基于太阳翼活动姿态的原子氧或紫外通量蒙特卡罗模拟法

1.本发明涉及航天器仿真计算技术领域，具体而言，涉及一种基于太阳翼活动姿态的原子氧或紫外通量蒙特卡罗模拟法。


背景技术：

2.目前，现有技术中的仿真软件大多采用蒙特卡罗模拟来计算航天器表面各单元的的原子氧/紫外辐照通量。在太阳翼固定姿态下，航天器表面各剖分单元多边形顶点在本体坐标系坐标系下的坐标可依据航天器轨道点参数和飞行朝向计算得到，进而计算模拟粒子碰触的表面剖分单元。这种方案的整体计算逻辑虽然简单，却会造成太阳翼及其周围表面单元原子氧/紫外辐照通量存在较大偏差。这是由于航天器服役期间，太阳翼始终朝向太阳光照方向，也就是说它相对于本体坐标系坐标系的姿态是活动的。太阳翼活动姿态不仅影响太阳翼表面各剖分单元的原子氧/紫外辐照通量，还由于活动姿态造成的遮挡关系影响其它组件表面剖分单元原子氧/紫外辐照通量的计算。因此，忽略太阳翼活动姿态将造成航天器表面单元原子氧/紫外辐照通量的数值大小和分布规律，进而影响剥蚀/掏蚀效应仿真计算，最终影响表面涂层材料的优化选择。


技术实现要素：

3.本发明解决的问题是现有技术中采用蒙特卡罗模拟计算航天器表面各单元的的原子氧/紫外辐照通量的方法忽略了太阳翼活动姿态，会影响航天器表面单元原子氧/紫外辐照通量的数值大小和分布规律，进而影响剥蚀/掏蚀效应仿真计算，最终影响表面涂层材料的优化选择。
4.为解决上述问题，本发明提供一种基于太阳翼活动姿态的原子氧或紫外通量蒙特卡罗模拟法，包括如下步骤:
5.步骤s1,建立或导入航天器几何模型数据，并根据与航天器表面的相关度，将所述航天器的各组件分成可见组件和非可见组件；
6.步骤s2,将各个所述可见组件的几何体表面进行网格剖分，生成对应的多边形网格文件；
7.步骤s3,在所述航天器几何模型上，选择太阳翼基准点参数，并设置太阳翼旋转轴线；
8.步骤s4,读取航天器运动轨道文件，根据每个轨道点的运动参数和太阳光照方向确定航天器本体变换四元数参数，并根据所述太阳翼旋转轴线和所述太阳光照方向确定太阳翼旋转角度参数；
9.步骤s5,根据所述航天器本体变换四元数参数和/或所述太阳翼旋转角度参数，生成航天器运动轨道点的各个多边形网格数据；
10.步骤s6,根据所述航天器运动轨道点的各个多边形网格数据，进行航天器表面原子氧通量或紫外通量的蒙特卡罗模拟计算，得到所述航天器表面原子氧通量或紫外通量。
11.较佳地，步骤s1中，所述根据与航天器表面的相关度，将所述航天器的各组件分成可见组件和非可见组件，包括：若所述航天器的任意一个组件与航天器表面相关，则确定所述组件为可见组件；若所述航天器的任意一个组件与所述航天器表面无关，则确定所述组件为非可见组件。
12.较佳地，步骤s2中,每个所述可见组件表面剖分的网格单元在所述多边形网格文件中连续存放，并记录所述网格单元的起止编号。
13.较佳地，步骤s2中,将各个所述可见组件的几何体表面进行网格剖分，包括：根据预先设定的剖分单元大小参数，将各个所述可见组件的几何体表面进行网格剖分。
14.较佳地，步骤s4中，所述太阳光照方向由右手法则确定。
15.较佳地，步骤s5中，在根据所述航天器本体变换四元数参数和/或所述太阳翼旋转角度参数生成航天器运动轨道点的各个多边形网格数据之前，包括：步骤s51，根据所述航天器本体变换的四元数参数，生成航天器非太阳翼表面单元多边形顶点的本体坐标系坐标。
16.较佳地，步骤s5中，所述根据所述航天器本体变换四元数参数和/或所述太阳翼旋转角度参数，生成航天器运动轨道点的各个多边形网格数据，还包括：步骤s52，根据所述航天器本体变换的四元数参数和所述太阳翼旋转角度参数，生成航天器太阳翼表面单元多边形顶点的本体坐标系坐标。
17.较佳地，步骤s52中，所述根据所述航天器本体变换的四元数参数和所述太阳翼旋转角度参数，生成太阳翼表面单元多边形顶点的本体坐标系坐标系，包括：将所述太阳翼基准点及所述太阳翼旋转轴线按照所述航天器本体变换的四元数参数进行转换，并将所述太阳翼表面单元多边形顶点按照所述航天器本体变换的四元数参数和所述太阳翼旋转角度参数进行转换，生成航天器太阳翼表面单元多边形顶点的本体坐标系坐标。
18.较佳地，在步骤s4和步骤s5之间，还包括：将所述航天器各组件的网格文件进行重组，生成航天器初始姿态网格文件。
19.较佳地，步骤s5中，所述根据所述航天器本体变换四元数参数和/或所述太阳翼旋转角度参数，生成航天器运动轨道点的各个多边形网格数据，还包括：步骤s53，根据航天器非太阳翼表面单元多边形顶点的本体坐标系坐标、所述航天器太阳翼表面单元多边形顶点的本体坐标系坐标以及所述航天器初始姿态网格文件的组装顺序，组装不同的多边形网格单元，生成航天器运动轨道点的各个多边形网格数据。
20.本发明中的基于太阳翼活动姿态的原子氧或紫外通量蒙特卡罗模拟法相对于现有技术的优势在于：本发明深度融合航天器建模、表面网格剖分和轨道数据等要素，合理布局计算流程，准确、高效地完成太阳翼活动姿态下航天器表面原子氧/紫外辐照通量的蒙特卡罗模拟，达到提高原子氧/紫外辐照通量及其分布计算精度的目的。其中，高效性源自本发明不修改蒙特卡罗模拟过程的整体逻辑，便于结合多核并行和数据剪除技术完成计算过程。准确性源自本发明有效地改造了蒙特卡罗模拟与计算过程，使得航天器运动轨道各点在本体坐标系坐标系下的姿态数据能够准确反映太阳翼当前的旋转角度和遮挡关系，且步骤简单，易于实现，提高原子氧/紫外辐照通量的精度，降低了航天器表面原子氧/紫外辐照通量的计算、使用和研究的成本，具有重大的意义。在航天器仿真软件推广、教学、演示和航天器表面涂层材料优化选择等技术应用中，有着明显的优势和广泛的应用前景。
附图说明
21.图1为本发明实施例中基于太阳翼活动姿态的原子氧或紫外通量蒙特卡罗模拟法流程图；
22.图2为本发明实施例中基于太阳翼活动姿态的原子氧通量蒙特卡罗模拟法计算结果示意图；
23.图3为本发明实施例中未设置太阳翼的航天器表面原子氧通量的蒙特卡罗模拟方法计算结果示意图；
24.图4为本发明实施例中基于太阳翼活动姿态的紫外通量蒙特卡罗模拟法计算结果示意图；
25.图5为本发明实施例中未设置太阳翼的航天器表面紫外通量的蒙特卡罗模拟方法计算结果示意图。
具体实施方式
26.下面将结合附图对本技术实施例中的技术方案进行清楚、详尽地描述。
27.在本技术实施例的描述中，术语“一些实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
28.还需要说明的是，在本技术实施例的描述中，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
29.如图1所示，为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于太阳翼活动姿态的原子氧或紫外通量蒙特卡罗模拟法，包括如下步骤:
30.步骤s1,建立或导入航天器几何模型数据，并根据与航天器表面的相关度，将所述航天器的各组件分成可见组件和非可见组件；
31.步骤s2,将各个所述可见组件的几何体表面进行网格剖分，生成对应的多边形网格文件；
32.步骤s3,在所述航天器几何模型上，选择太阳翼基准点参数，并设置太阳翼旋转轴线；
33.步骤s4,读取航天器运动轨道文件，根据每个轨道点的运动参数和太阳光照方向确定航天器本体变换四元数参数，并根据所述太阳翼旋转轴线和所述太阳光照方向确定太阳翼旋转角度参数；
34.步骤s5,根据所述航天器本体变换四元数参数和/或所述太阳翼旋转角度参数，生成航天器运动轨道点的各个多边形网格数据；
35.步骤s6,根据所述航天器运动轨道点的各个多边形网格数据，进行航天器表面原子氧通量或紫外通量的蒙特卡罗模拟计算，得到所述航天器表面原子氧通量或紫外通量。
36.本实施例在蒙特卡罗模拟过程的预处理阶段，合理融合航天器建模、表面网格剖
分、空间轨道数据等要素，生成航天器运动轨道点的各个多边形网格数据，而不改变蒙特卡罗模拟过程的整体逻辑，能够高效、准确完成太阳翼活动姿态条件下航天器表面原子氧/紫外辐照通量及其分布计算。步骤简单，易于实现，提高原子氧/紫外辐照通量的精度，降低了航天器表面原子氧/紫外辐照通量的计算、使用和研究的成本，具有重大的意义。在航天器仿真软件推广、教学、演示和航天器表面涂层材料优化选择等技术应用中，有着明显的优势和广泛的应用前景。
37.在一些实施例中，步骤s1中，所述根据与航天器表面的相关度，将所述航天器的各组件分成可见组件和非可见组件，包括：若所述航天器的任意一个组件与航天器表面相关，则确定所述组件为可见组件；若所述航天器的任意一个组件与所述航天器表面无关，则确定所述组件为非可见组件。由此，对航太年起各组件合理建模，便于后续计算。
38.在一些实施例中，步骤s2中,每个所述可见组件表面剖分的网格单元在所述多边形网格文件中连续存放，并记录所述网格单元的起止编号。由此，便于快速定位太阳翼表面各剖分单元的位置，以便于后续准确地确定航天器运动轨道点的各个多边形网格数据，提高计算精度。
39.在一些实施例中，步骤s2中,将各个所述可见组件的几何体表面进行网格剖分，包括：根据预先设定的剖分单元大小参数，将各个所述可见组件的几何体表面进行网格剖分。由此，节省空间。
40.在一些实施例中，步骤s4中，所述太阳光照方向由右手法则确定。方法简单，计算准确。
41.需要说明的是，步骤s4中，每个轨道点的运动参数和太阳光照方向是通过读取航天器的运动轨道文件，并经过解析后得到，方法简单。
42.在一些实施例中，步骤s5中，在根据所述航天器本体变换四元数参数和/或所述太阳翼旋转角度参数生成航天器运动轨道点的各个多边形网格数据之前，包括：步骤s51，根据所述航天器本体变换的四元数参数，生成航天器非太阳翼表面单元多边形顶点的本体坐标系坐标。便于后续数据的处理和变换。
43.在一些实施例中，步骤s5中，所述根据所述航天器本体变换四元数参数和/或所述太阳翼旋转角度参数，生成航天器运动轨道点的各个多边形网格数据，还包括：步骤s52，根据所述航天器本体变换的四元数参数和所述太阳翼旋转角度参数，生成航天器太阳翼表面单元多边形顶点的本体坐标系坐标。由此，能够高效、准确完成太阳翼活动姿态条件下航天器表面原子氧/紫外辐照通量及其分布计算。
44.在一些实施例中，步骤s52中，所述根据所述航天器本体变换的四元数参数和所述太阳翼旋转角度参数，生成太阳翼表面单元多边形顶点的本体坐标系坐标系，包括：将所述太阳翼基准点及所述太阳翼旋转轴线按照所述航天器本体变换的四元数参数进行转换，并将所述太阳翼表面单元多边形顶点按照所述航天器本体变换的四元数参数和所述太阳翼旋转角度参数进行转换，生成航天器太阳翼表面单元多边形顶点的本体坐标系坐标。由此，方法简单，提高计算效率。
45.在一些实施例中，在步骤s4和步骤s5之间，还包括：将所述航天器各组件的网格文件进行重组，生成航天器初始姿态网格文件。由此，便于后续数据统计。
46.在一些实施例中，步骤s5中，所述根据所述航天器本体变换四元数参数和/或所述
太阳翼旋转角度参数，生成航天器运动轨道点的各个多边形网格数据，还包括：步骤s53，根据航天器非太阳翼表面单元多边形顶点的本体坐标系坐标、所述航天器太阳翼表面单元多边形顶点的本体坐标系坐标以及所述航天器初始姿态网格文件的组装顺序，组装不同的多边形网格单元，生成航天器运动轨道点的各个多边形网格数据。由此，能够在不改变蒙特卡罗模拟整体逻辑的条件下使得蒙特卡罗模拟结果准确反映太阳翼活动姿态，计算准确，提高了计算精度。
47.因此，本实施例深度融合航天器建模、表面网格剖分和轨道数据等要素，合理布局计算流程，准确、高效地完成太阳翼活动姿态下航天器表面原子氧/紫外辐照通量的蒙特卡罗模拟，达到提高原子氧/紫外辐照通量及其分布计算精度的目的。其中，高效性源自本发明不修改蒙特卡罗模拟过程的整体逻辑，便于结合多核并行和数据剪除技术完成计算过程。准确性源自本发明有效地改造了蒙特卡罗模拟与计算过程，使得航天器运动轨道各点在本体坐标系坐标系下的姿态数据能够准确反映太阳翼当前的旋转角度和遮挡关系，且步骤简单，易于实现，提高原子氧/紫外辐照通量的精度，降低了航天器表面原子氧/紫外辐照通量的计算、使用和研究的成本，具有重大的意义。在航天器仿真软件推广、教学、演示和航天器表面涂层材料优化选择等技术应用中，有着明显的优势和广泛的应用前景。
48.为了验证本实施例中基于太阳翼活动姿态的原子氧或紫外通量蒙特卡罗模拟法的有效性，本实施例中采用相同的网格密度、粒子数、粒子反射数，进行未设置太阳翼的蒙特卡罗的原子氧或紫外通量的模拟方法的计算，以此作为对比。如图2-5所示，图2为本发明实施例中基于太阳翼活动姿态的原子氧通量蒙特卡罗模拟法计算结果示意图，图3为本发明实施例中未设置太阳翼的航天器表面原子氧通量的蒙特卡罗模拟方法计算结果示意图，图4为本发明实施例中基于太阳翼活动姿态的紫外通量蒙特卡罗模拟法计算结果示意图，图5为本发明实施例中未设置太阳翼的航天器表面紫外通量的蒙特卡罗模拟方法计算结果示意图，且图2和图3中，原子氧通量的大小通过颜色的深浅变化表示，颜色越深，原子氧通量越大；图4和图5中，紫外辐照通量的大小通过颜色的深浅变化表示，颜色越深，紫外辐照通量越大。由此可以看出，本实施例中基于太阳翼活动姿态的原子氧或紫外通量蒙特卡罗模拟法与本实施例中未设置太阳翼的蒙特卡罗的原子氧或紫外通量的模拟方法相比，计算结果更符合实际。
49.虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。