时显示；
[0051] 所述航天器轨道参数包括：椭圆轨道的长半径a、偏心率e、航天器轨道倾角0、 航天器升交点赤经D、航天器近升角距<-、航天器在参考时刻h时的平均近点角^，航天器 通过近地点的时刻tp，通过上述参数即可得出任意瞬间航天器的位置。
【具体实施方式】 [0052] 四：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式与一 至三之一不同的是：步骤四所述的通过阴影遮挡算法计算遮挡矩阵的具体过程如下：
[0053] 步骤四一、利用航天器的轨道参数计算投影矩阵，以便用于计算阴影遮挡；
[0054] 基于光线投影原理，计算投影矩阵，具体如下：
[0055] 太阳光看作平行光入射，太阳光方向矢量是在地心坐标系下表示的，而航天器的 太阳能帆板与各个遮挡机构是在航天器本体坐标系下描述的，所以根据航天器的轨道参数 将太阳光方向矢量转到航天器本体坐标系中。
[0056] 对于空间点向某一平面进行投影时，假设太阳能帆板平面所在平面方程为 Ax+By+Cz+D= 0,太阳光方向矢量为S(m,n,p)，任意顶点坐标为P(x,y,z, 1)，投影后的坐标 为P' (x'，y'，z')，设投影矩阵为M使得MP=P'，则有
【主权项】
1. 考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法，其特征在于所述方法包括以 下步骤： 步骤一、搭建实现环境：采用Qt搭建人机交互接口界面； 步骤二、航天器三维虚拟建模：根据航天器实际尺寸，利用3DS MAX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； 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； 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； 步骤五、基于着色语言的太阳能帆板阴影可视化渲染； 步骤六、多视角交互式三维漫游； 步骤七、太阳能帆板功率及温度曲线的实时显示。
2. 根据权利要求1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，其特 征在于步骤二所述的航天器三维虚拟建模的具体过程为： 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： 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3DS MAX重建出 相应的虚拟三维对象实体； 步骤二二、利用3D MAX对天线和太阳能帆板转动处添加DOF节点，使用OSG函数查找 节点名称并调用，实现关节运动； 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； 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； 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； 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。
3. 根据权利要求2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，其特 征在于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： 在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0SG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0SG线程更新一次航天器运动参数 值，利用这些值通过0SG回调函数对航天器位置进行设置，以此来实现实时显示； 所述航天器轨道参数包括：椭圆轨道的长半径a、偏心率e、航天器轨道倾角0、航天 器升交点赤经D、航天器近升角距<-、航天器在参考时刻h时的平均近点角^，航天器通过 近地点的时刻tp，通过上述参数即可得出任意瞬间航天器的位置。
4. 根据权利要求3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，其特 征在于步骤四所述的通过阴影遮挡算法计算遮挡矩阵的具体过程如下： 步骤四一、利用航天器的轨道参数计算投影矩阵； 基于光线投影原理，计算投影矩阵，具体如下： 对于空间点向某一平面进行投影时，假设太阳能帆板平面所在平面方程为Ax+By+Cz+D =0,太阳光方向矢量为S (m, n, p)，任意顶点坐标为P (X，y, z, 1)，投影后的坐标为 P' (x'，y'，z')，设投影矩阵为則吏得MP = P'，则有
步骤四二、通过阴影遮挡算法计算遮挡矩阵，具体过程如下： 步骤四二一、太阳能帆板网格划分如下： 将太阳能帆板划分为m*n的分阵，每个分阵划分为3*3个小方格，每个分阵中用一个 3*3的遮挡矩阵进行表示，当其中的某个小方格处于遮挡时，该处设置为1，当无遮挡时设 置为〇,当该小方格受到不同遮挡机构重复遮挡时，其值不累加还为1 ; 步骤四二二、遮挡机构与遮挡系数设定如下： 将遮挡系数设为0和1，0代表无遮挡，1代表全遮挡，不考虑半透射情况，对这三种遮挡 机构进行建模，并对每个机构进行三角网格划分，提取每个三角网格的顶点以及法线； 铰接头遮挡建模：取其中心点落入的小方格为全遮挡，该方格处标记为1，其余投影方 格为无遮挡，标记为0 ; 杆遮挡建模：计算杆的投影长度，若落入小方格的杆的长度大于小方格的边长L，则视 为全遮挡，标记为1，否则视为无遮挡，标记为0 ; 线网遮挡建模：将天线整体等效为圆柱体，投影到太阳能帆板小方格上的区域均视为 全遮挡，标记为1 ; 步骤四二三、阴影遮挡算法如下： 铰接头遮挡矩阵的计算：首先提取铰接头的中心点在航天器本体坐标系中的坐标，然 后根据投影矩阵进行投影，得到铰接头在太阳能帆板上的投影位置，并将该点所处的小方 格遮挡状况设置为1，这样得到了铰接头在太阳能帆板上的遮挡矩阵； 杆遮挡矩阵的计算：提取杆的两个端点，并通过投影矩阵进行投影，利用太阳能帆板平 面上的两个投影点得到直线方程，通过所划分的网格对直线方程进行分割，得到每个小方 格内的投影长度，当投影长度大于L时，该小方格设置为1，这样得到了杆所产生的遮挡矩 阵； 线网遮挡矩阵的计算：将线网遮挡机构等效为圆柱体，利用圆柱体的解析方程，通过投 影矩阵进行投影，得到圆柱体在投影面上的投影边缘，设边缘所在小方格以及边缘所包括 的围内的小方格值为1，最终得到了线网所产生的遮挡矩阵； 对三个遮挡矩阵进行逻辑或运算，得到三个遮挡机构共同对太阳能帆板所产生的遮挡 矩阵。
5. 根据权利要求4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，其特 征在于步骤五所述的基于着色语言的太阳能帆板阴影可视化渲染的具体过程如下： 采用GLSL着色语言，根据太阳能帆板划分的m*n的分阵，按照遮挡矩阵和温度预估进 行颜色渲染； 所述的温度预估公式如下： 根据能量平衡定律
其中，e和e '分别为太阳能帆板阳面和阴面的发射率，〇为斯蒂芬-玻尔兹曼常数， E Qi为太阳能帆板吸收的热量，Q为太阳能帆板吸收的热量，i为分阵的编号； 所述颜色渲染具体过程为： 根据预估的温度进行温度显示：太阳能帆板初始颜色为浅红色，温度越高，颜色赋值越 株； 根据遮挡矩阵进行遮挡显示：对遮挡矩阵中0对应的分阵，保持原先的颜色，对遮挡矩 阵中1对应的分阵赋值成黑色。
6. 根据权利要求5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，其特 征在于步骤六所述的多视角交互式三维漫游具体如下： 通过安装于航天器上的全局相机及安装于天线上的局部相机实现三维漫游，其中，全 局相机的位置及视角根据安装初始值确定，局部相机的位置及视角随着天线的动作而实时 变化，相机的焦距及视场根据相机本身的光学参数进行设置调整； 所述三维漫游的具体实现过程如下： 通过相机节点的矩阵变化实现视点的变换，视点变换矩阵用于将世界坐标系下的物体 变换到相机坐标系中，变换公式为： Vvcs= V wcs ? Mview 其中，为相机坐标系，V_为世界坐标系，Mvi"为视点变换矩阵。
7. 根据权利要求6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，其特 征在于步骤七所述的太阳能帆板功率及温度曲线的实时显示具体过程如下： 太阳能帆板发电功率计算：利用每个分阵的遮挡矩阵得到分阵i中实际输出电流为：
式中，13为分阵遮挡情况下的实际输出电流，I为无遮挡情况下分阵的实际输出电流， 队为第i个分阵的遮挡矩阵为1的个数； 则遮挡状况下太阳能电池的瞬时功率为
(2) 其中V为母线电压，通过式（2)得到遮挡情况下太阳能电池的瞬时发电功率； 使用Teechart画图控件选择需要显示的参数，再根据时间步长的变化，绘制太阳能电 池板的发电功率及温度随时间变化的曲线图。
【专利摘要】考虑遮挡效应的航天器太阳能帆板三维动态仿真方法，属于计算机仿真模拟技术领域。本发明解决了现有的卫星轨道、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。技术要点为：搭建实现环境；航天器三维虚拟建模；航天器本体、太阳能帆板、天线的实时显示；通过阴影遮挡算法计算遮挡矩阵；基于着色语言的太阳能帆板阴影可视化渲染；多视角交互式三维漫游；太阳能帆板功率及温度曲线的实时显示。本发明实现针对卫星轨道、大型机构所产生的遮挡情况的分析任务，并根据遮挡分析结果计算太阳电池阵发电功率，合理设计太阳电池数量。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104615841
【申请号】CN201510098334
【发明人】魏承, 赵文锐, 马超, 刘昊, 鄂薇, 王通明, 袁丽丽, 焦荣慧, 贠磊
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年3月5日