基于可視化模型的可重構航天器概念設計方法

郭達維，劉莉，*，陳余軍，李文光，程松

（1.北京理工大學 宇航學院，北京100081； 2.中國空間技術研究院 通信衛星事業部，北京100094）

可重構航天器是模塊化即插即用技術與衛星平臺技術相結合的新型衛星系統［1］。這種具有標準接口、長期在軌運行的公用平臺通過多次發射及在軌組裝而形成，能夠大大提高在軌系統的靈活性、可擴展性和可維護性［2］。與傳統的航天器相比，可重構航天器具有標準化、可重構、面向在軌服務等優勢［3］，所以在概念設計階段，工程設計人員具有較大的創新空間［4］。

飛行器概念設計階段的關鍵問題是：如何快速給出多方案的對比分析，以便做出方案選擇。為了提升概念設計的水平，國內外學者針對概念設計階段的設計方法開展了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果。Feng等［5］提出了基于知識的可擴展的構建飛機概念設計系統的方法，并實現了一個民用飛機概念設計系統的構建。陳稗等［6］研究了民用飛機機身結構快速設計及自動化調整的方法，并在一個開放式飛機總體設計環境中開發實現了相應功能。McManus等［7］提出了一種考慮風險的方案選擇和概念設計過程，郭愛斌等［8］將其應用于衛星星座的概念設計中。楊金軍等［9］基于自頂向下（Top-down）設計模式實現了航天器桁架結構的快速設計。

與傳統航天器相比，可重構航天器概念設計階段需要考慮幾何和性能雙重約束，現有概念設計方法和工具難以滿足可重構航天器多方案快速設計評估需求。針對可重構航天器特點，面向其概念設計階段需求，本文給出了一種基于可視化模型的可重構航天器概念設計方法的研究及實現過程，并通過算例驗證了方法的有效性和平臺的可行性。

1 基于可視化模型的概念設計方法

概念設計階段就整體的設計過程而言，所花費的時間和經費成本并不突出，但是多數方案的提出和驗證以及關鍵性的決策均發生在該階段。對于可重構航天器，一方面由于其特殊的構成形式，具有高度的設計靈活性，另一方面其構型的合理性由幾何和性能兩方面同時約束。在考慮可重構航天器特點的同時，使工程設計人員發揮創造性并為設計方案迭代過程提供實現基礎是概念設計方法所應達到的目標。

本文所提出的基于可視化模型的概念設計方法如圖1所示，充分考慮了可重構航天器的特點及概念設計階段的實際需求。工程設計人員使用該方法對可重構航天器進行設計時，首先對可重構模塊的屬性參數進行設置，之后基于模型庫進行可視化建模，根據設計構思對可重構模塊進行拼接，所得的構型將進行質量、基頻特性評估及幾何約束判斷以供設計人員確定構型的合理性。對于合理性欠佳的構型修改屬性參數設置或拼接形式以進行設計迭代；合理性被設計人員認可的構型將保存于模型庫中。

基于上述方法，可在概念設計階段支持工程設計人員將模糊的設計構思在短時間內轉換為具有較高顯示度的航天器構型，并能結合可重構航天器的設計約束對構型性能進行評估，可以為構型設計方案的快速形成、設計迭代提供支持。

圖1 概念設計方法流程Fig.1 Workflow of conceptual design method

2 方法實現

2.1 可視化模型建立與特性關聯

需進行可視化的模型包括各類不同功能的可重構航天器模塊等重構部件，作為本文所提出概念設計方法的實現基礎，重構部件可視化模型所包括的內涵特征如圖2所示。

圖2 可視化模型內涵Fig.2 Content of visualization model

根據圖2所示的內涵特征，外形信息和尺寸信息是可視化模型中所包含的關鍵基礎信息，采用從下至上的建模方式，根據模型特征對模型進行拆分建模，再將獨立的部件進行拼接并設置成組合體，即得到含外形、尺寸信息的可視化模型；不同種類模型具有不一樣的外形渲染特征，主要由材質、紋理屬性決定，材質是紋理用于模型的媒介，紋理生成為材質后根據需要可設置紋理類型、紋理間隙等特性，本文使用了對模型添加紋理和材質貼圖的方法，該方法與直接在三維建模軟件中進行外形渲染相比，不會對內存和顯存有過高的要求［10］；針對可重構航天器概念設計階段需要考慮的幾何約束，本文采用按部件外形設置網格碰撞器（Mesh Collider）或添加腳本監測部件間距離的方法實現重構部件的幾何干涉屬性。

可視化模型與物理特性之間的關聯包括特性數據對應及特性模型更新。概念設計過程中，各重構部件的可視化模型均具有唯一編號，與模型庫中各數據表存儲編號對應，將重構部件可視化模型與物理特性在數據層面上對應。可視化模型中各重構部件的拼接關系、位置等信息為特性模型更新所需關鍵信息，隨著概念設計的進行，上述信息通過重構部件可視化模型中若干標志點坐標信息的提取和轉化獲取，并用于重構部件物理特性模型的更新，以保證物理特性模型與可視化概念設計的一致性，支持航天器構型的性能評估。

2.2 性能快速評估

可重構航天器作為不同學科領域所構成的有機整體，在概念設計階段對關鍵性能進行評估有利于提高航天器構型設計迭代的效率，并能為后續設計過程提供指標參考。本文所提出的基于可視化模型的概念設計方法中重點考慮可重構航天器質量特性、結構基頻特性的評估。

2.2.1 質量特性評估

可重構航天器的質量特性是概念設計階段的核心參數，主要包括整星質量、質心位置以及轉動慣量，計算構型全局坐標系下質心的x軸坐標xcm的基本公式為

式中：Mi和xcmi分別為可重構航天器第i個重構部件的質量和全局坐標系下的質心x軸坐標。計算構型相對于以質心為原點的坐標x軸轉動慣量Ix的基本公式為

式中：Ixi為可重構航天器第i個重構部件相對于以其質心為原點的坐標x軸的轉動慣量；dxi為以第i個重構部件質心為原點的坐標x軸相對于以構型質心為原點的坐標x軸的距離。可重構航天器模塊多為正六面體，一般以模塊質心為原點的坐標軸與以構型質心為原點的坐標軸之間的夾角為0°，即上述兩坐標系為平移變換關系。若兩坐標系之間存在旋轉變換關系，則在使用式（2）計算前還應對重構部件的轉動慣量數據先進行旋轉變換。

2.2.2 基頻特性評估

航天器的基頻及大部件剛度是航天器總體參數中的重要組成部分［11］，基于可視化模型的概念設計方法中，利用MSC.NASTRAN求解器及C＃程序實現了構型基頻特性的快速評估。

以固定界面模態綜合法［12］為理論基礎的動態子結構分析，在MSC.NASTRAN中以超單元（Superelement）的形式實現［13］。針對可重構航天器的拼裝靈活性及可拓展性，應重新定義生成組成模塊的有限元模型，以用于組裝構型有限元模型。本文方法中使用零件超單元（PARTs）對航天器構型各組成模塊模型進行定義，該定義方法中，每個超單元都在所對應的獨立卡片數據區域內定義，各卡片數據區域中都包括超單元的幾何、單元、屬性、約束以及載荷數據，所以當使用零件超單元方法時，可視為各超單元像零件一樣裝配形成最終模型的過程，易于模型文件的自動化編寫。

根據MSC.NASTRAN中對于超單元的定義規則，各超單元中位置重合的節點和單元將被視為各超單元的連接部分，這部分模型屬于殘余結構（Residual Structure），模型信息需要在模型數據文件（*.bdf文件）中單獨聲明，相關的MSC.NASTRAN命令見表1［14］。

表1 M SC.NASTRAN零件超單元創建命令［14］Table 1 MSC.NASTRAN comm ands for PARTs definition［14］

對于MSC.NASTRAN求解器中的模態綜合法，模型的組裝為各超單元模型之間及超單元與殘余結構間的連接過程，連接完成后即可進行模態分析。為實現構型有限元模型的正確組裝，關鍵技術包括超單元模型數據的寫入和模型的位置調整。

超單元模型數據的寫入需借助C＃程序，利用模塊拼接順序、位置、姿態等信息，結合模型庫中存儲并重新生成的模塊有限元模型，編寫*.bd f文件。首先編寫求解序列及工況設置等信息，再結合外部數據依次寫入殘余結構模型及超單元模型信息，若模型組裝完成即停止寫入，否則繼續寫入模型信息，實現過程如圖3所示。

對于采用零件超單元的模型數據，性能評估正確性的核心在于超單元模塊連接正確且各連接界面位置完全重合。本文采用了如圖4所示的一級超單元體系結構［15］，為調整子結構的位置和姿態，使用了POINT和SELOC語句來保證模塊連接的正確性。根據模塊拼接信息，POINT語句在空間中定義3個不共線的點以標志出模塊連接面的3個頂點，此后通過SELOC語句指定某超單元上對應連接面的3個頂點調整位置與之重合，實現模型位置的正確調整與模塊組裝，該過程示意圖如圖5所示。

圖3 模型數據寫入實現過程Fig.3 Realization process ofmodel data editing

圖4 一級超單元體系結構［15］Fig.4 Single-level superelement system structure diagram［15］

圖5 模型位置調整過程示意圖Fig.5 Schematic diagram ofmodel location adjustment process

3 平臺的體系框架

3.1 平臺總體框架設計

根據本文所提出的基于可視化模型的可重構航天器概念設計方法，可視化概念設計平臺的總體設計框架如圖6所示，平臺按功能分為可視化建模、數據源、檢測與評估及可視化顯示與交互4個模塊，具體如下。

圖6 平臺總體設計框架Fig.6 Overall design architecture of platform

1）可視化建模包括三維模型建立和外形渲染：三維建模中根據外形和尺寸信息建立概念設計階段所需的模型；外形渲染結合重構部件的外層材料材質特點，使用映射技術以增強模型的真實感。

2）數據源包括重構部件模型庫及輸入參數兩部分。重構部件模型庫中包括可視化建模模塊中所獲得的可重構部件可視化模型及部件特性模型；輸入參數主要是通過平臺為重構部件輸入的物理參數和接口屬性信息。

3）檢測與評估模塊為平臺的核心功能模塊，在工程設計人員操作平臺的過程中，該模塊實時進行接口檢測，確認是否滿足幾何約束，通過檢測后進行模塊拼接，確保可將滿足連接條件的模塊接口連接；完成模塊連接操作后，對形成的可重構構型進行性能評估并關聯物理特性，相關數據信息可保存于重構部件數據庫中。

4）可視化顯示與交互為平臺的主要人機交互界面，可根據工程設計人員需要，基于渲染管線對各類模型進行三維可視化變換，實現不同可重構模塊的移動和連接，接收性能評估數據并進行顯示，為可重構航天器概念設計階段的模塊裝配提供了客觀逼真的場景。

3.2 信息流程設計

基于平臺總體設計框架，在進行可重構航天器概念設計的過程中，工程設計人員可通過交互界面進行構型的新建、保存以及打開，上述操作過程中指令信息經交互界面傳遞至可視化場景，場景對信息進行處理后將參數信息對應傳遞至模型庫、性能評估模塊以實現模型庫信息的獲取及評估模塊的調用，反饋的結果或參數信息將傳送至可視化場景中以支持概念設計工作，該流程隨航天器構型設計而持續運行，設計平臺的信息流程如圖7所示。

圖7 平臺信息流程Fig.7 Information flow of platform

4 平臺搭建與算例

4.1 平臺搭建

可重構航天器可視化概念設計平臺根據框架設計方案基于多平臺開發搭建，其中基于Visual Studio軟件進行WPF前端程序開發，可視化交互界面基于Unity3D開發，模型庫基于SQL Server數據庫引擎開發。

模型庫的架構設計將直接影響設計的效率及實現的效果，合理的設計將減少模型庫存儲量，并使數據有較高的完整性和一致性［16］。根據不同的數據存儲對象，模型庫內部架構分為標準庫、模塊庫和構型庫，如圖8所示。

在可重構航天器概念設計階段，為快速完成航天器構型的設計，需實現標準模塊的快速導入。為此在標準庫中存儲常用可重構模塊的三維模型及屬性數據，可實現航天器模塊的快速生成和信息的快速提取。

圖8 重構部件模型庫架構Fig.8 Architecture of reconfigurable componentsmodel base

模塊庫主要針對經過人為調整修改的特定模塊進行數據存儲，參數修改后的模塊，若在設計中將被多次使用，可在屬性數據設置完成后保存至模塊庫，此后可直接調用以避免重復操作。

主要是平流霧對能見度影響較大，霧季航行除了嚴格遵守有關霧航規定外，還需加強VHF值班，收聽VTS通告及它船動態，可安排專人負責。應用好雷達、AIS導航，充分發揮AIS導航進行了望。能見度不良時，盡量不要追越它船，確需追越時可利用TCPA進行判斷，判斷先會遇還是先追越，還有會遇時間、地點、距離，但應留有3～5分鐘的安全余量。

構型庫對應由重構部件拼接所形成的可重構航天器構型，通過對模塊的添加和拼接設計，并進行特性分析評估，即完成一種特定構型的初步設計評估工作。初步設計的航天器構型可以保存至構型庫中，構型庫將對數據信息進行保存以便再次進行編輯。

為開發并建立重構部件模型庫，依照模型庫架構，設計標準模塊表、自定義模塊表、航天器構型表及航天器模塊表以完成對于概念設計的數據支持，數據表間的關系如圖9所示。

圖9 數據表的數據關系Fig.9 Data relationship of data tables

4.2 算 例

為說明本文方法的有效性，給出了基于平臺所實現的可重構航天器概念設計算例。算例參考了Adomeit等［17］對于可重構航天器的設計思想，可重構模塊包括系統模塊和用于傳遞載荷的結構模塊，其中系統模塊對應航天器子系統可劃分為不同功能的模塊。

在平臺資源準備階段，結合重構部件模型庫，工程設計人員向可視化場景中添加可重構模塊；在概念設計運行階段，利用平臺的人機交互功能，設計人員可按照設計意圖拼接模塊形成航天器構型，并能根據需求向場景中繼續添加模塊；平臺中分析評估與概念設計同步進行，性能評估模塊對航天器構型的質量、基頻特性進行評估，同時更新重構部件模型庫中的數據。在可重構航天器設計過程中設計人員可隨時調整場景的視點和視角，并將初步設計獲得的航天器構型保存于模型庫以便再次查看和編輯。圖10給出了設計人員拖拽傳感器模塊與結構模塊進行拼接過程中，模塊接口間距滿足連接幾何要求時場景中彈出連接按鈕的平臺界面場景。界面上方為菜單欄，左側任務欄用于顯示任務樹及模型相關信息，中部的操作顯示區為嵌入的Unity3D三維交互場景，為平臺主要操作區域，下方的日志記錄區主要用于顯示各關鍵操作指令信息等。

圖10 模塊連接效果Fig.10 Rendering ofmodule connection

以概念設計方案為基礎，圖11為通過平臺設計獲得可重構航天器構型后，平臺對構型的質量和基頻特性進行評估的場景，所得結果顯示于操作顯示區左下側的性能評估窗口，設計人員可對構型方案合理性做出判斷以進行迭代設計。

圖11 航天器構型特性評估效果Fig.11 Rendering of spacecraft configuration characteristics evaluation

5 結 論

本文針對可重構航天器概念設計階段需要在保證設計效率的前提下考慮幾何及性能雙重約束進行設計這一問題，提出了基于可視化模型的可重構航天器概念設計方法。

1）所提方法基于具有幾何及性能特性的可視化模型，實現了可視化層面和物理特性層面的關聯，將傳統分析方法中獨立實現的三維模型建立和性能分析步驟進行有效整合。

2）所提方法對應概念設計階段設計空間大、方案迭代頻繁的特點，依托重構部件模型庫實現設計過程的數據信息支持，具有一定的工程適用性。

3）基于所提方法所搭建的設計平臺具有可擴展性及較強的人機交互性能，平臺具有接入其他領域特性評估模塊的能力，操作直觀，較使用CAD軟件設計構型具有更強的浸入感。

4）算例表明，可重構航天器可視化概念設計平臺為新型航天器的概念設計提供了關鍵信息參考，為后續設計方案的分析與修改奠定了基礎，具有一定推廣應用的前景。