考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种太阳能帆板功率计算及三维动态仿真方法，尤其涉及一种航天器 太阳帆板的遮挡情况分析及显示、发电效率预估、帆板温度预估的三维动态仿真方法，属于 计算机仿真模拟技术领域。
【背景技术】
[0002] 三维计算机仿真的应用涉及游戏、产品展示、虚拟制造及装配、航空航天模拟等各 个方面，仿真可视化已经成为科研人员开发仿真系统、开展仿真实验的重要辅助手段。
[0003] 太阳电池阵是众多航天器的能源提供者。太阳电池阵被完全或部分遮挡后，其输 出功率将受到极大地影响。所以在航天器设计时，太阳电池阵应尽量避开遮挡多发区域，并 对产生遮挡情况时进行发电效率预估，合理设计太阳电池数量。同时对太阳帆板的遮挡情 况进行分析，还可以预估出太阳帆板的温度，并进行热分析。
[0004] 由于现代卫星任务多样性，所携带的机构越来越多，会造成各种机构之间的互相 遮挡，会产生遮挡效应，使卫星轨道、大型机构所产生的遮挡情况的分析任务复杂，所以对 太阳能帆板的发电效率产生很大影响，导致发电效率预估不准确。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提出一种考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法， 以解决针对现有的卫星轨道、大型机构所产生的遮挡情况的分析任务复杂，导致发电效率 预估不准确的问题。
[0006] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0007] 本发明所述的考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法，是按照以下 步骤实现的：
[0008] 步骤一、搭建实现环境：采用Qt搭建人机交互接口界面；
[0009] 步骤二、航天器三维虚拟建模：根据航天器实际尺寸，利用3DSMAX建立航天器本 体、太阳能帆板及遮挡机构的三维模型，并根据地球光晕渲染原理，大气云层渲染原理，太 阳眩光原理建立地、月、日和太空空间场景；
[0010] 步骤三、航天器本体、太阳能帆板、天线的实时显示：通过导入轨道参数及位姿数 据，动态仿真航天器的运动；
[0011] 步骤四、通过阴影遮挡算法计算遮挡矩阵：将太阳能帆板划分网格，设定遮挡机构 和遮挡系数，通过阴影遮挡算法，得到遮挡机构对太阳能帆板的遮挡矩阵，用于模拟太阳能 帆板受遮挡的真实情况；
[0012] 步骤五、基于着色语言的太阳能帆板阴影可视化渲染；
[0013] 步骤六、多视角交互式三维漫游；
[0014] 步骤七、太阳能帆板功率及温度曲线的实时显示。
[0015] 本发明的有益效果是：
[0016] 1、本发明实现了大型机构所产生的遮挡情况的任务分析，为发电效率预估不准确 的问题提出了解决方法，简化了地面人员的操作，降低了实物风险及研制成本。
[0017] 2、本发明设计了航天器太阳能帆板阴影遮挡仿真方法，对太阳能帆板阴影进行实 时计算仿真，并完成对太阳能帆板阴影的渲染及显示。
[0018] 3、本发明设计了航天器太阳能帆板发电功率和帆板温度预估算法，实现了航天器 太阳能帆板功率及温度实时仿真计算与显示，进而合理设计太阳能电池数量，从而实现最 合理的供电效率。
[0019] 4、本发明以航天器太阳能电池阵建模技术、可视化技术、虚拟现实技术和数值模 拟技术等为核心，以Qt和OSG三维渲染引擎为实现工具，完成航天器太阳能电池阵阴影遮 挡及发电效率计算的交互式虚拟仿真，具有真实感强、交互性好、实用性强等优点。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明方法的流程图；
[0021] 图2为【具体实施方式】四中遮挡矩阵计算流程图。
【具体实施方式】
[0022] 结合附图进一步详细说明本发明的【具体实施方式】。
【具体实施方式】 [0023] 一：下面结合图1，图2说明本实施方式，本实施方式所述的考虑遮 挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法，包括以下步骤：
[0024] 步骤一、搭建实现环境：采用Qt搭建人机交互接口界面；
[0025] Qt和OSG的实现都是基于C++，结合Qt和OSG三维渲染引擎共同搭建实现环境。 C++用于基础语言实现和遮挡算法计算，Qt用于构建系统平台和相关界面，充分利用Qt开 源的特点，采用其丰富的API类和独特安全的signals/slots技术等设计了人性化的人机 交互接口界面，使界面美观简洁、操作简单易懂；0SG虚拟现实技术用于实现航天器太阳翼 阴影及功率三维动态全过程仿真，相比于传统的二维仿真技术，0SG虚拟现实技术使仿真结 果更加直观化、现场化，具有良好的可视化和交互性。
[0026] 利用0SG三维渲染引擎来实现航天器太阳能帆板实时阴影遮挡的三维虚拟仿真， 具体如下：
[0027] 步骤二、航天器三维虚拟建模：根据航天器实际尺寸，利用3DSMAX建立航天器本 体、太阳能帆板及遮挡机构的三维模型，并根据地球光晕渲染原理，大气云层渲染原理，太 阳眩光原理建立地、月、日和太空空间场景；
[0028] 步骤三、航天器本体、太阳能帆板、天线的实时显示：通过导入轨道参数及位姿数 据，动态仿真航天器的运动，实现航天器本体、太阳能帆板及天线的动态变化；
[0029] 步骤四、通过阴影遮挡算法计算遮挡矩阵：将太阳能帆板划分网格，设定遮挡机构 和遮挡系数，通过阴影遮挡算法，得到遮挡机构对太阳能帆板的遮挡矩阵，用于模拟太阳能 帆板受遮挡的真实情况；
[0030] 步骤五、基于着色语言的太阳能帆板阴影可视化渲染：实时完成对太阳能帆板阴 影的渲染及显示，能够直观的对太阳能帆板阴影的变化状态进行显示，并以不同的颜色表 示太阳能帆板的温度变化；
[0031] 步骤六、多视角交互式三维漫游：相机临境视场可视化，通过太阳能帆板上三处相 机，实现不同视角的显示，模拟真实的观察效果；
[0032] 步骤七、太阳能帆板功率及温度曲线的实时显示。状态数据及曲线显示通过遮挡 矩阵及温度功率公式计算而来，直观的显示太阳能帆板功率及温度等工程值及二维曲线信 息。
【具体实施方式】 [0033] 二：本实施方式与一不同的是：步骤二所述的航天器 三维虚拟建模的具体过程为：
[0034] 三维虚拟场景模拟是对航天器本体、太阳能帆板、遮挡机构、地球、太空进行三维 模拟，通过三维模型可以非常清晰地看出航天器本体、太阳能帆板和遮挡机构的真实模样， 并对模型中的各个零件进行干涉检查，看是否装配成功。
[0035] 所述的三维虚拟建模包括模型建模与场景建模，其中模型建模的具体方法如下：
[0036] 步骤二一、根据航天器本体、太阳能帆板和遮挡机构的实际尺寸，利用3DSMAX重 建出相应的虚拟三维对象实体；
[0037] 步骤二二、利用3DMAX对天线和太阳能帆板转动处添加DOF(自由度）节点，以便 在仿真中调用，使用OSG函数查找节点名称并调用，实现关节运动；
[0038] 步骤二三、运用材质贴图对步骤二一所述的虚拟三维对象实体进行处理；
[0039] 步骤二四、绘制航天器模型：采用分舱段绘制，统一装配的方式，并且使用LOD(多 细节层次）技术，用多组由简到繁的绘制方案来实现同一个模型的渲染，并通过OSG设置由 远及近时的LOD切换动作，达到减轻系统负担和保证渲染质量的多重目的。
[0040] 步骤二五、利用osgExp将虚拟三维对象实体导出为FLT格式，最后利用osgConv 命令将FLT转换为IVE格式；
[0041] 所有模型都以IVE文件的形式存储。
[0042] 所构造的三维虚拟模型与真实结构相比，需要经过必要的简化。这主要是因为，如 果要完全重构与实际的机构、结构可比拟的虚拟模型，其几何数据将十分庞大，这将增加计 算机在可视化过程中模型数据处理量，因为大量的几何数据在仿真过程中没有相对运动， 因此在构造虚拟模型时，凡是不可见的零、部件均被去除。经过这样处理后，3D模型的几何 节点数据量大大减小，有利于3D模型动态显示处理。
[0043] 场景包括三维地球场景、太空场景，根据地球光晕渲染原理，大气云层渲染原理， 太阳眩光原理进行场景建模；
[0044] 三维地球是一个复杂的系统，仿真难度较大。地球场景仿真主要基于开源地球仿 真方案osgEarth进行二次开发，可实现的功能有地球光晕及其大气云层、太阳及其眩光、 地月日运行状态显示等效果。
[0045] 地球光晕渲染原理：在存在大气分子的情况下计算大气层光谱，而后计算地球光 谱和地球背影处的光谱，最后计算光学厚度，最终完成地球光晕的渲染。
[0046] 大气云层渲染原理：依据大气散射，构建出大气层的散射纹理，然后在构建出的纹 理的基础上计算渲染大气层的散射模型。
[0047] 太阳眩光原理：当逆向观察太阳时，太阳光将出现眩光，而为了真实直观的显示眩 光，可以通过计算视场位置及投向太阳的视角方向，当视线在阈值范围内时，则渲染眩光； 而实现在阈值范围外时，则不渲染。其中眩光为若干圆环及圆球的透明体，能够较为真实的 反应逆光时的太阳光特点，且由于透明渲染，不会对其他场景造成较大影响。
[0048] 地月日运行状态应采用真实的轨道建立三者的位置关系，使本方法更真实。
【具体实施方式】 [0049] 三：本实施方式与一或二不同的是：步骤三所述的航 天器本体、太阳能帆板、天线的实时显示如下：
[0050] 在VC++工作线程里的帧循环中对航天器轨道参数、太阳能帆板和天线转动的参 数进行更新，利用这些数据通过OSG线程对航天器运动、遮挡机构和太阳能帆板的转动进 行实时驱动，所述的实时驱动方法如下：在仿真的每一帧中，通过OSG线程更新一次航天器 运动参数值，利用这些值通过OSG回调函数对航天器位置进行设置，以此来实现实