[发明专利]一种复杂外形航天器投影面积的确定方法及系统

说明书

一种复杂外形航天器投影面积的确定方法和系统，借鉴统计学中Monte Carlo技术的思想，结合计算几何学中基本的射线与三角形相交理论，发展了一种鲁棒性和通用性都较好的复杂外形航天器沿任意方向投影面积的计算方法。首先，构建一个恰好包围航天器外表面的长方体盒子，该长方体有一个表面垂直于投影方向；然后，确定产生试验粒子的边界矩形，边界矩形所在平面垂直于投影方向，且位于包围盒子的上游；再次，在边界矩形产生试验粒子，并跟踪其运动轨迹，判断轨迹是否与航天器表面相交，若相交则使相交试验粒子数递增1；最后，重复上一步过程直至试验粒子总数足够大，以保证计算结果收敛，根据相交试验粒子数和产生的试验粒子总数统计出航天器的投影面积。

技术领域

本发明涉及一种复杂外形航天器投影面积的确定方法及系统，属于飞行器气动特性设计和姿态轨道控制技术领域。

背景技术

近年来，由于重力场和稳态海洋环流精确测量的需要，超低地球轨道(200-500km)航天器逐渐展现出广阔的应用前景，然而，实现重力梯度精确测量的先决条件是低轨卫星气动阻力的准确计算。气动阻力主要由当地大气密度、阻力系数和卫星沿运动方向的投影面积共同决定。当地大气密度一般由大气模型给出，气动阻力系数可以查阅数据库，还需要解决的问题就是计算其沿运动方向的投影面积。

最近，太阳帆探测器在深空探测领域显示出了巨大的潜力，因为其利用太阳光压力获取推动力，不需要携带大量推进剂。虽然太阳光压很小，但持续地加速可使探测器达到一个可观的速度，最终可达到传统航天器5-10倍的速度。太阳帆探测器的姿态和轨道控制系统需要太阳光压力的输入，太阳光压力则与太阳通量、太阳帆表面反射率和沿光线方向的投影面积有关。太阳通量为物理常数，反射率为材料属性，可通过查阅相关手册或实验测量获得，太阳光压力的计算就归结为太阳帆沿光线方向投影面积的计算。

此外，航天器防护系统设计和风险评估中重要的一环是微流星体或空间碎片与航天器部件撞击概率的预估，其前提是提供航天器及其各个部件在给定威胁攻击方向上的投影面积。同时，卫星沿某一方向的投影面积更直接是其姿态控制的必要输入参数，比如太阳瞄准(Sun-pointing)姿态模式需要输入卫星沿太阳光线方向的投影面积，最小或最大阻力(minimum-drag or maximum-drag)姿态模式则需要识别并计算出卫星的最小或最大投影面积。

生成几何实体沿某方向的投影，在计算机图形学领域称为遮挡算法，是计算几何实体投影面积的一种直观数值方法，至今仍在不断的研究和完善之中。目前，计算机图形学广泛使用的投影算法是光线投射和光线追踪方法：光线投射方法计算从光源发射出的光线与几何实体表面的交点，通过最小距离识别出可见面(非可见面为背光面)，然后采用多边形投影算法对可见面进行投影即可生成几何实体的投影图像；光线追踪方法在光线投射方法的基础上，考虑了光线散射和反射效应。

然而，无论是低轨卫星大气阻力、太阳帆探测器光压的计算，还是航天器防护设计与风险评估，以及航天器姿态控制，都只需要航天器(部件)投影面积的输入，通过计算机图形学的方法生成投影图像再计算投影面积显然耗时耗力。国外有研究人员基于凸多边形理论，发展了一种计算航天器沿任意方向投影面积的解析方法。由于每个过程均采用解析解的形式来实现，该方法的计算效率很高。然而，复杂外形的航天器进行多边形离散后，其投影多边形难免存在两两相交甚至三个或三个以上多边形同时相交的情形，导致计算投影多边形相交部分的面积极端困难，甚至不可能。而且，解析的特性导致其鲁棒性和通用性较差，某些极端情况下，计算机固有的舍入误差会导致错误的计算结果。航天器外形越复杂，出现极端情况的可能性越大。因此，上述解析方法虽然高效，却很难应用于航天工程实践中。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种复杂外形航天器沿任意方向投影面积的确定方法及系统，解决了现有技术中无法计算复杂外形航天器投影面积如的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种复杂外形航天器投影面积的确定方法，包括以下步骤：