衛星空間環境效應評估可視化應用技術探索

張海英，趙永平，李 鵬

（北京衛星環境工程研究所， 北京 100094）

衛星空間環境效應評估可視化應用技術探索

張海英，趙永平，李 鵬

（北京衛星環境工程研究所， 北京 100094）

衛星設計人員在設計階段要參考空間環境效應評估數據，這些大量抽象枯燥的數據難以直觀地說明空間環境效應對衛星的影響。文章著重討論了對空間環境效應試驗數據與計算數據進行可視化應用的方法和步驟，并對由此建立的可視化系統進行了描述。可視化系統的應用便于設計人員在衛星設計階段有效評估空間環境效應對衛星可靠性的影響，能及時修正設計模型。

空間環境效應；三維模型；可視化

0 引言

內帶電、表面帶電、污染及輻照等空間環境效應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境效應引起的某些部件發生故障而導致整個系統癱瘓，必須在衛星設計階段評估空間環境效應對航天器壽命與可靠性的影響[1]。而對于評估所產生的大量試驗數據和計算數據，僅通過人工分析來理解這些數據是非常困難的，如何將大量抽象的評估數據以直觀的方式提供給衛星設計人員是亟待解決的問題。

本文利用可視化技術[2]、信息技術及三維仿真技術將大量的內帶電效應、表面帶電效應、污染效應及輻照效應的試驗數據和計算數據轉換為作用于衛星各部件的空間環境效應三維圖像[3]；根據試驗數據及計算數據生成對應于其時間特性的空間環境效應的二維圖形，觀察數據分布情況，模擬顯示衛星在軌期間任一時刻及全壽命周期的空間環境效應影響結果；根據設計要求驗證衛星在軌期間各部件在空間環境效應作用下工作的有效性。可視化應用有助于衛星設計人員直觀地理解空間環境效應的數據分布及變化趨勢，在設計階段正確評估空間環境效應對衛星的影響，及時修正設計模型。

1 可視化的方法及步驟

空間環境效應評估可視化首先要解決數據源的問題，即將可視化應用所需數據從各單一效應的數據服務器提取出來，并重新組織存儲；其次要建立衛星三維模型，并對三維模型進行優化；另外，要定義數據顏色映射方法，并為各環境效應的顯示選擇合適的可視化方法，生成三維圖像；最后，定義靈活的數據顯示方式，滿足衛星設計人員的需要。

1.1 數據源過濾及組織

空間環境效應評估的試驗數據和計算數據來自多個不同的專業，這些數據由不同的計算軟件生成，分散在不同的數據服務器上，數據來源的多樣性決定了數據格式的多樣性，并且各種空間環境效應的可視化方式也存在很大差異。因此確定各環境效應可視化的采樣數據，明確從各專業的數據中集中提取作為可視化的基本數據源的方法及有效組織存儲這些數據，是空間環境效應可視化需解決的首要問題。

空間環境效應評估可視化數據都是離散的采樣數據，根據可視化的需要，它目前主要涉及 7個方面的數據：

1）空間環境在一個太陽活動周期內（11年）的電子密度數據，用于構建三維空間環境模型；

2）衛星外形圖。衛星外形尺寸數據，太陽能電池陣、天線、OSR片外形圖及尺寸，各10 N發動機尺寸、坐標及偏角，星內電路板剖面圖，太陽能電池片組成及剖面圖等，用于構造衛星三維模型；

3）分子污染作用于太陽能電池陣及OSR片的各網格坐標，羽流污染作用于 OSR片的各網格坐標，衛星壽命期內各個時間對應在各個網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。用于生成污染效應圖像，評估太陽能電池陣及OSR片工作狀態；

4）衛星壽命期內在輻照效應作用下，各個時間的多層外表面及天線漆的太陽吸收比及其閾值，用于生成輻照效應圖像，評估天線的工作狀態；

5）內帶電效應下的星內電路板各層充電過程數據、電場強度閾值，用于生成內帶電效應圖像，評估星內電路板的工作狀態；

6）衛星內各電路板坐標、幾何尺寸以及衛星壽命期內各個時間電子通量數據用于評估驗證各電路板元器件的安全工作區域；

7）太陽電池片一次放電的時間、電壓數據，二次放電電流、電壓數據，一次放電到二次放電的轉化率，相鄰兩個電池串的最大電壓、母線電流等，用以生成太陽電池片表面帶電效應的圖像及數據變化曲線，評估太陽電池片的工作狀態。

上述除衛星和空間環境三維模型數據外，空間環境效應試驗數據和計算數據從各專業的數據服務器提取過濾得到，重新組織成包含來源、定義域的維數、組織形式、時間特性及數據量等屬性的標準格式，統一存放在數據庫中，作為可視化的基本數據源。

1.2 衛星模型的構建

構建衛星模型主要是利用計算機圖形技術創建真實的衛星三維形狀場景，以展示衛星各部件對應的空間環境效應，這是整個可視化的重要組成部分，對于提高數據可視化效果起著關鍵的作用。建立真實的衛星模型需要準確的結構、精確的尺寸以及逼真的顏色映射。由于衛星模型結構復雜，所以可采用專業的三維圖形設計軟件構造。另外，空間環境效應作用于衛星的各個部件，可在衛星建模時對各部件分別建模，便于在可視化的過程中對各部件的獨立控制，確定各部件的空間位置及連接點位置參數，組成衛星整體模型，最后參照使用衛星圖片進行模型的紋理處理[4]。

1.3 三維模型優化

由于衛星三維模型和空間環境三維模型結構復雜、模型文件大，在可視化驅動三維模型時顯示速度不能達到實時顯示的要求。為了提高可視化的速度，采用有效的壓縮算法和分割技術對三維模型的圖像紋理數據和幾何數據進行壓縮優化，在保證不丟失主要信息的前提下，使文件減小，提高系統的運行速度。

1.4 數據-顏色映射

可視化過程中，為了使數據更加直觀，大量的數據以圖形、圖像的顏色來表示。由于涉及多種空間環境效應的可視化處理，試驗數據及計算數據這些基本數據源有很大的不確定因素，同時，不同衛星在設計階段對各環境效應的閾值要求也存在著不確定性，因此靈活的數據-顏色映射機制是必不可少的。數據-顏色的映射關系是在系統運行時根據空間環境效應數據庫的實際數據及設計要求動態生成的，例如在本設計中，任何一個部件的失效工作狀態均置為紅色，即紅色意味著此部件所受空間環境效應超出閾值。

1.5 三維可視化坐標變換

在進行空間環境效應的可視化過程中，關鍵要解決的問題是試驗數據、計算數據與衛星三維模型的匹配，需將各環境效應的坐標數據與衛星三維模型的坐標進行變換，形成統一的可視化坐標系統。

1.6 數據可視化方法

空間環境效應涉及到多個單一效應以及綜合效應，不同效應顯示的方式是不同的，因此要根據實際需要和數據源的特點來分別選擇合適的可視化方法，選擇的合理性直接關系到可視化系統的性能及實用性。空間環境效應可視化的過程是根據需要從數據庫中提取相關的試驗數據或計算數據，運用可視化的方法對數據進行處理，提取出數據中包含的各種環境效應的規律、現象，把不可見的信息直接形象地表現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，由提取的數據構造出中間幾何圖元，如平面、曲面等，再實現繪制，產生清晰的圖像。

1.7 空間環境效應模擬顯示

在空間環境效應的顯示中，利用人機交互技術，根據用戶的要求分析提取相應的數據，驅動三維模型，產生圖像，得到精確的可視化效果。由于太陽活動的周期是11年，衛星的發射時間都對應于太陽活動周期年的某一時間，在可視化的時間關系中，最終都以太陽活動的周期為參考坐標。為了能夠全面、準確、直觀地展示衛星的空間環境效應，設計了以下幾種顯示方式：

1）衛星總體運行狀態顯示。可全方位、動態地顯示整個衛星在各種空間環境效應作用下，任一時間各部件的空間環境效應圖像及工作狀態；

2）空間環境單一效應顯示。可顯示任一時間內帶電效應、表面帶電效應、污染效應、輻照效應等在衛星某一部件的作用結果圖像，同時根據試驗數據及計算數據動態生成對應空間環境效應的二維曲線；

3）空間污染和輻照環境的綜合效應顯示。顯示污染效應和輻照效應同時作用在太陽翼的綜合環境效應結果圖像，同時根據試驗數據及計算數據動態生成對應時刻空間環境效應的二維曲線；

4）衛星在軌期間空間環境效應顯示。以自動或手動的方式連續顯示衛星在軌期間各個時間、衛星在各種空間環境效應作用下的環境效應結果圖像。

圖1為星內電路板內帶電效應的可視化效果圖。

圖 1 電路板內帶電效應可視化Fig.1 Visualization of PCB internal charging effect

2 可視化系統結構

基于上述分析建立的可視化系統主要由衛星三維模型、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、空間環境效應數據庫5部分組成，如圖2所示。三維模型主要功能是建立空間環境及衛星的三維模型；三維模型與可視化邏輯處理接口的功能是應用三維模型與可視化系統接口將衛星及空間環境的三維模型數據轉換為可視化繪制模塊可識別的數據格式，并進行三維模型優化；可視化邏輯處理模塊根據空間環境數據庫中存儲的試驗數據及計算數據繪制三維圖像，驅動三維模型；交互展示的功能是獲取用戶的指令，響應用戶要求，在屏幕生成并顯示可視化三維圖像；空間環境效應數據庫可存儲可視化系統需要的各空間環境效應試驗數據及計算數據。本系統采用面向對象技術和模塊化技術，將衛星各環境效應的可視化的各個功能進行模塊化，為后續的系統擴展帶來更大的靈活性。

圖 2 可視化系統結構Fig.2 Structure of the visualization system

3 結束語

本文介紹了空間環境效應試驗數據和計算數據可視化應用的方法和步驟，基于這種方法所建立的可視化系統可對衛星在軌期間由于空間環境效應導致的性能退化進行靈活、有效、快速地預示，可為設計人員在衛星設計階段提供有效評估空間環境效應對衛星影響的手段，快速提高研究人員及衛星設計人員的工作效率，對長壽命、高可靠衛星的研究設計工作將發揮重要作用。

（References）

[1]黃本誠.空間環境工程學[M].北京:宇航出版社,1993

[2]李曉梅,黃朝暉.科學計算可視化導論[M].長沙:國防科技大學出版社,1996

[3]李云峰.現代計算機可視化技術的研究與發展[J].計算技術與自動化,2002,21(4):75-78

[4]董全武,梁訓東.一種實體紋理的設計方法和實現[J].計算機輔助設計與圖形學學報,2000,12 (6)

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目

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

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

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2010.03.020