一种基于距离控制网格加密的自引力仿真方法技术

本发明专利技术属于空间引力波探测技术领域，尤其涉及一种基于距离控制网格加密的自引力仿真方法。所述方法包括：获取待研究立方TM的位置、尺寸和体密度数据；对外部质量源的网格文件进行解析，得到初始网格单元顶点编号和坐标；利用外部质量源与TM的距离信息，采用基于距离控制的网格加密方法对初始网格单元进行局部网格加密处理；计算局部网格加密处理后的网格单元对TM的引力及引力梯度，从而完成自引力仿真。本发明专利技术有效降低了测试质量周围质量体的总单元数量，提高了计算效率，并且生成的网格具有“近密远疏”的特点，提升了自引力仿真结果精度，降低了计算量；为使用少量网格单元提升自引力场仿真精度和效率提供了新的技术途径。引力场仿真精度和效率提供了新的技术途径。引力场仿真精度和效率提供了新的技术途径。

【技术实现步骤摘要】
一种基于距离控制网格加密的自引力仿真方法


[0001]本专利技术属于空间引力波探测
，尤其涉及一种基于距离控制网格加密的自引力仿真方法。

技术介绍

[0002]引力波探测作为独立于电磁波探测的新手段，开辟了天文观测的全新窗口，成为近年来研究热点。空间引力波探测能够探测到超大质量双黑洞、极端质量比双星等事件产生的0.1mHz～1Hz低频段引力波信号，对认识黑洞成长、星系演化，揭示黑暗宇宙(dark universe)具有重要意义。空间引力波探测任务采取正三角形三星编队方式，利用星间激光干涉测量技术，通过测量间距百万公里的卫星惯性基准(测试质量Test Mass，简称TM)之间皮米级精度的相对距离变化，实现引力波信号探测。科学测量阶段，为保证测试质量尽可能不受非保守力的干扰，卫星需采用无拖曳控制等噪声抑制技术将测试质量残余加速度噪声控制在低于3
×
10
‑
15
m/s2/Hz
1/2
@0.1mHz～1Hz的水平。这对惯性传感器系统和卫星系统的设计研发都提出了的很高的要求。
[0003]卫星平台及载荷对检验质量间的引力称为自引力。自引力是惯性传感器最大偏值力来源，卫星热形变引起自引力噪声也是自引力噪声的主要来源之一。受地面实验条件以及实验精度限制，自引力偏值和自引力噪声主要通过仿真实验方式分析计算，为降低自引力偏值设计的卫星配重方案也只能通过自引力仿真来评估和优化。因此，自引力仿真精度将直接影响惯性传感器指标性能的评估。
[0004]目前对自引力和自引力梯度的计算采用解析计算与叠加求和相结合的方法。星上各个部件借助网格划分技术被剖分成若干个质量体元，每个体元忽略形状被近似为质点，结合解析公式计算质点在测试质量处产生的引力和引力梯度，最终对所有质点产生的引力和引力梯度叠加得到整星平台在测试质量处产生的引力和引力梯度。这种方法在将剖分后的单元体视为点质量近似处理的过程会引入模型误差，影响自引力和引力梯度的计算精度。通常处理方式是加密单元格，减小单元格尺寸，降低模型近似引入的误差。但这会大大增加剖分单元数量，增大自引力计算负担。此外，由于等效质点的位置坐标精度受单元体节点坐标精度的影响，剖分单元数量增加的同时也会造成质点位置误差影响的积累，进而影响自引力和引力梯度的计算精度的提升速率，这一问题意味着提升自引力仿真精度需要更多的剖分单元数或更精确的节点坐标。综上所述，针对传统自引力仿真重面临剖分单元数量和位置带来的仿真效率和仿真精度问题，目前还没有行之有效的解决办法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于距离控制网格加密的自引力仿真方法。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提出了一种基于距离控制网格加密的自引力仿真方法，所述方法包括：
[0007]获取待研究立方TM的位置、尺寸和体密度数据；
[0008]对外部质量源的网格文件进行解析，得到初始网格单元顶点编号和坐标；
[0009]利用外部质量源与TM的距离信息，采用基于距离控制的网格加密方法对初始网格单元进行局部网格加密处理；
[0010]计算局部网格加密处理后的网格单元对TM的引力及引力梯度，从而完成自引力仿真。
[0011]作为上述方法的一种改进，所述外部质量源为卫星平台或载荷。
[0012]作为上述方法的一种改进，所述利用外部质量源与TM的距离信息，采用基于距离控制的网格加密方法对初始网格进行局部网格加密处理；具体包括：
[0013]步骤S1)设定加密尺度因子k；
[0014]步骤S2)遍历计算每个网格单元的质心位置、体积和质量；
[0015]步骤S3)遍历计算每个网格单元的尺寸s，以及每个网格单元到TM的距离d；
[0016]步骤S4)判断每个网格单元的s/d，如果小于k，对该网格单元进行网格加密处理，并转至步骤S2)，实现TM近处剖分细，远处剖分粗。
[0017]作为上述方法的一种改进，所述步骤S1)的加密尺度因子k为小于1的正数，k的设定兼顾计算误差要求和效率要求。
[0018]作为上述方法的一种改进，所述步骤S4)的局部网格加密处理包括：
[0019]对于六面体网格单元加密取其各边中点，一次加密形成8个子单元；
[0020]对于四面体网格单元采用最长边二分法，一次加密形成2个子单元。
[0021]作为上述方法的一种改进，所述计算局部网格加密处理后的网格单元对TM的引力及引力梯度，具体包括：
[0022]步骤T1)将网格加密处理后的每个网格单元分别等效为质点，计算质点在TM处的引力位梯度及引力位梯度的梯度；
[0023]步骤T2)计算每个网格单元对TM的引力以及在TM处的引力梯度。
[0024]作为上述方法的一种改进，所述步骤T1)包括：
[0025]在三维直角坐标系中，TM内任意一点位置坐标记为(ξ,η,ζ)，外部质量源质心坐标为(X,Y,Z)，
[0026]TM在(X
i
,Y
i
,Z
i
)处的引力位U
i
为：
[0027][0028]其中，G是万有引力常量，ρ
TM
是TM的密度，m
i
,(X
i
,Y
i
,Z
i
)分别是第i个网格单元的质量和质心坐标，ξ1,ξ2,η1,η2,ζ1,ζ2分别表示TM在三个坐标轴方向的坐标最小和最大值；r
i
为第i个网格单元的质心至外部质量源质心的距离；
[0029]对X
i
,Y
i
,Z
i
分别求一阶偏导数得到X、Y、Z三个分量的引力位梯度：
[0030][0031][0032][0033]并分别求解二阶偏导数得到X、Y、Z三个分量的引力位梯度的梯度：
[0034][0035][0036][0037]作为上述方法的一种改进，所述步骤T2)包括：
[0038]根据下式分别得到外部质量源对TM的自引力F的三个分量：
[0039][0040][0041][0042]其中，n表示剖分得到的网格单元数量，负号表示引力方向由TM指向外部质量源；
[0043]根据F＝(F
x
,F
y
,F
z
)得到外部质量源对TM的自引力F；
[0044]对F
x
,F
y
,F
z
分别求偏导数得到引力梯度分量与引力位导数间的关系。
[0045]另一方面，本专利技术提出了一种基于距离控制网格加密的自引力仿真系统，其特征在于，所述系统包括：
[0046]TM参数获取模块，用于获取待研究立方TM的位置、尺寸和体密度数据；
[0047]网格文件解析模块，用于对外部质量源的网格文件进行解析，得到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于距离控制网格加密的自引力仿真方法，所述方法包括：获取待研究立方TM的位置、尺寸和体密度数据；对外部质量源的网格文件进行解析，得到初始网格单元顶点编号和坐标；利用外部质量源与TM的距离信息，采用基于距离控制的网格加密方法对初始网格单元进行局部网格加密处理；计算局部网格加密处理后的网格单元对TM的引力及引力梯度，从而完成自引力仿真。2.根据权利要求1所述的基于距离控制网格加密的自引力仿真方法，其特征在于，所述外部质量源为卫星平台或载荷。3.根据权利要求1或2所述的基于距离控制网格加密的自引力仿真方法，其特征在于，所述利用外部质量源与TM的距离信息，采用基于距离控制的网格加密方法对初始网格进行局部网格加密处理；具体包括：步骤S1)设定加密尺度因子k；步骤S2)遍历计算每个网格单元的质心位置、体积和质量；步骤S3)遍历计算每个网格单元的尺寸s，以及每个网格单元到TM的距离d；步骤S4)判断每个网格单元的s/d，如果小于k，对该网格单元进行网格加密处理，并转至步骤S2)，实现TM近处剖分细，远处剖分粗。4.根据权利要求3所述的基于距离控制网格加密的自引力仿真方法，其特征在于，所述步骤S1)的加密尺度因子k为小于1的正数，k的设定兼顾计算误差要求和效率要求。5.根据权利要求3所述的基于距离控制网格加密的自引力仿真方法，其特征在于，所述步骤S4)的局部网格加密处理包括：对于六面体网格单元加密取其各边中点，一次加密形成8个子单元；对于四面体网格单元采用最长边二分法，一次加密形成2个子单元。6.根据权利要求1或2所述的基于距离控制网格加密的自引力仿真方法，其特征在于，所述计算局部网格加密处理后的网格单元对TM的引力及引力梯度，具体包括：步骤T1)将网格加密处理后的每个网格单元分别等效为质点，计算质点在TM处的引力位梯度及引力位梯度的梯度；步骤T2)计算每个网格单元对TM的引力以及在TM处的引力梯度。7.根据权利要求6所述的基于距离控制网格加密的自引力仿真方法，其特征在于，所述步骤T1)包括：在三维直角坐标系中，TM内任意一点位置坐标记为(ξ，η，ζ)，外部质量源质心坐标为(X，Y，Z)，TM在(X
i
，Y
i
，Z
i...

【专利技术属性】
技术研发人员：林志勇，杨震，强丽娥，赵淑红，刘彬彬，彭晓东，马晓珊，唐文林，张玉珠，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：