低轨卫星悬浮电位仿真分析方法
【专利摘要】本发明提供一种低轨卫星悬浮电位仿真分析方法，包括：获取低轨空间的环境参数、太阳阵的状态参数以及卫星的材料信息；根据所述环境参数、状态参数以及材料信息建立动态仿真模型；对所述动态仿真模型进行数值模拟计算以得出卫星模型的悬浮电位；以动态仿真模型为基础，通过粒子模拟数值分析方法计算卫星的悬浮电位，能够有效提高计算的精度。
【专利说明】低轨卫星悬浮电位仿真分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航天【技术领域】，尤其涉及一种低轨卫星悬浮电位仿真分析方法。
【背景技术】
[0002]太阳电池阵电源系统作为卫星最重要的有效载荷之一，由于它完全暴露于空间等离子体环境中，容易受到空间带电环境的影响而收集空间等离子体环境中的电流，引发卫星结构电位变化。卫星的结构电位变化将会引起放电事件及影响卫星上载荷的正常工作，如引起空间环境探测载荷的探测数据误差、导致高压太阳阵的烧毁等。在卫星设计阶段，需要针对其运行的空间环境开展悬浮电位的分析，从而采取有效的方法进行控制。
[0003]目前在卫星与空间等离子体相互作用的分析计算方面，一般采用了磁流体和粒子模拟两种方法。而粒子模拟(PIC)数值分析方法是一种以动态等离子体模型为基础的功能强大的数值计算方法，它能够比较精确地对卫星与空间等离子体之间的互相作用进行分析计算。如ESA/T0S-EMA开发了 LE0/PE0 (Polar Earth Orbit)轨道的处理卫星等离子体相互作用和电磁效应软件，其中数值计算采用二维PIC方法。由欧洲IRF-K、CNRS-UVSQ/CETP和ESA/T0S-EMA共同开发研制的PicUp3D/Spis卫星与等离子体相互作用模拟软件，都采用了精度更高的PIC方法。但是，针对卫星悬浮电位分析，目前多采用近似解析的方法开展分析计算，解析的方法计算在精度方面较低。而且，科学探测载荷对于悬浮电位的精度要求往往很高。因此建立一种高精度的悬浮电位计算方法具有重要的意义。
【发明内容】
[0004]在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0005]本发明提供一种低轨卫星悬浮电位仿真分析方法，包括:
[0006]获取低轨空间的环境参数、太阳阵的状态参数以及卫星的材料信息；
[0007]根据所述环境参数、状态参数以及材料信息建立动态仿真模型；
[0008]对所述动态仿真模型进行数值模拟计算以得出卫星模型在预设时间内的悬浮电位。
[0009]本发明提供的地轨卫星悬浮电位仿真分析方法，以动态仿真模型为基础，通过粒子模拟数值分析方法计算卫星的悬浮电位，能够有效提高计算的精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0011]图1为本发明提供的低轨卫星悬浮电位仿真分析方法一种实施例的流程图。
[0012]图2为本发明提供的低轨卫星悬浮电位仿真分析方法中网格单元划分的示意图。
【具体实施方式】
[0013]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0014]参考图1，本实施例提供，一种低轨卫星悬浮电位仿真分析方法，包括:
[0015]步骤S101，获取低轨空间的环境参数、太阳阵的状态参数以及卫星的材料信息；
[0016]步骤S102，根据所述环境参数、状态参数以及材料信息建立动态仿真模型；
[0017]步骤S103，对所述动态仿真模型进行数值模拟计算以得出卫星模型在预设时间内的悬浮电位。
[0018]具体地，低轨空间的环境参数包括:电子密度、电子温度、离子密度、离子温度；太阳阵的状态参数包括:太阳阵相对于卫星结构地的工作电压、太阳阵裸露金属互联的位置和连接方式；卫星的材料信息包括卫星表面的材料信息。
[0019]其中，环境参数采用典型的低轨道环境参数，其中电子温度为0.3eV，电子密度为109/m3，离子温度为OleV，离子密度为109/m3。
[0020]太阳阵包括成矩阵排列的多个太阳能电池，太阳能电池的表面覆盖有玻璃盖片，玻璃盖片上采用防静电的ITO膜包覆，将卫星的防静电膜ITO接地并作为卫星的结构地；各个太阳能电池之间通过裸露的金属互联，串联的太阳能电池提供工作电压，再并联提供工作电流。
[0021]本实施例中需要计算的卫星的悬浮电位为卫星的结构地与太阳阵中互联的裸露金属之间的电位差。
[0022]根据低轨道的特点，等离子体与卫星相互作用采用PIC (粒子模型)进行分析，根据所述空间环境参数、状态参数以及材料信息建立动态仿真模型，包括:
[0023]根据所述电子密度、电子温度、离子密度、离子温度建立相应的等离子体环境模型，根据所述工作电压、裸露金属的互联位置和连接方式，建立太阳阵模型，根据所述卫星表面的材料信息建立卫星模型；所述卫星模型及太阳阵模型处于所述等离子体环境模型中。
[0024]对所述动态仿真模型进行数值模拟计算以得出所述卫星模型的在预设时间内的悬浮电位，包括:
[0025]设置预设时间及时间步长；
[0026]计算每一个时间步长内的卫星模型的悬浮电位直至达到预设时间；
[0027]将太阳阵模型与卫星模型结构地之间的固定电位和每一个时间步长内获得的悬浮电位进行叠加以获得所述卫星模型在预设时间内的悬浮电位。
[0028]进一步地，所述计算每一个时间步长内的卫星的悬浮电位，包括:
[0029]将等离子体环境模型划分为多个网格单元；
[0030]根据每个网格单元的等离子环境变化规律确定一个时间步长内网格单元内的带电粒子的数量及速度，并根据所述带电粒子的数量和速度确定每个网格单元的电流；
[0031]根据各个网格单元的电流计算一个时间步长内卫星模型的悬浮电位。
[0032]所述等离子环境模型中包含等离子体区域、卫星模型和太阳阵模型，划分网格单元时需要对等离子体区域、卫星模型和太阳阵模型进行划分。
[0033]具体地，对于等离子体区域的划分，是依据等离子体的德拜长度，一般为0.7 λ D，对于太阳阵模型的网格划分，需要根据具体的细节，网格需要更精细，可能比0.7λΒ更小，例如太阳阵中太阳能电池的之间的间隙通常只有1_，则需要将网格划分为1mm。
[0034]实际情况中，可根据具体的结构特点对网格进行划分。
[0035]进一步地，根据每个网格单元的等离子环境变化规律确定一个时间步长内网格单元内的带电粒子的数量及速度，并根据所述带电粒子的数量和速度确定每个网格单元的电流，包括:
[0036]确定所述带电粒子的初始位置和初始速度；
[0037]通过泊松方程和麦克斯韦方程组得出各个网格单元的电场和磁场，并利用洛伦兹力公式和牛顿运动公式分别计算每个网格单元中带电粒子的洛伦兹力和运动状况；
[0038]根据所述每个网格单元中的带电粒子的洛伦兹力和运动状况，获得带电粒子的速度和数量；
[0039]根据网格单元中的带电粒子的速度和数量，计算所述网格单元在一个时间步长内的电流。
[0040]上述步骤是在一个时间步长内，因此带电粒子的初始位置和初始速度为上一个时间步长结束时带电粒子的位置和速度。在最开始时，带电粒子初始时在等离子体环境模型的空间内均匀分布，其密度满足环境参数给出的密度；电子温度和离子温度即为带电粒子的能量，满足麦克斯韦分布，模拟时，根据环境中的电子温度、离子温度，将模型内的带电粒子进行麦克斯韦分布初始化，参考图2，一般方法为将带电粒子的速度在模拟空间内分解为X、Y、Z三个方向的分速度，分速度满足麦克斯韦分布。
[0041]将模型划分为有限数目的网格单元，将空间内的电子和离子的电荷量通过面积权重分配到各个网格单元中，如图2所示，以获得各个网格单元的电荷密度，以电荷密度为基础，通过泊松方程和麦克斯韦方程组计算网格单元的电场和磁场，在以该电场和磁场为基础，利用洛伦兹力公式和牛顿运动公式，计算每个网格单元中带电粒子的受力及运动，进而在求出带电粒子的速度和数量。
[0042]麦克斯韦方程组是一组描述电场、磁场、电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程，以电荷密度为基础，通过麦克斯韦方程组计算电场和磁场的方法为本领域技术人员公知，在此不在赘述。
[0043]获得网格单元中的带电粒子的速度和数量之后，根据电流强度的计算公式，计算得出网格单元的电流。
[0044]上述步骤是在一个预设时间步长内的过程，以上一个预设时间步长内的带电粒子的位置和速度为初始，进行下一个时间步长内的计算，进行循环计算，从而获得想要的时间内的带电粒子的数量和速度。
[0045]进一步地，根据各个网格单元的电流计算一个时间步长内卫星模型的悬浮电位，包括:
[0046]通过每个网格单元中的电流计算每个网格单元中的电量；
[0047]根据所述电量计算所述每个网格单元中的电位；
[0048]将各个网格单元计算获得的电位进行叠加，以获得所述卫星模型在一个时间步长内的悬浮电位值。
[0049]网格单元中的电量采用如下公式进行计算:
[0050]Qi=IT ；
[0051]其中Q为电量，I为电流，T为预设时间步长。
[0052]每个网格单元的电位采用如下公式进行计算:
[0053]Vi=Qi/Ci ；
[0054]其中Vi为每个网格单元的电位，Qi为电量，Ci为每个网格单元对地电容。
[0055]获得所述卫星模型在预设时间步长内的悬浮电位值采用如下公式进行计算:
[0056]V=Σ Qj/C ；
[0057]其中V为卫星模型在预设时间内的悬浮电位值，C为卫星模型整个结构的对地电容。
[0058]获得所述卫星一个时间步长内的悬浮电位值之后，将每一个时间步长内获得的悬浮电位进行叠加以获得所述卫星在预设时间内的悬浮电位。
[0059]由于太阳阵模型与卫星模型结构地之间存在一个固定电位V0，则在计算时始终将卫星结构地与太阳阵之间设置为固定电位V0，因此悬浮电位Vs=V0+V，Vs作为下一个预设时间步长的初始值。
[0060]本发明提供的低轨卫星悬浮电位仿真分析方法，通过PIC粒子模拟方法，能够有效提高卫星悬浮电位计算的精度。
[0061]在本发明上述各实施例中，实施例的序号仅仅便于描述，不代表实施例的优劣。对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0062]本领域普通技术人员可以理解:实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括:只读存储器(Read-Only Memory,简称 ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory,简称 RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0063]在本发明的装置和方法等实施例中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
[0064]应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
[0065]最后应说明的是:虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。
【权利要求】
1.一种低轨卫星悬浮电位防真分析方法，其特征在于，包括: 获取低轨空间的环境参数、太阳阵的状态参数以及卫星的材料信息； 根据所述环境参数、状态参数以及材料信息建立动态仿真模型； 对所述动态仿真模型进行数值模拟计算以得出卫星模型在预设时间内的悬浮电位。
2.根据权利要求1所述的低轨卫星悬浮电位仿真分析方法，其特征在于，所述环境参数包括:电子密度、电子温度、离子密度、离子温度； 所述太阳阵的状态参数包括: 太阳阵相对于卫星结构地之间的固定电位、太阳阵裸露金属互联的位置和连接方式； 所述卫星的材料信息包括卫星表面的材料信息。
3.根据权利要求2所述的低轨卫星悬浮电位仿真分析方法，其特征在于，根据所述空间环境参数、状态参数以及材料信息建立动态仿真模型，包括: 根据所述电子密度、电子温度、离子密度、离子温度建立相应的等离子体环境模型，根据所述工作电压、裸露金属的互联位置和连接方式，建立太阳阵模型，根据所述卫星表面的材料信息建立卫星模型；所述卫星模型及太阳阵模型处于所述等离子体环境模型中。
4.根据权利要求3所述的低轨卫星悬浮电位仿真分析方法，其特征在于，对所述动态仿真模型进行数值模拟计算以得出所述卫星模型的在预设时间内的悬浮电位，包括: 设置预设时间及时间步长； 计算每一个时间步长内的卫星模型的悬浮电`位直至达到预设时间； 将太阳阵模型与卫星模型结构地之间的固定电位和每一个时间步长内获得的悬浮电位进行叠加，以获得所述卫星模型在预设时间内的悬浮电位。
5.根据权利要求4所述的低轨卫星悬浮电位仿真分析方法，其特征在于，所述计算每一个时间步长内的卫星模型的悬浮电位，包括: 将等离子体环境模型划分为多个网格单元； 根据每个网格单元的等离子环境变化规律，确定一个时间步长内网格单元内的带电粒子的数量及速度，并根据所述带电粒子的数量和速度确定每个网格单元的电流； 根据各个网格单元的电流计算一个时间步长内卫星模型的悬浮电位。
6.根据权利要求5所述的低轨卫星悬浮电位仿真分析方法，其特征在于，依据等离子体的德拜长度，将所述等离子体环境模型分解为多个网格单元。
7.根据权利要求5所述的低轨卫星悬浮电位仿真分析方法，其特征在于，根据每个网格单元的等离子环境变化规律，确定一个时间步长内网格单元内的带电粒子的数量及速度，并根据所述带电粒子的数量和速度确定每个网格单元的电流，包括: 确定所述带电粒子的初始位置和初始速度； 通过泊松方程和麦克斯韦方程组得出各个网格单元的电场和磁场，并利用洛伦兹力公式和牛顿运动公式，分别计算每个网格单元中带电粒子的洛伦兹力和运动状况； 根据所述每个网格单元中的带电粒子的洛伦兹力和运动状况，获得带电粒子的速度和数量； 根据网格单元中的带电粒子的速度和数量，计算所述网格单元在一个时间步长内的电流。
8.根据权利要求7所述的低轨卫星悬浮电位仿真分析方法，其特征在于，根据各个网格单元的电流计算一个时间步长内卫星模型的悬浮电位，包括: 通过每个网格单元中的电流计算每个网格单元中的电量； 根据所述电量计算所述每个网格单元中的电位； 将各个网格单元计算获得的电位进行叠加，以获得所述卫星模型在一个时间步长内的悬浮电位。
9.根据权利要求7所述的低轨卫星悬浮电位仿真分析方法，其特征在于， 所述带电粒子的初始位置和初始速度，分别为上一个时间步长结束时带电粒子的位置和速度。
【文档编号】G06F17/50GK103761359SQ201310722549
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】汤道坦, 杨生胜, 李得天, 秦晓刚, 柳青, 王俊 申请人:兰州空间技术物理研究所