴(yán)重，第二象限有少部分被遮擋，第三、四象限則未被遮擋。這種情況下，敏感器由于受遮擋嚴(yán)重，不能夠正常工作。因此，對該部件與敏感器的位置關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，再次計(jì)算遮擋率K為1.02%，調(diào)整后遮擋圖如圖6所示。從圖6中對比可以看出，位置優(yōu)化后幾乎無遮擋，敏感器能夠正常工作。

本次優(yōu)化如果采用常規(guī)方法進(jìn)行二次建模分析，整個(gè)時(shí)間至少需要一個(gè)工作日，而利用本文方法進(jìn)行位置優(yōu)化后的視場遮擋再分析，花費(fèi)工作時(shí)長不到1 h，證明本方法切實(shí)高效。

圖5 遮擋部件對敏感器視場的遮擋圖Fig.5 Pictures of occlusion view field

圖6 遮擋部件對敏感器視場的遮擋圖(優(yōu)化后)Fig.6 Pictures of occlusion view field(after optimization)

3 結(jié)束語

針對衛(wèi)星上的遮擋分析問題，本文提出了一種基于STL網(wǎng)格化模型的敏感器視場遮擋區(qū)域確定方法。對于某種靜態(tài)的敏感器與遮擋部件位置狀態(tài)，此方法首先是將遮擋部件的三維模型轉(zhuǎn)化為STL網(wǎng)格化模型文件，并提取出遮擋部件的STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)。然后將遮擋部件的STL網(wǎng)格化坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，與敏感器視場范圍均轉(zhuǎn)換成平面夾角數(shù)據(jù)。之后，則將遮擋部件的平面夾角數(shù)據(jù)與敏感器視場范圍的平面夾角數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，定量給出敏感器視場所受遮擋的詳細(xì)分布范圍以及遮擋率，相比以往方法，顯著提高了工作效率，便于工程設(shè)計(jì)。針對活動部件在運(yùn)動過程中的遮擋分析，可以選取運(yùn)動過程中的某些典型位置進(jìn)行分析，以增強(qiáng)本方法的適應(yīng)性。可作為衛(wèi)星研制工作中敏感器視場遮擋分析的有效手段。