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航天光学遥感器虚拟设计与制造技术的概念研究
2006年3月16日 14:54  

   1、引 言

   航天光学遥感在资源勘测、地产评估、减灾和环境监视、军事侦察和监视、海洋开发、气象预报等各个领域都有极为广泛的应用前景,是我国经济建设和国防建设的重要手段。在航天遥感器研制中,涉及了光机电热等各个专业领域。其系统研制是一个庞大、复杂的光、机、电、热分系统一体化设计的系统工程。在研制总系统时,要运用多种专业学科的理论和研制方法交叉和集成工作[1-3]。空间光学遥感器是特殊的产品,具有批量小、成本高、加工周期长等特点,在设计和研制过程中,一般都会出现设计差错、反复设计、重复加工、各接口不匹配、成品率低等一系列的问题。现在没有一套直接用于遥感器系统总体的分析、设计和集成软件,如果在遥感器设计初期能够通过计算机辅助技术进行光学设计、结构设计、力学静态和动态模态分析、电子学系统设计和仿真、热设计和分析等,并且通过仿真手段模拟在轨工作,得到较好的结果后,适当地进行一些模拟试验进行验证,就可在以后的光学系统计算机辅助装调、在线装调、相机系统装调和测试,号平境试验和空间模拟试验等阶段上,节省时间和经费,提高研制水平和产品质量。

  目前,随着计算机软硬件及网络环境技术的迅速发展,虚拟设计与制造技术作为一门新兴的综合技术学科将逐步地应用到航天科技应用领域,它可以迅速建立起适应批量生产能力快速转换的制造系统集成应用平台,在计算机上实现产品的虚拟设计、性能分析和仿真、工艺设计、制造、装配,进行生产过程的质量控制,大大缩短生产周期,提高产品质量,降低产品的生产成本[4-7]。虚拟设计与制造技术将成为空间光学遥感器产品开发、设计、制造的

   重要技术手段。
  
   航天光学遥感器虚拟设计主要是指在遥感器设计初期,即在方案论证时期,根据各种设计要求,如用户需求、目标特性、环境因素、设计规范和标准等,通过计算机辅助设计,以虚拟手段设计出遥感器,进行参数选择、性能比较、主要部件系统形式和布置方案选择,确定出合理可行的方案、主要性能指标和主要功能、接口参数等。虚拟制造技术主要是指在遥感器初步完成设计后,对系统的制造过程进行分析、设计和模拟,对在轨工作环境进行仿真,以代替在轨飞行试验和航空校飞试验等高成本的验证性试验,利用计算机完成航天光学遥感器的虚拟制造任务。它是通过高速局域网进行动态数据传输,可视化地、交互式地进行设计过程,可提供产品设计制造过程、过程控制与管理、产品性能数据等有关产品制造的所有信息。
  
   与传统研制方法相比较,虚拟设计采用动态数据交换,公用平台和高速网络通讯等手段,可以大幅度地减少数据传递错误和缩短设计周期。

   2、国内外研究情况

    国外从计算机诞生起,就开始研究计算机辅助技术,并将其应用于工程,目前已经应用于航天各个领域。中国航天遥感器在三十几年的研制过程中,也已经大量地采用了计算机辅助技术,如在结构设计、力学模态分析、电子学系统设计和仿真、热设计和分析、光学设计、光学系统在线装调、相机系统装调和测试,环境试验和空间模拟试验等,为遥感器的研制和遥感应用提供了扎实的基础。近几年在我国航天遥感领域已经应用的计算机辅助技术种类有:CIM(Computer Integrated Manufacturing)、CAD(Computer Aided Design)、CAE(Computer Aided Engineering)、CAP(Computer Aided Planning)、CAM(Computer Aided Manufacturing)、CAQ(Computer Aided Qualitv assurance)、CAA(Computer Aided Assemble)等;经常使用的设计和分析软件如表1所示。

1 常用设计软件

 光 学 结 构 电子学 热 学
 CODEV AUTOCAD PROTEL NEVEDA
 ZEMAS UCLID MENTOR SINDA/G
 OSLO NASTRAN VIEW OGIC 
  ANSYS CADENSE 
  PRO-E TANGO 

    虽然在各个专业领域普遍采用了计算机辅助设计技术,但只是对遥感器研制中的各个环节和组成的各个部件进行分析研究,很少进行系统工程分析和仿真,缺少系统总体集成,造成我国遥感器研制水平较低、周期长,更新换代能力差。从1998年开始,在部分预研项目上尝试进行了遥感器系统集成设计技术研究,包括光学系统、结构和电子学单元的计算机辅助设计、仿真、模拟装调、计算机辅助加工等技术研究和试验,文件和资料利用自行研制和开发的遥感器信息服务系统进行管理和使用,取得了一些阶段性成果。

   3、主要研究内容

    在目前的研制和开发过程中,光机电热各个部件(单元)设计后,需要将数据交换到其它软件中,再进行下一步的工作,数据交流是静态的,对遥感器设计中的各个软件不能动态控制,并且设计过程是串联的,需要的开发周期比较长。因此需要开发新的软件,用于系统设计和开发,数据动态交流和动态软件控制。遥感器在方案设计时,需要用CODE V光学设计软件进行光学设计,得到光学系统的数据后,用AUTOCAD结构设计软件进行结构设计,再用NASTRAN或ANSYS等结构分析软件进行动态和静态结构模态分析,对遥感器能否经受发射和在轨失重影响进行分析,用电子学设计软件进行电路设计,然后用热分析软件进行热设计和分析,这时由于结构问题需要修改设计,可能需要重新再进行前面的步骤,多次往返,才能完成设计工作。为了系统质量,只能做大量地试验来验证设计结果,试验后往往还要修改设计,重复前面过程。因此在以往遥感器研制中,周期长、经费多,产品质量低,可靠性得不到有效保证。
  
   采用系统设计和集成分析方法,对遥感器研审阅,程中的数据在设计阶段进行动态管理和控制,可以大大缩短开发周期,节省大量经费。对前面所选用的设计软件中的数据,可以通过一个管理和分析系统进行处理,由设计师进行判断和选择,在人为干预下,在遥感器的优化设计中对结构、光学、热力学和电子学的软件实现数据动态交流,并行处理,如结构动态分析和优化结果能实时地反映给设计师,并通过接口软件将修改结果实时反映到光学设计和热设计软件中,同时对设计结果进行最优处理,进行数据交换的动态管理。这样可为遥感器的优化设计提供先进的手段。

  今后预计的主要研究内容包括:1)在轨工作时的环境条件(真空、热和辐照等)对成像的影响;2)目标特性分析;3)系统集成设计和仿真分析新理论和新方法的初步研究;4)开放平台和网络设计技术概念研究;5)虚拟加工技术概念研究;6)虚拟试验技术概念研究;7)系统成像质量预估和评价技术及仿真系统等。

  目前,在该领域的关键技术主要有:1)航天遥感器系统设计新理论和方法;2)航天遥感器集成设计、仿真和分析技术;3)光学遥感器的在轨成像质量评估;4)设计软件集成:数据分析和处理,动态数据交换,演示过程优化;5)虚拟生产、加工、装调、测试、试验等技术。

  根据目前我国现状,主要研究技术途径可采取:1)研究国内外同类航天遥感器研制技术,提供技术借鉴;2)通过研究各种光学遥感器研制经验,总结和提高遥感器系统设计和仿真系统能力;3)研究国外系统设计软件(如:1—sight、Code V、PRO-E、NASTRAN等光机电热设计及系统分析软件),分析数据接口和数据交换方式;4)编制接口软件,完成数据动态交流;5)编制数据分析和处理软件,用于决策分析和仿真;6)采用公用平台,友好地开放界面等。

   4、结束语

    综上所述,航天光学遥感器的虚拟设计与制造技术可以为遥感器的研制提供一种新的研制方法,今后需要在系统集成设计和仿真、虚拟现实技术、高速局域网络、开放式公用平台等方面投入较多的力量,开发出虚拟设计与制造技术系统。

 
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