空间目标红外辐射全任务空域动态特性分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种空间目标红外辐射全任务空域动态特性分析方法，对空间目标的红外辐射射特性进行全任务空域动态分析技术。包括如下步骤：1、空间目标几何三维建模；2、有限元网格划分；3、空间目标全任务空域动态温度场分析与校正；4、空间目标全任务空域动态红外辐射特性计算；5、建立空间目标红辐射特性数据库。本发明将空间目标红外辐射特性仿真分析与目标在轨试验状态进行了有机结合，解决了传统分析技术难以针对具体试验流程进行匹配性分析的技术瓶颈。
【专利说明】空间目标红外辐射全任务空域动态特性分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测试测量【技术领域】，特别涉及一种空间目标红外辐射全任务空域动态 特性分析方法。
【背景技术】
[0002] 利用光学探测器实施对空间目标的探测与跟踪是目前国内外研究的热点。其中红 外探测器由于其具有隐蔽性好，能昼夜工作的特点，在空间目标探测与跟踪任务方面发挥 着不可比拟的作用。而红外辐射强度仿真数据由于在提高红外探测设备可靠性方面发挥举 足轻重的作用而倍受重视。
[0003] 目前国内在进行目标的红外辐射强度分析方面由于工作起步较晚，虽然哈尔滨工 业大学、浙江大学、南京理工大学等高校都开展了相关研究，但国内大部分研究还都是基于 理论分析计算的方法，尚未开发出一套比较成熟的商业化软件。而国外成熟的红外辐射特 性商业化软件也是价格不菲。
[0004] 为了实现对观测目标的红外辐射动态特性进行分析，需要提供较为详细的输入条 件，包括外形尺寸、表面包覆等，或者提供观测目标卫星模型和热分析模型，针对这些问题， 国内各大高校无法提供全面准确的输入条件。另外针对仿真技术而言，最重要的就是仿真 结果的可靠性，这就需要大量试验数据的支撑，而传统分析技术难以针对具体试验流程进 行匹配性分析，这造成这一【技术领域】的瓶颈，同时也是国内未形成专业商用化分析软件的 主要原因。
[0005] 因此如何结合空间目标在轨试验流程仿真空间目标动态红外辐射特性，使具体试 验数据与仿真结果达成数据匹配成为空间目标红外辐射动态特性仿真技术的一项重要的 关键技术。
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种空间目标红外辐射全任务空域 动态特性分析方法，本发明通过以下技术方案实现：
[0007] -种空间目标红外辐射全任务空域动态特性分析方法，包括步骤：
[0008] S1、对空间目标进行三维几何建模，获得空间目标的三维几何模型；
[0009] S2、对所获得的三维几何模型进行有限元网格划分；
[0010] S3、空间目标全任务空域动态温度场分析与校正：
[0011] 完成网格节点热边界载荷加载，设置空间目标在轨试验轨道参数，计算空间目标 动态轨道外热流，结合空间目标材料属性，根据集总参量法建立热平衡方程，仿真空间目标 在轨试验温度的动态分布；
[0012] 将仿真得到的温度动态分布的仿真数据与在轨试验测试数据进行比对，若误差大 于预定值，则修正材料属性与热载荷设置参数，直至满足误差要求；
[0013] S4、空间目标全任务空域红外辐射特性计算：
[0014] 根据在轨试验测试数据中的实时观测方位信息，进行空间面元的可见性判断，并 得到视线方向的空间目标几何投影数据，结合空间目标全任务空域温度动态分布与目标表 面材料属性计算得到实时观测方位下接收到的空间目标自发红外辐射强度数据；
[0015] 通过结合目标实时在轨轨道参数，目标表面材料属性，地球反照、地球辐射、太阳 辐射信息，以及目标在轨运行期间与地球、太阳三者间相对位姿关系，得到实时观测方位接 收到的空间目标红外辐射强度数据；
[0016] S5、建立空间目标红外辐射特性数据库，将仿真结果编入目标红外辐射特性数据 库，进行标准化。
[0017] 较佳的，步骤S3中则修正材料属性与热载荷设置参数包括：
[0018] 三维几何模型优化，简化三维几何模型；规整并细化网格划分单元；修正表面包 覆材料吸收系数、发射系数；内热源功耗修正。
[0019] 较佳的，步骤S4中通过结合目标实时在轨轨道参数，目标表面材料属性，地球反 照、地球辐射、太阳辐射信息，以及目标在轨运行期间与地球、太阳三者间相对位姿关系，得 到实时观测方位接收到的空间目标红外辐射强度数据包括：
[0020] A、建立空间目标本体坐标系与探测器坐标系之间的旋转关系矩阵，将空间目标在 本体坐标系中的坐标值转换为探测器坐标系中的坐标值；
[0021] B、以探测器坐标系的-X方向为投影方向，在投影方向上进行面元可见性判断，并 计算可见面元的投影面积；
[0022] C、在波段为7.5μπι?9.5μπι范围内，对可见面元的辐射特性进行计算。
[0023] 本发明根据在轨试验流程和数据完成对空间非合作目标的红外辐射射特性进行 全任务空域动态分析的技术，由于结合了空间目标在轨试验流程仿真空间目标全任务空域 红外辐射特性，并通过实测数据进行了仿真结果修正，使空间目标红外辐射特性仿真技术 突破了传统分析技术难以针对具体试验流程进行匹配性分析的技术瓶颈，提高了空间目标 红外辐射动态特性仿真数据的可靠性，对空间目标红外辐射特性仿真软件的开发提供了可 靠性保障，从而降低从国外引进红外仿真软件的成本，将该套技术标准化、软件化将在提高 红外探测设备可靠性方面发挥举足轻重的作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1所示的是本发明的流程图；
[0025] 图2所示的是本发明以实施例的有限元网格划分示意图；
[0026] 图3所示的是本发明一实施例中卫星在夏至典型日期内动态温度分布结果；
[0027] 图4所示的是卫星夏至工况下跟踪探测器在实时观测方向接收到的空间目标自 发红外辐射强度随时间变化情况示意图。
【具体实施方式】
[0028] 以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述 和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明的保护范围。
[0029] 为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的 解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。
[0030] 图1所示的是本发明的流程图，本发明包括以下步骤：
[0031] 步骤1，空间目标几何三维建模。通过传统三维几何建模工具（包括CAD、Pro/E、 SolidWorks等）完成空间目标三维建模。
[0032] 步骤2,有限元网格划分。利用网格剖分工具（包括patran、ansys、hypemesh等） 实现几何模型有限元网格划分，为建立热平衡模型提供基础。
[0033] 步骤3,空间目标全任务空域动态温度场分析与校正。完成网格节点热边界载荷加 载，设置空间目标在轨试验轨道参数，计算空间目标动态全任务空域外热流，结合材料本身 的热容、导热系数、密度等属性，根据集总参量法建立热平衡方程，仿真空间目标在轨试验 温度的动态分布。
[0034] 计算比较复杂的目标表面辐射平衡温度场可以由以下流程完成：
[0035] a.目标有限元建模；
[0036] b.建立热导、热容网格；
[0037] c.划分节点，计算温度场。
[0038] 集总参量法的描述如下：复杂的换热系统被划分为多个节点，在空间环境中，系统 内部存在着的两种基本换热过程（导热、辐射）被抽象为节点之间三种不同类型的热阻，通 过构建完整的热阻一热容网络，实现对整个目标红外辐射系统的传热学描述。
[0039] 节点分为：耗散节点、算术节点和边界节点。
[0040] 耗散节点用来表征热容、或热质量。它们用来表示一个可以存储能量的集总或物 理材料块。假设全部的集总质量具有相同的温度，即节点的平均温度。如果需要关心该节 点更详细的温度分布，那么该模型需要划分更细的节点。
[0041] 算术节点没有热容，不存储能量。它们用在表面或界面上。这些节点的温度由拉 普拉斯或泊松方程执行静态求解计算得到。可以认为算术节点与连接它的节点保持静态平 衡。
[0042] 边界节点由用户定义为固定温度。这些节点可作为热沉或热源，将释放或吸收足 够多的能量以维持其温度。边界节点温度在节点创建时需要给定，但在瞬态计算或用户自 定义逻辑的情况下也可以改变。
[0043] 空间环境中热导分为传导热导和辐射热导。
【权利要求】
1. 一种空间目标红外辐射全任务空域动态特性分析方法，其特征在于，包括步骤： 51、 对空间目标进行三维几何建模，获得空间目标的三维几何模型； 52、 对所获得的三维几何模型进行有限元网格划分； 53、 空间目标全任务空域动态温度场分析与校正： 完成网格节点热边界载荷加载，设置空间目标在轨试验轨道参数，计算空间目标动态 轨道外热流，结合空间目标材料属性，根据集总参量法建立热平衡方程，仿真空间目标在轨 试验温度的动态分布； 将仿真得到的温度动态分布的仿真数据与在轨试验测试数据进行比对，若误差大于预 定值，则修正材料属性与热载荷设置参数，直至满足误差要求； 54、 空间目标全任务空域红外辐射特性计算： 根据在轨试验测试数据中的实时观测方位信息，进行空间面元的可见性判断，并得到 视线方向的空间目标几何投影数据，结合空间目标全任务空域温度动态分布与目标表面材 料属性计算得到实时观测方位下接收到的空间目标自发红外辐射强度数据； 通过结合目标实时在轨轨道参数，目标表面材料属性，地球反照、地球辐射、太阳辐射 信息，以及目标在轨运行期间与地球、太阳三者间相对位姿关系，得到实时观测方位接收到 的空间目标红外辐射强度数据； 55、 建立空间目标红外辐射特性数据库，将仿真结果编入目标红外辐射特性数据库，进 行标准化。
2. 根据权利要求1所述的空间目标红外辐射全任务空域动态特性分析方法，其特征在 于，步骤S3中所述则修正材料属性与热载荷设置参数包括： 三维几何模型优化，简化三维几何模型；规整并细化网格划分单元；修正表面包覆材 料吸收系数、发射系数；内热源功耗修正。
3. 根据权利要求1所述的空间目标红外辐射全任务空域动态特性分析方法，其特征在 于，步骤S4中所述通过结合目标实时在轨轨道参数，目标表面材料属性，地球反照、地球辐 射、太阳辐射信息，以及目标在轨运行期间与地球、太阳三者间相对位姿关系，得到实时观 测方位接收到的空间目标红外辐射强度数据包括： A、 建立空间目标本体坐标系与探测器坐标系之间的旋转关系矩阵，将空间目标在本体 坐标系中的坐标值转换为探测器坐标系中的坐标值； B、 以探测器坐标系的-X方向为投影方向，在投影方向上进行面元可见性判断，并计算 可见面元的投影面积； C、 在波段为7.5μπι?9.5μπι范围内，对可见面元的辐射特性进行计算。
【文档编号】G01J5/00GK104121992SQ201410328328
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月10日 优先权日:2014年7月10日
【发明者】王盈, 黄建明, 魏祥泉, 颜根廷, 肖余之, 唐洁, 杨东春, 刘艳 申请人:上海宇航系统工程研究所