低軌衛(wèi)星懸浮電位仿真分析方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種低軌衛(wèi)星懸浮電位仿真分析方法，包括：獲取低軌空間的環(huán)境參數(shù)、太陽陣的狀態(tài)參數(shù)以及衛(wèi)星的材料信息；根據(jù)所述環(huán)境參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)以及材料信息建立動態(tài)仿真模型；對所述動態(tài)仿真模型進行數(shù)值模擬計算以得出衛(wèi)星模型的懸浮電位；以動態(tài)仿真模型為基礎(chǔ)，通過粒子模擬數(shù)值分析方法計算衛(wèi)星的懸浮電位，能夠有效提高計算的精度。
【專利說明】低軌衛(wèi)星懸浮電位仿真分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航天【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種低軌衛(wèi)星懸浮電位仿真分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽電池陣電源系統(tǒng)作為衛(wèi)星最重要的有效載荷之一，由于它完全暴露于空間等離子體環(huán)境中，容易受到空間帶電環(huán)境的影響而收集空間等離子體環(huán)境中的電流，引發(fā)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)電位變化。衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)電位變化將會引起放電事件及影響衛(wèi)星上載荷的正常工作，如引起空間環(huán)境探測載荷的探測數(shù)據(jù)誤差、導致高壓太陽陣的燒毀等。在衛(wèi)星設(shè)計階段，需要針對其運行的空間環(huán)境開展懸浮電位的分析，從而采取有效的方法進行控制。
[0003]目前在衛(wèi)星與空間等離子體相互作用的分析計算方面，一般采用了磁流體和粒子模擬兩種方法。而粒子模擬(PIC)數(shù)值分析方法是一種以動態(tài)等離子體模型為基礎(chǔ)的功能強大的數(shù)值計算方法，它能夠比較精確地對衛(wèi)星與空間等離子體之間的互相作用進行分析計算。如ESA/T0S-EMA開發(fā)了 LE0/PE0 (Polar Earth Orbit)軌道的處理衛(wèi)星等離子體相互作用和電磁效應軟件，其中數(shù)值計算采用二維PIC方法。由歐洲IRF-K、CNRS-UVSQ/CETP和ESA/T0S-EMA共同開發(fā)研制的PicUp3D/Spis衛(wèi)星與等離子體相互作用模擬軟件，都采用了精度更高的PIC方法。但是，針對衛(wèi)星懸浮電位分析，目前多采用近似解析的方法開展分析計算，解析的方法計算在精度方面較低。而且，科學探測載荷對于懸浮電位的精度要求往往很高。因此建立一種高精度的懸浮電位計算方法具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在下文中給出關(guān)于本發(fā)明的簡要概述，以便提供關(guān)于本發(fā)明的某些方面的基本理解。應當理解，這個概述并不是關(guān)于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的關(guān)鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細描述的前序。
[0005]本發(fā)明提供一種低軌衛(wèi)星懸浮電位仿真分析方法，包括:
[0006]獲取低軌空間的環(huán)境參數(shù)、太陽陣的狀態(tài)參數(shù)以及衛(wèi)星的材料信息；
[0007]根據(jù)所述環(huán)境參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)以及材料信息建立動態(tài)仿真模型；
[0008]對所述動態(tài)仿真模型進行數(shù)值模擬計算以得出衛(wèi)星模型在預設(shè)時間內(nèi)的懸浮電位。
[0009]本發(fā)明提供的地軌衛(wèi)星懸浮電位仿真分析方法，以動態(tài)仿真模型為基礎(chǔ)，通過粒子模擬數(shù)值分析方法計算衛(wèi)星的懸浮電位，能夠有效提高計算的精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0011]圖1為本發(fā)明提供的低軌衛(wèi)星懸浮電位仿真分析方法一種實施例的流程圖。
[0012]圖2為本發(fā)明提供的低軌衛(wèi)星懸浮電位仿真分析方法中網(wǎng)格單元劃分的示意圖。
【具體實施方式】
[0013]為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。在本發(fā)明的一個附圖或一種實施方式中描述的元素和特征可以與一個或更多個其它附圖或?qū)嵤┓绞街惺境龅脑睾吞卣飨嘟Y(jié)合。應當注意，為了清楚的目的，附圖和說明中省略了與本發(fā)明無關(guān)的、本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的部件和處理的表示和描述。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0014]參考圖1，本實施例提供，一種低軌衛(wèi)星懸浮電位仿真分析方法，包括:
[0015]步驟S101，獲取低軌空間的環(huán)境參數(shù)、太陽陣的狀態(tài)參數(shù)以及衛(wèi)星的材料信息；
[0016]步驟S102，根據(jù)所述環(huán)境參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)以及材料信息建立動態(tài)仿真模型；
[0017]步驟S103，對所述動態(tài)仿真模型進行數(shù)值模擬計算以得出衛(wèi)星模型在預設(shè)時間內(nèi)的懸浮電位。
[0018]具體地，低軌空間的環(huán)境參數(shù)包括:電子密度、電子溫度、離子密度、離子溫度；太陽陣的狀態(tài)參數(shù)包括:太陽陣相對于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地的工作電壓、太陽陣裸露金屬互聯(lián)的位置和連接方式；衛(wèi)星的材料信息包括衛(wèi)星表面的材料信息。
[0019]其中，環(huán)境參數(shù)采用典型的低軌道環(huán)境參數(shù)，其中電子溫度為0.3eV，電子密度為109/m3，離子溫度為OleV，離子密度為109/m3。
[0020]太陽陣包括成矩陣排列的多個太陽能電池，太陽能電池的表面覆蓋有玻璃蓋片，玻璃蓋片上采用防靜電的ITO膜包覆，將衛(wèi)星的防靜電膜ITO接地并作為衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)地；各個太陽能電池之間通過裸露的金屬互聯(lián)，串聯(lián)的太陽能電池提供工作電壓，再并聯(lián)提供工作電流。
[0021]本實施例中需要計算的衛(wèi)星的懸浮電位為衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)地與太陽陣中互聯(lián)的裸露金屬之間的電位差。
[0022]根據(jù)低軌道的特點，等離子體與衛(wèi)星相互作用采用PIC (粒子模型)進行分析，根據(jù)所述空間環(huán)境參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)以及材料信息建立動態(tài)仿真模型，包括:
[0023]根據(jù)所述電子密度、電子溫度、離子密度、離子溫度建立相應的等離子體環(huán)境模型，根據(jù)所述工作電壓、裸露金屬的互聯(lián)位置和連接方式，建立太陽陣模型，根據(jù)所述衛(wèi)星表面的材料信息建立衛(wèi)星模型；所述衛(wèi)星模型及太陽陣模型處于所述等離子體環(huán)境模型中。
[0024]對所述動態(tài)仿真模型進行數(shù)值模擬計算以得出所述衛(wèi)星模型的在預設(shè)時間內(nèi)的懸浮電位，包括:
[0025]設(shè)置預設(shè)時間及時間步長；
[0026]計算每一個時間步長內(nèi)的衛(wèi)星模型的懸浮電位直至達到預設(shè)時間；
[0027]將太陽陣模型與衛(wèi)星模型結(jié)構(gòu)地之間的固定電位和每一個時間步長內(nèi)獲得的懸浮電位進行疊加以獲得所述衛(wèi)星模型在預設(shè)時間內(nèi)的懸浮電位。
[0028]進一步地，所述計算每一個時間步長內(nèi)的衛(wèi)星的懸浮電位，包括:
[0029]將等離子體環(huán)境模型劃分為多個網(wǎng)格單元；
[0030]根據(jù)每個網(wǎng)格單元的等離子環(huán)境變化規(guī)律確定一個時間步長內(nèi)網(wǎng)格單元內(nèi)的帶電粒子的數(shù)量及速度，并根據(jù)所述帶電粒子的數(shù)量和速度確定每個網(wǎng)格單元的電流；
[0031]根據(jù)各個網(wǎng)格單元的電流計算一個時間步長內(nèi)衛(wèi)星模型的懸浮電位。
[0032]所述等離子環(huán)境模型中包含等離子體區(qū)域、衛(wèi)星模型和太陽陣模型，劃分網(wǎng)格單元時需要對等離子體區(qū)域、衛(wèi)星模型和太陽陣模型進行劃分。
[0033]具體地，對于等離子體區(qū)域的劃分，是依據(jù)等離子體的德拜長度，一般為0.7 λ D，對于太陽陣模型的網(wǎng)格劃分，需要根據(jù)具體的細節(jié)，網(wǎng)格需要更精細，可能比0.7λΒ更小，例如太陽陣中太陽能電池的之間的間隙通常只有1_，則需要將網(wǎng)格劃分為1mm。
[0034]實際情況中，可根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)特點對網(wǎng)格進行劃分。
[0035]進一步地，根據(jù)每個網(wǎng)格單元的等離子環(huán)境變化規(guī)律確定一個時間步長內(nèi)網(wǎng)格單元內(nèi)的帶電粒子的數(shù)量及速度，并根據(jù)所述帶電粒子的數(shù)量和速度確定每個網(wǎng)格單元的電流，包括:
[0036]確定所述帶電粒子的初始位置和初始速度；
[0037]通過泊松方程和麥克斯韋方程組得出各個網(wǎng)格單元的電場和磁場，并利用洛倫茲力公式和牛頓運動公式分別計算每個網(wǎng)格單元中帶電粒子的洛倫茲力和運動狀況；
[0038]根據(jù)所述每個網(wǎng)格單元中的帶電粒子的洛倫茲力和運動狀況，獲得帶電粒子的速度和數(shù)量；
[0039]根據(jù)網(wǎng)格單元中的帶電粒子的速度和數(shù)量，計算所述網(wǎng)格單元在一個時間步長內(nèi)的電流。
[0040]上述步驟是在一個時間步長內(nèi)，因此帶電粒子的初始位置和初始速度為上一個時間步長結(jié)束時帶電粒子的位置和速度。在最開始時，帶電粒子初始時在等離子體環(huán)境模型的空間內(nèi)均勻分布，其密度滿足環(huán)境參數(shù)給出的密度；電子溫度和離子溫度即為帶電粒子的能量，滿足麥克斯韋分布，模擬時，根據(jù)環(huán)境中的電子溫度、離子溫度，將模型內(nèi)的帶電粒子進行麥克斯韋分布初始化，參考圖2，一般方法為將帶電粒子的速度在模擬空間內(nèi)分解為X、Y、Z三個方向的分速度，分速度滿足麥克斯韋分布。
[0041]將模型劃分為有限數(shù)目的網(wǎng)格單元，將空間內(nèi)的電子和離子的電荷量通過面積權(quán)重分配到各個網(wǎng)格單元中，如圖2所示，以獲得各個網(wǎng)格單元的電荷密度，以電荷密度為基礎(chǔ)，通過泊松方程和麥克斯韋方程組計算網(wǎng)格單元的電場和磁場，在以該電場和磁場為基礎(chǔ)，利用洛倫茲力公式和牛頓運動公式，計算每個網(wǎng)格單元中帶電粒子的受力及運動，進而在求出帶電粒子的速度和數(shù)量。
[0042]麥克斯韋方程組是一組描述電場、磁場、電荷密度、電流密度之間關(guān)系的偏微分方程，以電荷密度為基礎(chǔ)，通過麥克斯韋方程組計算電場和磁場的方法為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知，在此不在贅述。
[0043]獲得網(wǎng)格單元中的帶電粒子的速度和數(shù)量之后，根據(jù)電流強度的計算公式，計算得出網(wǎng)格單元的電流。
[0044]上述步驟是在一個預設(shè)時間步長內(nèi)的過程，以上一個預設(shè)時間步長內(nèi)的帶電粒子的位置和速度為初始，進行下一個時間步長內(nèi)的計算，進行循環(huán)計算，從而獲得想要的時間內(nèi)的帶電粒子的數(shù)量和速度。
[0045]進一步地，根據(jù)各個網(wǎng)格單元的電流計算一個時間步長內(nèi)衛(wèi)星模型的懸浮電位，包括:
[0046]通過每個網(wǎng)格單元中的電流計算每個網(wǎng)格單元中的電量；
[0047]根據(jù)所述電量計算所述每個網(wǎng)格單元中的電位；
[0048]將各個網(wǎng)格單元計算獲得的電位進行疊加，以獲得所述衛(wèi)星模型在一個時間步長內(nèi)的懸浮電位值。
[0049]網(wǎng)格單元中的電量采用如下公式進行計算:
[0050]Qi=IT ；
[0051]其中Q為電量，I為電流，T為預設(shè)時間步長。
[0052]每個網(wǎng)格單元的電位采用如下公式進行計算:
[0053]Vi=Qi/Ci ；
[0054]其中Vi為每個網(wǎng)格單元的電位，Qi為電量，Ci為每個網(wǎng)格單元對地電容。
[0055]獲得所述衛(wèi)星模型在預設(shè)時間步長內(nèi)的懸浮電位值采用如下公式進行計算:
[0056]V=Σ Qj/C ；
[0057]其中V為衛(wèi)星模型在預設(shè)時間內(nèi)的懸浮電位值，C為衛(wèi)星模型整個結(jié)構(gòu)的對地電容。
[0058]獲得所述衛(wèi)星一個時間步長內(nèi)的懸浮電位值之后，將每一個時間步長內(nèi)獲得的懸浮電位進行疊加以獲得所述衛(wèi)星在預設(shè)時間內(nèi)的懸浮電位。
[0059]由于太陽陣模型與衛(wèi)星模型結(jié)構(gòu)地之間存在一個固定電位V0，則在計算時始終將衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地與太陽陣之間設(shè)置為固定電位V0，因此懸浮電位Vs=V0+V，Vs作為下一個預設(shè)時間步長的初始值。
[0060]本發(fā)明提供的低軌衛(wèi)星懸浮電位仿真分析方法，通過PIC粒子模擬方法，能夠有效提高衛(wèi)星懸浮電位計算的精度。
[0061]在本發(fā)明上述各實施例中，實施例的序號僅僅便于描述，不代表實施例的優(yōu)劣。對各個實施例的描述都各有側(cè)重，某個實施例中沒有詳述的部分，可以參見其他實施例的相關(guān)描述。
[0062]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解:實現(xiàn)上述方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關(guān)的硬件來完成，前述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質(zhì)中，該程序在執(zhí)行時，執(zhí)行包括上述方法實施例的步驟；而前述的存儲介質(zhì)包括:只讀存儲器(Read-Only Memory,簡稱 ROM)、隨機存取存儲器(Random Access Memory,簡稱 RAM)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。
[0063]在本發(fā)明的裝置和方法等實施例中，顯然，各部件或各步驟是可以分解、組合和/或分解后重新組合的。這些分解和/或重新組合應視為本發(fā)明的等效方案。同時，在上面對本發(fā)明具體實施例的描述中，針對一種實施方式描述和/或示出的特征可以以相同或類似的方式在一個或更多個其它實施方式中使用，與其它實施方式中的特征相組合，或替代其它實施方式中的特征。
[0064]應該強調(diào)，術(shù)語“包括/包含”在本文使用時指特征、要素、步驟或組件的存在，但并不排除一個或更多個其它特征、要素、步驟或組件的存在或附加。
[0065]最后應說明的是:雖然以上已經(jīng)詳細說明了本發(fā)明及其優(yōu)點，但是應當理解在不超出由所附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以進行各種改變、替代和變換。而且，本發(fā)明的范圍不僅限于說明書所描述的過程、設(shè)備、手段、方法和步驟的具體實施例。本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員從本發(fā)明的公開內(nèi)容將容易理解，根據(jù)本發(fā)明可以使用執(zhí)行與在此所述的相應實施例基本相同的功能或者獲得與其基本相同的結(jié)果的、現(xiàn)有和將來要被開發(fā)的過程、設(shè)備、手段、方法或者步驟。因此，所附的權(quán)利要求旨在在它們的范圍內(nèi)包括這樣的過程、設(shè)備、手段、方法或者步驟。
【權(quán)利要求】
1.一種低軌衛(wèi)星懸浮電位防真分析方法，其特征在于，包括: 獲取低軌空間的環(huán)境參數(shù)、太陽陣的狀態(tài)參數(shù)以及衛(wèi)星的材料信息； 根據(jù)所述環(huán)境參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)以及材料信息建立動態(tài)仿真模型； 對所述動態(tài)仿真模型進行數(shù)值模擬計算以得出衛(wèi)星模型在預設(shè)時間內(nèi)的懸浮電位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低軌衛(wèi)星懸浮電位仿真分析方法，其特征在于，所述環(huán)境參數(shù)包括:電子密度、電子溫度、離子密度、離子溫度； 所述太陽陣的狀態(tài)參數(shù)包括: 太陽陣相對于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地之間的固定電位、太陽陣裸露金屬互聯(lián)的位置和連接方式； 所述衛(wèi)星的材料信息包括衛(wèi)星表面的材料信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低軌衛(wèi)星懸浮電位仿真分析方法，其特征在于，根據(jù)所述空間環(huán)境參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)以及材料信息建立動態(tài)仿真模型，包括: 根據(jù)所述電子密度、電子溫度、離子密度、離子溫度建立相應的等離子體環(huán)境模型，根據(jù)所述工作電壓、裸露金屬的互聯(lián)位置和連接方式，建立太陽陣模型，根據(jù)所述衛(wèi)星表面的材料信息建立衛(wèi)星模型；所述衛(wèi)星模型及太陽陣模型處于所述等離子體環(huán)境模型中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低軌衛(wèi)星懸浮電位仿真分析方法，其特征在于，對所述動態(tài)仿真模型進行數(shù)值模擬計算以得出所述衛(wèi)星模型的在預設(shè)時間內(nèi)的懸浮電位，包括: 設(shè)置預設(shè)時間及時間步長； 計算每一個時間步長內(nèi)的衛(wèi)星模型的懸浮電`位直至達到預設(shè)時間； 將太陽陣模型與衛(wèi)星模型結(jié)構(gòu)地之間的固定電位和每一個時間步長內(nèi)獲得的懸浮電位進行疊加，以獲得所述衛(wèi)星模型在預設(shè)時間內(nèi)的懸浮電位。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低軌衛(wèi)星懸浮電位仿真分析方法，其特征在于，所述計算每一個時間步長內(nèi)的衛(wèi)星模型的懸浮電位，包括: 將等離子體環(huán)境模型劃分為多個網(wǎng)格單元； 根據(jù)每個網(wǎng)格單元的等離子環(huán)境變化規(guī)律，確定一個時間步長內(nèi)網(wǎng)格單元內(nèi)的帶電粒子的數(shù)量及速度，并根據(jù)所述帶電粒子的數(shù)量和速度確定每個網(wǎng)格單元的電流； 根據(jù)各個網(wǎng)格單元的電流計算一個時間步長內(nèi)衛(wèi)星模型的懸浮電位。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低軌衛(wèi)星懸浮電位仿真分析方法，其特征在于，依據(jù)等離子體的德拜長度，將所述等離子體環(huán)境模型分解為多個網(wǎng)格單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低軌衛(wèi)星懸浮電位仿真分析方法，其特征在于，根據(jù)每個網(wǎng)格單元的等離子環(huán)境變化規(guī)律，確定一個時間步長內(nèi)網(wǎng)格單元內(nèi)的帶電粒子的數(shù)量及速度，并根據(jù)所述帶電粒子的數(shù)量和速度確定每個網(wǎng)格單元的電流，包括: 確定所述帶電粒子的初始位置和初始速度； 通過泊松方程和麥克斯韋方程組得出各個網(wǎng)格單元的電場和磁場，并利用洛倫茲力公式和牛頓運動公式，分別計算每個網(wǎng)格單元中帶電粒子的洛倫茲力和運動狀況； 根據(jù)所述每個網(wǎng)格單元中的帶電粒子的洛倫茲力和運動狀況，獲得帶電粒子的速度和數(shù)量； 根據(jù)網(wǎng)格單元中的帶電粒子的速度和數(shù)量，計算所述網(wǎng)格單元在一個時間步長內(nèi)的電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的低軌衛(wèi)星懸浮電位仿真分析方法，其特征在于，根據(jù)各個網(wǎng)格單元的電流計算一個時間步長內(nèi)衛(wèi)星模型的懸浮電位，包括: 通過每個網(wǎng)格單元中的電流計算每個網(wǎng)格單元中的電量； 根據(jù)所述電量計算所述每個網(wǎng)格單元中的電位； 將各個網(wǎng)格單元計算獲得的電位進行疊加，以獲得所述衛(wèi)星模型在一個時間步長內(nèi)的懸浮電位。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的低軌衛(wèi)星懸浮電位仿真分析方法，其特征在于， 所述帶電粒子的初始位置和初始速度，分別為上一個時間步長結(jié)束時帶電粒子的位置和速度。
【文檔編號】G06F17/50GK103761359SQ201310722549
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】湯道坦, 楊生勝, 李得天, 秦曉剛, 柳青, 王俊 申請人:蘭州空間技術(shù)物理研究所