專利名稱：一種進行衛(wèi)星表面帶電分析的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種進行衛(wèi)星表面帶電分析的軟件，具體地，涉及一種對地球同步軌 道衛(wèi)星高壓太陽電池陣表面帶電情況進行仿真分析的軟件。
背景技術(shù)：
國外已經(jīng)開發(fā)出了多款用于衛(wèi)星表面帶電分析的軟件，但由于技術(shù)封鎖，我們只 能開發(fā)自有知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星表面帶電分析軟件，目前該工作在國內(nèi)還沒有取得突破。地球同步軌道衛(wèi)星高壓太陽電池陣的表面帶電問題具有一定代表性，主要表現(xiàn)在 帶電環(huán)境和衛(wèi)星太陽電池陣工作達到上百伏。目前對衛(wèi)星帶電無法從衛(wèi)整星角度進行分 析，多根據(jù)郎繆爾探針原理進行簡單的估計，不僅針對性不強而且誤差較大。根據(jù)目前的方 法，通常是給出一個單一的充電電位數(shù)值，無法給出更詳細的分析結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明解決的問題就是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種較全面的衛(wèi)星帶 電分析軟件，可以在針對不同光照條件、空間等離子體環(huán)境、衛(wèi)星主體材料和高壓太陽電池 陣材料，通過數(shù)值計算，以圖表形式給出衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)、高壓太陽帆板和太陽電池陣玻璃蓋 片的電子產(chǎn)生率計算結(jié)果，衛(wèi)星表面電位或充電電流隨時間的變化結(jié)果，衛(wèi)星太陽電池陣 表面帶電電位的二維分布結(jié)果，并生成詳細的技術(shù)報告。整個參數(shù)的設(shè)置均通過軟件圖形用戶界面完成，可以將已有的空間環(huán)境參數(shù)、衛(wèi) 星主體材料參數(shù)和高壓太陽電池陣材料參數(shù)集成到軟件中，并可以根據(jù)要求自行設(shè)定上述 參數(shù)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是通過建立電流收集模型，根據(jù)衛(wèi)星表面帶電電流平衡 方程，通過編程完成數(shù)值計算，得到平衡電位。在確定太陽電池陣表面電位分布的基礎(chǔ)上， 結(jié)合空間環(huán)境特性和材料特性，分析在典型磁暴和亞暴條件下電池陣與空間等離子體之間 放電的可能性，也就是要確定各種空間環(huán)境條件下的放電閾值，最后實現(xiàn)了計算結(jié)果的可 視化。本發(fā)明的原理是確定衛(wèi)星表面電位的理論基礎(chǔ)是電流平衡方程，即流到衛(wèi)星的 所有電流總和為零時，衛(wèi)星應(yīng)該處于什么樣的電位。因此，首先要解決的問題是確定各種電 流的解析表達式。在GEO軌道，衛(wèi)星收集電流的理論基礎(chǔ)是穩(wěn)定的、未磁化等離子體的厚鞘層近似， 這是因為電子和離子的回旋半徑即德拜長度大于衛(wèi)星尺寸，而衛(wèi)星速度小于周圍等離子體 的熱速度。衛(wèi)星表面帶電的物理過程是非常復(fù)雜的。如果假定等離子體符合麥克斯韋分布， 則地球同步軌道處的表面帶電公式變得十分簡單。所有衛(wèi)星表面充電的物理過程都是一個 電流平衡的過程，即在恒穩(wěn)態(tài)下，所有電流的總和為零。衛(wèi)星表面的凈電流包含多個分量，并且計算時需要考慮多種因素對它的影響。只有當衛(wèi)星處于恒穩(wěn)態(tài)時，其表面的電勢才能達到均衡狀態(tài)，而這種恒穩(wěn)態(tài)在地球同步軌道 是很難遇到的。衛(wèi)星表面電勢達到均衡狀態(tài)時，各種電流的總和將為零。電流總和為零時 可以得到衛(wèi)星處于恒穩(wěn)態(tài)時的表面電位。通過考察該電位的大小即可評估衛(wèi)星是否存在放 電危險。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于在本發(fā)明中，通過圖形用戶界面實現(xiàn)了參數(shù) 設(shè)置和計算結(jié)果的的可視化，并能在局部材料參數(shù)發(fā)生改變的情況下快速完成仿真計算， 自動生成圖表形勢的詳細技術(shù)報告，計算結(jié)果與EQUIP0T比較誤差不超過30%。


圖1為衛(wèi)星平衡電位及充電時間算法流程圖充電初始電位取VO，初始時間取0，計算初始平衡電流JO，判斷初始平衡電流正負 號來決定迭代步長電位的正負，即判斷是向正電位方向還是負電位方向充電，確定初始迭 代電位步長Δν，用來減少迭代次數(shù)。判斷平衡電流Jv和初始充電電流JO同號的目的是確 保整個充電向同一個方向進行充電，異號表明充電電位超過平衡電位，此時需要調(diào)整充電 步長，調(diào)整步長流程為黃色標示。計算充電時間t和平衡電位Vs，電位平衡的條件為迭代電位步長小于充電電位 的 0. 001。參數(shù)說明V:充電電位ΔΥ 充電電位迭代算法所取電位步長，在程序中根據(jù)條件在不斷的調(diào)整Δ T 總充電時間At 衛(wèi)星表面充電AV對應(yīng)的充電時間Δ Jv:充電電位為V時的平衡電流AVs:平衡電位
具體實施例方式研究衛(wèi)星表面充電的理論基礎(chǔ)是電流平衡方程，通過確定各種電流的解析表達 式，來求解衛(wèi)星表面的電位分布。在地球同步軌道上，與衛(wèi)星表面相互作用的空間等離子體 可以近似為厚鞘層，這是由于空間等離子體中的電子和離子的回旋半徑即德拜長度大于衛(wèi) 星尺寸，而衛(wèi)星速度小于周圍等離子體的熱速度。建立電流收集模型衛(wèi)星表面收集的電子電流、離子電流、光效應(yīng)電流、次級電流、后向散射電流等等 效電流有可能在衛(wèi)星上的某個電位上達到動態(tài)平衡。此時，衛(wèi)星在整個表面上的電流代數(shù) 和為零，即達到電流平衡的狀態(tài)。電流方程可以表示成
權(quán)利要求
1. 一種進行衛(wèi)星表面帶電分析的方法，其中包括以下步驟 1)建立電流收集模型衛(wèi)星表面收集的電子電流、離子電流、光效應(yīng)電流、次級電流、后向散射電流等等效電流有可能在衛(wèi)星上的某個電位上達到動態(tài)平衡。此時，衛(wèi)星在整個表面上的電流代數(shù)和為零，即達到電流平衡的狀態(tài)。電流方程可以表示成 dVCA — = Jnet (V) 二 Λ (V) - U (η + L· (η + Λ, (V) + Jbe (V) + Jph (V) + Jc (V)] = 0ατ (1)其中V 衛(wèi)星表面充電電位 t 衛(wèi)星表面充電時間 jnet 到達衛(wèi)星表面的凈電流 je 電子電流 ji 質(zhì)子電流jse 入射電子產(chǎn)生的次級電子電流 jsi 入射質(zhì)子產(chǎn)生的次級電子電流 jbe 后向散射電子電流 jph 光電流 jc 電導(dǎo)電流CA 表面單位面積相對周圍空間等離子體的充電電容電流方向以電子電流方向為正； 確定平衡狀態(tài)的是表面電位V，求解(1)式找到一個這樣的電位，使得凈電流為零； 根據(jù)衛(wèi)星表面帶電電流平衡方程，通過編程完成數(shù)值計算，其中，充電初始電位取V0， 初始時間取0，根據(jù)電流平衡方程，計算初始平衡電流J0，通過判斷初始平衡電流正負號來 決定迭代步長電位的正負，確定初始迭代電位步長。判斷平衡電流Jv和初始充電電流JO 同號的目的是確保整個充電向同一個方向進行充電，異號表明充電電位超過平衡電位，通 過調(diào)整充電步長，不斷對這個過程進行迭代，當滿足迭代電位步長的條件時，獲得充電時間 t和平衡電位Vs。在確定太陽電池陣表面電位分布的基礎(chǔ)上，主要通過計算所采取的環(huán)境、材料特性參 數(shù)，獲得衛(wèi)星星體和電池陣與空間等離子體之間相互作用產(chǎn)生的充電電位V與充電時間t 的關(guān)系，并依據(jù)兩者之間的擊穿閾值電壓，判斷它們之間放電的可能性； 最后，將計算結(jié)果可視化，方便進行分析。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于進行衛(wèi)星表面帶電分析的方法，集中解決地球同步軌道衛(wèi)星高電壓太陽電池陣表面帶電問題。利用軟件圖形用戶界面設(shè)定衛(wèi)星軌道環(huán)境參數(shù)、衛(wèi)星主體材料參數(shù)、衛(wèi)星高壓太陽電池陣材料參數(shù)，可以實現(xiàn)對衛(wèi)星表面帶電的仿真分析，并自動生成技術(shù)報告。
文檔編號G06F17/50GK102117345SQ20091021715
公開日2011年7月6日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者馮偉泉, 劉業(yè)楠, 徐炎林, 王志浩 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所