一种低轨航天器迎风面计算方法与流程

1.本发明涉及航天航空技术领域，具体为一种低轨航天器迎风面计算方法。


背景技术：

2.对于航天器的姿态控制系统设计而言，空间环境作用是不可忽略的外部干扰，为在地面仿真过程中更为准确的反映航天器的姿态动力学特性，对其所受气动力、气动力矩的精确计算显得十分必要。考虑到航天器的结构尺寸已知，可将其视为多面体。
3.目前，关于点与多边形位置关系的理论研究主要有三种方法：
①
面积和判别法：判断目标点与多边形的每条边组成的三角形面积和是否等于该多边形，若相等则在多边形内；
②
夹角和判别法：判断目标点与所有边的夹角和是否等于360
°
，若等于则在多边形内；
③
引出射线法：从目标点出发引出一条射线，若射线与多边形所有边的交点数目为奇数则点在多边形内部，若为偶数则在多边形外部。
4.通过上述方法计算航天器的迎风面时，存在如下几种局限：只适用于凸多边形不适用于凹多边形；不适用于两个多边形存在多个重叠部分的情况；不适用于有孔的多边形。
5.因此，针对上述问题，有必要提出一种新的航天器迎风面计算方法，同时适用于凸多边形和凹多边形，且同时适用于重叠情况和有孔情况。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种低轨航天器迎风面计算方法，该计算方法对凸多边形和凹多边形均适用、对多边形出现有孔的情况适用、对两多边形有多个重叠部分的情况也适用。
7.为实现上述目的和其他相关目的，本发明提供了一种低轨航天器迎风面计算方法，其特征在于，包括：
8.步骤s1、将低轨航天器各表面的所有顶点在速度方向进行投影，得到各顶点的投影坐标；
9.步骤s2、将所述各顶点的所述投影坐标按照预设顺序连接，以使各顶点围成若干个多边形，根据若干个所述多边形之间的位置关系，剔除若干个所述多边形之间的重叠面积部分，得到有效多边形面积；
10.步骤s3、判断若干个所述多边形上是否存在通孔，若否，则所述有效多边形面积为所述低轨航天器迎风面的面积；若是，则进入步骤s4；
11.步骤s4、获取所述通孔的面积，所述低轨航天器迎风面的面积等于所述有效多边形面积减去所述通孔的面积的面积差。
12.进一步地，步骤s1包括：建立所述低轨航天器的本体坐标系和速度坐标系，将所述低轨航天器各表面的所有顶点在所述本体坐标系下的坐标转换成所述速度坐标系下的坐标，并将速度方向的坐标数值均设为0，得到各顶点的投影坐标。
13.进一步地，所述若干个所述多边形之间的位置关系的确定包括：
14.确定各顶点与若干个所述多边形之间的位置关系；
15.根据各顶点与若干个所述多边形之间的位置关系确定所述若干个所述边形之间的位置关系。
16.进一步地，所述确定各顶点与若干个所述多边形之间的位置关系的步骤包括：
17.若某一顶点在某一多边形的某一条边上，则该顶点的投影坐标满足该条边的线段方程；
18.若某一顶点在某一多边形外部，则该顶点与该多边形的顶点所围成的新多边形的面积大于该多边形的面积；
19.若某一顶点在某一多边形内部，则该顶点与该多边形的顶点所围成的新多边形的面积均小于该多边形的面积。
20.进一步地，所述根据各顶点与若干个所述多边形之间的位置关系确定所述若干个所述多边形之间的位置关系的步骤包括：以若干个所述多边形中的任意两个多边形为例，记为第一多边形和第二多边形；
21.若所述第一多边形中的各顶点均位于所述第二多边形内时，则所述第一多边形位于所述第二多边形中，则重叠部分为所述第一多边形，有效多边形面积为所述第二多边形的面积；
22.若所述第一多边形中的部分顶点位于所述第二多边形内时，则所述第一多边形与所述第二多边形部分重叠，则有效多边形面积为所述第一多边形位于所述第二多边形外部的点、所述第一多边形与所述第二多边形的交点、所述第二多边形位于所述第一多边形外部的点围成的多边形的面积；
23.若所述第一多边形中的所有顶点均不位于所述第二多边形内时，则所述第一多边形与所述第二多边形无重叠，则有效多边形面积为所述第一多边形与所述第二多边形的面积之和。
24.进一步地，所述步骤s3包括：
25.当一多边形与已知通孔多边形相交，交点、已知通孔多边形的顶点，以及该多边形的顶点组成点集；
26.确定有效包络：若所述点集中的某些点组成的一包络中包括某个多边形的顶点和该多边形与已知通孔多边形的交点，则该包络为有效包络；
27.确定所有有效包络中的通孔部分：若一有效包络中，包括相邻的两个该多边形与已知通孔多边形的交点，且两个交点之间没有一多边形在另一多边形内部的点，则该有效包络为通孔部分；
28.所述通孔的面积为所有通孔部分面积之和。
29.基于同一发明构想，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现上述任一项所述的方法。
30.基于同一发明构想，本发明还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述任一项所述的方法。
31.综上所述，本发明提供的低轨航天器迎风面计算方法，对于凸多边形和凹多边形均适用、对多边形出现有孔的情况适用、对两多边形有多个重叠部分的情况适用；进一步
地，该方法对于球体、圆柱体或其他不规则的非多面体结构，可在保证计算效率和准确性的情况下尽可能的对其表面进行分割，划分后构成近似等效的多面体；再进一步地，通过本方法可以准确的计算出航天器有效迎风面，进而可得到航天器所受气动力、气动力矩，解决速度方向上航天器上结构互相遮挡情况下造成重叠部分重复计算、某些复杂结构迎风面积多算或少算、非等效的整体计算而采取多个迎风面独立计算效率低的问题。
附图说明
32.图1为本发明一实施例提供的低轨航天器迎风面计算方法步骤示意图；
33.图2为本发明一实施例提供的低轨航天器迎风面计算方法中低轨航天器表面划分及顶点排序示意图；
34.图3为本发明一实施例提供的低轨航天器迎风面计算方法中低轨航天器本体坐标系和速度坐标系示意图；
35.图4为本发明一实施例提供的低轨航天器迎风面计算方法中点与多边形位置关系判断示意图；
36.图5为本发明一实施例提供的低轨航天器迎风面计算方法中多边形与多边形位置关系判断示意图；
37.图6为本发明一实施例提供的低轨航天器迎风面计算方法中多边形与通孔相交示意图。
具体实施方式
38.以下结合附图1-6和具体实施方式对本发明提出的低轨航天器迎风面计算方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
39.参阅图1，本发明一实施例提供了一种低轨航天器迎风面计算方法，包括如下步骤：
40.步骤s1、将低轨航天器各表面的所有顶点在速度方向进行投影，得到各顶点的投影坐标；
41.步骤s2、将所述各顶点的所述投影坐标按照预设顺序连接，以使各顶点围成若干个多边形，根据若干个所述多边形之间的位置关系，剔除若干个所述多边形之间的重叠面积部分，得到有效多边形面积；
42.步骤s3、判断若干个所述多边形上是否存在通孔，若否，则所述有效多边形面积为所述低轨航天器迎风面的面积；若是，则进入步骤s4；
43.步骤s4、获取所述通孔的面积，所述低轨航天器迎风面的面积等于所述有效多边形面积减去所述通孔的面积的面积差。
44.在本实施例中，如图2所示，为了便于计算，需对航天器各表面进行编号，对围成各表面的顶点按同一顺序(逆时针或顺时针)，构成点集。
45.在本实施例中，对于步骤s1，计算迎风面时需要知道低轨航天器的速度方向，通过在速度方向进行投影得到迎风面，这就需要对低轨航天器的本体坐标系进行转换，转换成速度坐标系，然后将速度方向的坐标数值均设为0，得到各顶点的投影坐标，即各顶点在速度方向投影的二维坐标。具体地，如图3所示：
46.1、建立低轨航天器本体坐标系obxbybzb和速度坐标系ovx
vyvzv
。
47.1)低轨航天器本体坐标系obxbybzb。
48.ob：航天器质心；
49.obzb：垂直指向航天器对地面；
50.obxb：垂直于星箭分离面，指向有效载荷舱；
51.obyb：与obxb、obzb按右手法则构成正交坐标系。
52.2)航天器速度坐标系ovx
vyvzv
。
53.ov：航天器质心(与ob重合)；
54.o
vzv
：与航天器速度方向同向；
55.ovxv：与o
vzv
垂直，且位于xbobyb平面上；
56.o
vyv
：与ovxv、o
vzv
按右手法则构成正交坐标系。
57.2、定义某顶点pb在本体坐标系中的表示为：
[0058][0059]
定义绕+z方向的旋转矩阵cz(θ)为：
[0060][0061]
其中，θ表示旋转角；
[0062]
由速度坐标系到本体坐标系的转换矩阵c
bv
为：
[0063]cbv
＝[c
a c
b cc]
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0064]
其中，
[0065][0066]
其中，vb表示速度。
[0067]
则可得到该点在速度坐标系下表示为：
[0068]
pv＝c
bv
pbꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0069]
计算迎风面积及迎风面形心时在x
vovyv
，可将pv的z坐标置为0。
[0070]
3、多边形面积、形心计算
[0071]
4、已知平面内多边形各顶点坐标(xi,yi)，其中1≤i≤n，n为顶点个数，则可得多边形面积s和形心(xc,yc)为：
[0072][0073][0074]
在本实施例中，通过多边形面积计算迎风面的面积，需要剔除掉多边形重叠的部分，避免二次计算，也需要剔除通孔的面积，避免过多计算，这就需要判断若干多边形之间的位置关系，以及多边形与已知通孔之间的位置关系，这些都是在判断点与多边形位置关系的基础上完成的。对各顶点与若干多边形的位置关系的判断具体包括：若某一顶点在某一多边形的某一条边上，则该顶点的投影坐标满足该条边的线段方程；若某一顶点在某一多边形外部，则该顶点与该多边形的顶点所围成的新多边形的面积大于该多边形的面积；若某一顶点在某一多边形内部，则该顶点与该多边形的顶点所围成的新多边形的面积小于该多边形的面积。
[0075]
示例地，如图4所示，以点15和面1-2-3-4-5-6-1为例。按上述方法，顺序1至顺序4中新的图形均出现了边与边交叉的情况，需要排除掉。顺序5和顺序6所围成的多边形面积大于原多边形面积，可判断点15在面1-2-3-4-5-6-1的外部。在实际计算中，只要找到一组无交叉情况的排序进行面积计算即可判断。
[0076]
在本实施例中，所述根据各顶点与若干个所述多边形之间的位置关系确定所述若干个所述多边形之间的位置关系的步骤包括：以若干个所述多边形中的任意两个多边形为例，记为第一多边形和第二多边形；若所述第一多边形中的各顶点均位于所述第二多边形内时，则所述第一多边形位于所述第二多边形中，则重叠部分为所述第一多边形，有效多边形面积为所述第二多边形的面积；若所述第一多边形中的部分顶点位于所述第二多边形内时，则所述第一多边形与所述第二多边形部分重叠，则有效多边形面积为所述第一多边形位于所述第二多边形外部的点、所述第一多边形与所述第二多边形的交点、所述第二多边形位于所述第一多边形外部的点围成的多边形的面积；若所述第一多边形中的所有顶点均不位于所述第二多边形内时，则所述第一多边形与所述第二多边形无重叠，则有效多边形
面积为所述第一多边形与所述第二多边形的面积之和。当然，在存在多个多边形时，也可以进行两两判断。
[0077]
示例地，如图5所示，对面1-2-3-4-5-6-1(记为多边形1)与面13-14-15-16-13(记为多边形2)相交后合并的情况进行分析。多边形1上6个顶点均在多边形2的外部，多边形2上点13、点14在多边形1的内部，点15、点16在多边形1的外部。以多边形1上点1为起点，按1-2-3-4-5-6的顺序一直记录到点6，遇到第一个交点jd1，切换到多边形2上，按13-14-15-16的顺序记录15、16，遇到第二个交点jd2，切换到多边形1上，回到点1。得到合并后的多边形1-2-3-4-5-6-jd1-15-16-jd2-1。
[0078]
在本实施例中，步骤s3具体包括：当一多边形与已知通孔多边形相交，交点、已知通孔多边形的顶点，以及该多边形的顶点组成点集；确定有效包络：若所述点集中的某些点组成的包络中包括某个多边形的顶点和该一多边形与已知通孔多边形的交点，则该包络为有效包络；确定所有有效包络中的通孔部分：若一有效包络中，包括相邻的两个该多边形与已知通孔多边形的交点，且两个交点之间没有一多边形在另一多边形内部的点，则该有效包络为通孔部分；所述真实通孔部分面积为所有通孔部分面积之和。
[0079]
示例地，在图6中有多边形1(外环1-2-3-4-1，内环5-6-7-8-5)及多边形2(9-10-11-12-13-14-15-9)，其中内环5-6-7-8-5表示已知通孔，这是技术人员通过已知的低轨航天器的情况得知的。以6-jd1-jd8-5-6部分为例，以6为起点，按点集顺序找下一个有效包络内多边形1任意一个在多边形2外部的顶点或者交点找到jd1，切换到多边形2上，找到离jd1最近的有效包络内多边形2上在多边形1外部的顶点或交点jd8，切换到多边形1上，找到5，最后回到6。有效包络6-jd1-jd8-5-6中包括相邻的两个交点，即jd1和jd8，并且两个交点之间没有一多边形在另一多边形内部的点，则有效包络6-jd1-jd8-5-6为通孔部分。
[0080]
再以有效包络jd2-jd3-11-jd2为例，有效包络jd2-jd3-11-jd2内多边形1没有在多边形2外部的顶点，jd2和jd3为多边形1上连续两个交点，以jd3为起点，在多边形2上找离该交点最近的且在多边形1外部的顶点11，去掉11，在剩余点集中找离11最近的且在多边形1外部的顶点或交点，找到jd2，回到jd3。有效包络jd2-jd3-11-jd2也包括相邻的两个交点，即jd2和jd3，且两个交点之间没有一多边形在另一多边形内部的点，则有效包络jd2-jd3-11-jd2也为通孔部分。
[0081]
上述两个通孔部分需要再迎风面计算时剔除。
[0082]
基于同一发明构想，基于同一发明构想，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现所述低轨航天器迎风面计算方法。
[0083]
所述处理器在一些实施例中可以是中央处理器(central processing unit，cpu)、控制器、微控制器、微处理器(例如gpu(graphics processing unit-图形处理器))、或其他数据处理芯片。该处理器通常用于控制所述电子设备的总体操作。本实施例中，所述处理器用于运行所述存储器中存储的程序代码或者处理数据，例如运行所述低轨航天器迎风面计算方法的程序代码。
[0084]
所述存储器至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，sd或dx存储器等)、随机访问存储器(ram)、静态随机访问存储器(sram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、可编程只读存储
器(prom)、磁性存储器、磁盘、光盘等。在一些实施例中，所述存储器可以是所述电子设备的内部存储单元，例如该电子设备的硬盘或内存。在另一些实施例中，所述存储器也可以是所述电子设备的外部存储设备，例如该电子设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)等。当然，所述存储器还可以既包括所述电子设备的内部存储单元也包括其外部存储设备。本实施例中，所述存储器通常用于存储安装于所述电子设备的操作方法和各类应用软件，例如所述低轨航天器迎风面计算方法的程序代码等。此外，所述存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的各类数据。
[0085]
基于同一发明构想，本发明还提供一种可读存储介质，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现所述低轨航天器迎风面计算方法。
[0086]
本发明的优点在于提供的低轨航天器迎风面计算方法，对于凸多边形和凹多边形均适用、对多边形出现有孔的情况适用、对两多边形有多个重叠部分的情况适用；进一步地，该方法对于球体、圆柱体或其他不规则的非多面体结构，可在保证计算效率和准确性的情况下尽可能的对其表面进行分割，划分后构成近似等效的多面体；再进一步地，通过本方法可以准确的计算出航天器有效迎风面，进而可得到航天器所受气动力、气动力矩，解决速度方向上航天器上结构互相遮挡情况下造成重叠部分重复计算、某些复杂结构迎风面积多算或少算、非等效的整体计算而采取多个迎风面独立计算效率低的问题。
[0087]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。