衛(wèi)星空間環(huán)境效應(yīng)評估可視化應(yīng)用技術(shù)探索

張海英，趙永平，李 鵬

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所， 北京 100094）

衛(wèi)星空間環(huán)境效應(yīng)評估可視化應(yīng)用技術(shù)探索

張海英，趙永平，李 鵬

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所， 北京 100094）

衛(wèi)星設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段要參考空間環(huán)境效應(yīng)評估數(shù)據(jù)，這些大量抽象枯燥的數(shù)據(jù)難以直觀地說明空間環(huán)境效應(yīng)對衛(wèi)星的影響。文章著重討論了對空間環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化應(yīng)用的方法和步驟，并對由此建立的可視化系統(tǒng)進(jìn)行了描述?？梢暬到y(tǒng)的應(yīng)用便于設(shè)計(jì)人員在衛(wèi)星設(shè)計(jì)階段有效評估空間環(huán)境效應(yīng)對衛(wèi)星可靠性的影響，能及時(shí)修正設(shè)計(jì)模型。

空間環(huán)境效應(yīng)；三維模型；可視化

0 引言

內(nèi)帶電、表面帶電、污染及輻照等空間環(huán)境效應(yīng)對航天器在軌壽命與可靠性有著重要的影響。為了避免由于空間環(huán)境效應(yīng)引起的某些部件發(fā)生故障而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，必須在衛(wèi)星設(shè)計(jì)階段評估空間環(huán)境效應(yīng)對航天器壽命與可靠性的影響[1]。而對于評估所產(chǎn)生的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)，僅通過人工分析來理解這些數(shù)據(jù)是非常困難的，如何將大量抽象的評估數(shù)據(jù)以直觀的方式提供給衛(wèi)星設(shè)計(jì)人員是亟待解決的問題。

本文利用可視化技術(shù)[2]、信息技術(shù)及三維仿真技術(shù)將大量的內(nèi)帶電效應(yīng)、表面帶電效應(yīng)、污染效應(yīng)及輻照效應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為作用于衛(wèi)星各部件的空間環(huán)境效應(yīng)三維圖像[3]；根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)生成對應(yīng)于其時(shí)間特性的空間環(huán)境效應(yīng)的二維圖形，觀察數(shù)據(jù)分布情況，模擬顯示衛(wèi)星在軌期間任一時(shí)刻及全壽命周期的空間環(huán)境效應(yīng)影響結(jié)果；根據(jù)設(shè)計(jì)要求驗(yàn)證衛(wèi)星在軌期間各部件在空間環(huán)境效應(yīng)作用下工作的有效性。可視化應(yīng)用有助于衛(wèi)星設(shè)計(jì)人員直觀地理解空間環(huán)境效應(yīng)的數(shù)據(jù)分布及變化趨勢，在設(shè)計(jì)階段正確評估空間環(huán)境效應(yīng)對衛(wèi)星的影響，及時(shí)修正設(shè)計(jì)模型。

1 可視化的方法及步驟

空間環(huán)境效應(yīng)評估可視化首先要解決數(shù)據(jù)源的問題，即將可視化應(yīng)用所需數(shù)據(jù)從各單一效應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器提取出來，并重新組織存儲；其次要建立衛(wèi)星三維模型，并對三維模型進(jìn)行優(yōu)化；另外，要定義數(shù)據(jù)顏色映射方法，并為各環(huán)境效應(yīng)的顯示選擇合適的可視化方法，生成三維圖像；最后，定義靈活的數(shù)據(jù)顯示方式，滿足衛(wèi)星設(shè)計(jì)人員的需要。

1.1 數(shù)據(jù)源過濾及組織

空間環(huán)境效應(yīng)評估的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)來自多個(gè)不同的專業(yè)，這些數(shù)據(jù)由不同的計(jì)算軟件生成，分散在不同的數(shù)據(jù)服務(wù)器上，數(shù)據(jù)來源的多樣性決定了數(shù)據(jù)格式的多樣性，并且各種空間環(huán)境效應(yīng)的可視化方式也存在很大差異。因此確定各環(huán)境效應(yīng)可視化的采樣數(shù)據(jù)，明確從各專業(yè)的數(shù)據(jù)中集中提取作為可視化的基本數(shù)據(jù)源的方法及有效組織存儲這些數(shù)據(jù)，是空間環(huán)境效應(yīng)可視化需解決的首要問題。

空間環(huán)境效應(yīng)評估可視化數(shù)據(jù)都是離散的采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)可視化的需要，它目前主要涉及 7個(gè)方面的數(shù)據(jù)：

1）空間環(huán)境在一個(gè)太陽活動(dòng)周期內(nèi)（11年）的電子密度數(shù)據(jù)，用于構(gòu)建三維空間環(huán)境模型；

2）衛(wèi)星外形圖。衛(wèi)星外形尺寸數(shù)據(jù)，太陽能電池陣、天線、OSR片外形圖及尺寸，各10 N發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸、坐標(biāo)及偏角，星內(nèi)電路板剖面圖，太陽能電池片組成及剖面圖等，用于構(gòu)造衛(wèi)星三維模型；

3）分子污染作用于太陽能電池陣及OSR片的各網(wǎng)格坐標(biāo)，羽流污染作用于 OSR片的各網(wǎng)格坐標(biāo)，衛(wèi)星壽命期內(nèi)各個(gè)時(shí)間對應(yīng)在各個(gè)網(wǎng)格的分子污染層厚度、羽流污染層厚度、太陽吸收比、太陽吸收比閾值及功率損失閾值等。用于生成污染效應(yīng)圖像，評估太陽能電池陣及OSR片工作狀態(tài)；

4）衛(wèi)星壽命期內(nèi)在輻照效應(yīng)作用下，各個(gè)時(shí)間的多層外表面及天線漆的太陽吸收比及其閾值，用于生成輻照效應(yīng)圖像，評估天線的工作狀態(tài)；

5）內(nèi)帶電效應(yīng)下的星內(nèi)電路板各層充電過程數(shù)據(jù)、電場強(qiáng)度閾值，用于生成內(nèi)帶電效應(yīng)圖像，評估星內(nèi)電路板的工作狀態(tài)；

6）衛(wèi)星內(nèi)各電路板坐標(biāo)、幾何尺寸以及衛(wèi)星壽命期內(nèi)各個(gè)時(shí)間電子通量數(shù)據(jù)用于評估驗(yàn)證各電路板元器件的安全工作區(qū)域；

7）太陽電池片一次放電的時(shí)間、電壓數(shù)據(jù)，二次放電電流、電壓數(shù)據(jù)，一次放電到二次放電的轉(zhuǎn)化率，相鄰兩個(gè)電池串的最大電壓、母線電流等，用以生成太陽電池片表面帶電效應(yīng)的圖像及數(shù)據(jù)變化曲線，評估太陽電池片的工作狀態(tài)。

上述除衛(wèi)星和空間環(huán)境三維模型數(shù)據(jù)外，空間環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)從各專業(yè)的數(shù)據(jù)服務(wù)器提取過濾得到，重新組織成包含來源、定義域的維數(shù)、組織形式、時(shí)間特性及數(shù)據(jù)量等屬性的標(biāo)準(zhǔn)格式，統(tǒng)一存放在數(shù)據(jù)庫中，作為可視化的基本數(shù)據(jù)源。

1.2 衛(wèi)星模型的構(gòu)建

構(gòu)建衛(wèi)星模型主要是利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)創(chuàng)建真實(shí)的衛(wèi)星三維形狀場景，以展示衛(wèi)星各部件對應(yīng)的空間環(huán)境效應(yīng)，這是整個(gè)可視化的重要組成部分，對于提高數(shù)據(jù)可視化效果起著關(guān)鍵的作用。建立真實(shí)的衛(wèi)星模型需要準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)、精確的尺寸以及逼真的顏色映射。由于衛(wèi)星模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以可采用專業(yè)的三維圖形設(shè)計(jì)軟件構(gòu)造。另外，空間環(huán)境效應(yīng)作用于衛(wèi)星的各個(gè)部件，可在衛(wèi)星建模時(shí)對各部件分別建模，便于在可視化的過程中對各部件的獨(dú)立控制，確定各部件的空間位置及連接點(diǎn)位置參數(shù)，組成衛(wèi)星整體模型，最后參照使用衛(wèi)星圖片進(jìn)行模型的紋理處理[4]。

1.3 三維模型優(yōu)化

由于衛(wèi)星三維模型和空間環(huán)境三維模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、模型文件大，在可視化驅(qū)動(dòng)三維模型時(shí)顯示速度不能達(dá)到實(shí)時(shí)顯示的要求。為了提高可視化的速度，采用有效的壓縮算法和分割技術(shù)對三維模型的圖像紋理數(shù)據(jù)和幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮優(yōu)化，在保證不丟失主要信息的前提下，使文件減小，提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

1.4 數(shù)據(jù)-顏色映射

可視化過程中，為了使數(shù)據(jù)更加直觀，大量的數(shù)據(jù)以圖形、圖像的顏色來表示。由于涉及多種空間環(huán)境效應(yīng)的可視化處理，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)這些基本數(shù)據(jù)源有很大的不確定因素，同時(shí)，不同衛(wèi)星在設(shè)計(jì)階段對各環(huán)境效應(yīng)的閾值要求也存在著不確定性，因此靈活的數(shù)據(jù)-顏色映射機(jī)制是必不可少的。數(shù)據(jù)-顏色的映射關(guān)系是在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)根據(jù)空間環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)庫的實(shí)際數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)要求動(dòng)態(tài)生成的，例如在本設(shè)計(jì)中，任何一個(gè)部件的失效工作狀態(tài)均置為紅色，即紅色意味著此部件所受空間環(huán)境效應(yīng)超出閾值。

1.5 三維可視化坐標(biāo)變換

在進(jìn)行空間環(huán)境效應(yīng)的可視化過程中，關(guān)鍵要解決的問題是試驗(yàn)數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)與衛(wèi)星三維模型的匹配，需將各環(huán)境效應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星三維模型的坐標(biāo)進(jìn)行變換，形成統(tǒng)一的可視化坐標(biāo)系統(tǒng)。

1.6 數(shù)據(jù)可視化方法

空間環(huán)境效應(yīng)涉及到多個(gè)單一效應(yīng)以及綜合效應(yīng)，不同效應(yīng)顯示的方式是不同的，因此要根據(jù)實(shí)際需要和數(shù)據(jù)源的特點(diǎn)來分別選擇合適的可視化方法，選擇的合理性直接關(guān)系到可視化系統(tǒng)的性能及實(shí)用性?？臻g環(huán)境效應(yīng)可視化的過程是根據(jù)需要從數(shù)據(jù)庫中提取相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或計(jì)算數(shù)據(jù)，運(yùn)用可視化的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出數(shù)據(jù)中包含的各種環(huán)境效應(yīng)的規(guī)律、現(xiàn)象，把不可見的信息直接形象地表現(xiàn)出來并繪制到屏幕上。繪制的方法采用基于表層的可視化方法，由提取的數(shù)據(jù)構(gòu)造出中間幾何圖元，如平面、曲面等，再實(shí)現(xiàn)繪制，產(chǎn)生清晰的圖像。

1.7 空間環(huán)境效應(yīng)模擬顯示

在空間環(huán)境效應(yīng)的顯示中，利用人機(jī)交互技術(shù)，根據(jù)用戶的要求分析提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)三維模型，產(chǎn)生圖像，得到精確的可視化效果。由于太陽活動(dòng)的周期是11年，衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)間都對應(yīng)于太陽活動(dòng)周期年的某一時(shí)間，在可視化的時(shí)間關(guān)系中，最終都以太陽活動(dòng)的周期為參考坐標(biāo)。為了能夠全面、準(zhǔn)確、直觀地展示衛(wèi)星的空間環(huán)境效應(yīng)，設(shè)計(jì)了以下幾種顯示方式：

1）衛(wèi)星總體運(yùn)行狀態(tài)顯示?？扇轿?、動(dòng)態(tài)地顯示整個(gè)衛(wèi)星在各種空間環(huán)境效應(yīng)作用下，任一時(shí)間各部件的空間環(huán)境效應(yīng)圖像及工作狀態(tài)；

2）空間環(huán)境單一效應(yīng)顯示。可顯示任一時(shí)間內(nèi)帶電效應(yīng)、表面帶電效應(yīng)、污染效應(yīng)、輻照效應(yīng)等在衛(wèi)星某一部件的作用結(jié)果圖像，同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)生成對應(yīng)空間環(huán)境效應(yīng)的二維曲線；

3）空間污染和輻照環(huán)境的綜合效應(yīng)顯示。顯示污染效應(yīng)和輻照效應(yīng)同時(shí)作用在太陽翼的綜合環(huán)境效應(yīng)結(jié)果圖像，同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)生成對應(yīng)時(shí)刻空間環(huán)境效應(yīng)的二維曲線；

4）衛(wèi)星在軌期間空間環(huán)境效應(yīng)顯示。以自動(dòng)或手動(dòng)的方式連續(xù)顯示衛(wèi)星在軌期間各個(gè)時(shí)間、衛(wèi)星在各種空間環(huán)境效應(yīng)作用下的環(huán)境效應(yīng)結(jié)果圖像。

圖1為星內(nèi)電路板內(nèi)帶電效應(yīng)的可視化效果圖。

圖 1 電路板內(nèi)帶電效應(yīng)可視化Fig.1 Visualization of PCB internal charging effect

2 可視化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于上述分析建立的可視化系統(tǒng)主要由衛(wèi)星三維模型、三維模型與可視化邏輯處理接口、可視化邏輯處理、交互展示、空間環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)庫5部分組成，如圖2所示。三維模型主要功能是建立空間環(huán)境及衛(wèi)星的三維模型；三維模型與可視化邏輯處理接口的功能是應(yīng)用三維模型與可視化系統(tǒng)接口將衛(wèi)星及空間環(huán)境的三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可視化繪制模塊可識別的數(shù)據(jù)格式，并進(jìn)行三維模型優(yōu)化；可視化邏輯處理模塊根據(jù)空間環(huán)境數(shù)據(jù)庫中存儲的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)繪制三維圖像，驅(qū)動(dòng)三維模型；交互展示的功能是獲取用戶的指令，響應(yīng)用戶要求，在屏幕生成并顯示可視化三維圖像；空間環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)庫可存儲可視化系統(tǒng)需要的各空間環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和模塊化技術(shù)，將衛(wèi)星各環(huán)境效應(yīng)的可視化的各個(gè)功能進(jìn)行模塊化，為后續(xù)的系統(tǒng)擴(kuò)展帶來更大的靈活性。

圖 2 可視化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the visualization system

3 結(jié)束語

本文介紹了空間環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用的方法和步驟，基于這種方法所建立的可視化系統(tǒng)可對衛(wèi)星在軌期間由于空間環(huán)境效應(yīng)導(dǎo)致的性能退化進(jìn)行靈活、有效、快速地預(yù)示，可為設(shè)計(jì)人員在衛(wèi)星設(shè)計(jì)階段提供有效評估空間環(huán)境效應(yīng)對衛(wèi)星影響的手段，快速提高研究人員及衛(wèi)星設(shè)計(jì)人員的工作效率，對長壽命、高可靠衛(wèi)星的研究設(shè)計(jì)工作將發(fā)揮重要作用。

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Abstract:In this paper,we discuss the methodology to visualize the data of space environment effects.Based on the methodology,a visualization system is built as a powerful tool to help satellite designers evaluate the satellite reliability against space environment effects in the satellite design stage.

Key words:space environmental effects; three-dimensional model; visualization

Visualization for evaluation of satellite space environmental effects

Zhang Haiying,Zhao Yongping,Li Peng (Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering,Beijing 100094,China)

V416.5

B

1673-1379(2010)03-0364-03

10.3969/j.issn.1673-1379.2010.03.020

2009-04-24；

2009-05-26

航天科技基金資助項(xiàng)目

張海英（1974—），女，德國斯圖加特大學(xué)碩士學(xué)位，主要從事信息技術(shù)及仿真的研究工作。E-mail:haiying237@yahoo.com。

Article ID:1673-1379(2010)03-0364-03

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2010.03.020