一种基于斜入射的卫星电离总剂量解析分析方法与流程

1.本发明涉及一种基于斜入射的卫星电离总剂量解析分析方法，属于空间辐射技术领域。


背景技术：

2.卫星在轨会遭遇捕获带电子、捕获带质子、太阳耀斑质子等带电粒子，形成电离总剂量效应，造成器件参数超差、性能退化。卫星研制过程中，需对电离总剂量进行防护设计，确保电离总剂量效应不影响卫星在轨性能。
3.电离总剂量分析是进行防护设计的基础，目前主要有一维分析和三维分析两种方法。一维分析方法首先根据空间辐射环境，计算电离总剂量和垂直入射条件下等效铝屏蔽厚度关系数据，然后分析在垂直于器件的一维方向上，仅考虑卫星舱板、单机外壳、电路板等简化屏蔽，形成一维方向的总屏蔽厚度，再据此从总剂量和屏蔽厚度关系数据中查到对应的电离总剂量。三维分析方法需构建单机和整星三维屏蔽模型，分析单机或整星内部、各个方向的屏蔽厚度及对应总剂量，最终将各个方向的总剂量相加得到最终的总剂量。
4.一维分析方法仅考虑垂直于器件方向的主要屏蔽，分析方法简单，但未考虑斜入射情况。在斜入射的情况下，粒子穿过的路径增长，屏蔽厚度增厚，总剂量变低，因此一维分析方法得到的总剂量结果偏大。但是，一维分析方法中与整星相关的屏蔽只考虑了舱板，并且未考虑其它单机屏蔽，因此单机屏蔽与整星构型、布局没有耦合关系，单机设计不必与整星进行迭代，有利于简化设计流程。
5.三维分析方法不仅考虑了各个方向的屏蔽，而且包含了斜入射带来的厚度增加、剂量降低效果，其总剂量结果较低、更接近真实情况，有利于降低单机和器件屏蔽需求。但是，三维分析方法需构建整星三维模型，建模工作量非常大，常常需要数周时间；而且由于考虑了整星结构和布局，导致单机与整星存在耦合关系，一旦整星结构和布局发生变化，会造成单机屏蔽条件发生变化，单机设计存在反复迭代的风险。


技术实现要素：

6.本发明提出一种基于斜入射的卫星电离总剂量解析分析方法，考虑了斜入射带来的屏蔽厚度增厚、总剂量变低效应，显著降低电离总剂量数据。
7.本发明通过以下技术方案实现。
8.一种基于斜入射的卫星电离总剂量解析分析方法，包括以下步骤：
9.步骤一、根据卫星运行轨道参数分析卫星电离总剂量与垂直入射条件下等效铝屏蔽厚度的关系；
10.步骤二、根据所述卫星电离总剂量与垂直入射条件下等效屏蔽厚度的关系获取所述卫星电离总剂量与垂直入射条件下等效屏蔽厚度关系的拟合公式及拟合系数；
11.步骤三、利用所述拟合公式及拟合系数分析考虑斜入射效应的各向同性入射条件下的卫星电离总剂量与等效铝屏蔽厚度的计算公式；
12.步骤四、根据所述计算公式分析卫星内部单机中器件的电离总剂量。
13.本发明的有益效果：
14.1、本发明考虑了斜入射带来的屏蔽厚度增效效应，并通过拟合系数的分析，能够有效降低电离总剂量分析结果，从而有效降低器件选择难度，有利于降低卫星重量、减少研制成本、加快研制进度；
15.2、本发明将卫星运行轨道分为地球静止轨道、中地球轨道、低地球轨道，提出不同的拟合公式，并根据不同的拟合系数进行总剂量的分析，约为仅考虑一维垂直厚度总剂量的16％～58％；
16.3、本发明只考虑单机卫星舱板、单机外壳、电路板主要屏蔽物，不考虑整星结构和布局，可解除单机与整星的耦合关系，不需要单机和整星之间迭代设计，避免了研制出现反复。
附图说明
17.图1为本发明基于斜入射的卫星电离总剂量解析分析方法流程图；
18.图2为具体实施方式中地球静止轨道电离总剂量分析值与拟合值结果；
19.图3为具体实施方式中中地球轨道电离总剂量分析值与拟合值结果。
20.图4为具体实施方式中低地球轨道电离总剂量分析值与拟合值结果。
21.图5为考虑斜入射的厚度变化情况示意图。
具体实施方式
22.下面结合参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
23.如图1所示，本发明的基于斜入射的卫星电离总剂量解析分析方法，具体包括以下步骤：
24.步骤一、根据卫星运行轨道参数分析卫星电离总剂量与垂直入射条件下等效铝屏蔽厚度的关系；
25.下面以地球静止轨道(轨道高度35786km)、中地球轨道(轨道高度 20000km～25000km)、低地球轨道(轨道高度低于1500km)为例，表1分别给出了三种轨道的电离总剂量与屏蔽铝厚度的关系数据。
26.表1不同轨道的电离总剂量与屏蔽铝厚度的关系
27.[0028][0029]
步骤二、根据所述卫星电离总剂量与垂直入射条件下等效屏蔽厚度的关系获取所述卫星电离总剂量与垂直入射条件下等效屏蔽厚度关系的拟合公式及拟合系数；
[0030]
具体实施时，不同轨道经历的空间辐射环境不同，相应的电离总剂量与屏蔽厚度关系存在差异，因此本实施例针对不同轨道提出了不同的拟合公式，具体为：
[0031]
对于地球静止轨道和低地球轨道，按照公式(1)进行拟合：
[0032][0033]
其中f为总剂量，单位为rad(si)；t为等效屏蔽铝厚度，单位为mm；a1、 b1、a2、b2、a3、b3为拟合系数。
[0034]
对于中地球静止轨道，按照公式(2)进行拟合：
[0035][0036]
其中f为总剂量，单位为rad(si)；t为等效屏蔽铝厚度，单位为mm；a4、 b4、a5、b5、a6、b6为拟合系数。
[0037]
可以看出，上述公式(1)和公式(2)第1项和第3项形式相同，第2项存在差异：本实施例中公式(1)中第2项t的指数为0.5，而公式(2)中第2 项t的指数为1。
[0038]
按照公式(1)和公式(2)，对表1中地球静止轨道、中地球轨道、低地球轨道的电离总剂量与屏蔽铝厚度的关系数据进行拟合，可以得到相应的拟合系数，结果如下：
[0039]
地球静止轨道拟合结果见图2，拟合系数如下述公式(3)：
[0040][0041]
中地球轨道拟合结果见图3，拟合系数如下述公式(4)：
[0042][0043]
低地球轨道拟合结果见图4，拟合系数如下述公式(5)：
[0044][0045]
步骤三、利用所述拟合公式及拟合系数分析考虑斜入射效应的各向同性入射条件下的卫星电离总剂量与等效铝屏蔽厚度的计算公式；
[0046]
该步骤的实现原理是：空间粒子是各向同性入射的，既有垂直入射的情况、也有斜入射的情况；斜入射穿过的屏蔽厚度大于垂直入射屏蔽厚度，因此考虑斜入射造成的总剂量低于仅考虑垂直入射的总剂量。本实施例中分析考虑斜入射效应的各向同性入射的总剂量与屏蔽厚度的关系，如图5所示，具体为：
[0047]
首先将各向同性入射条件下不同入射角度对应的总剂量进行积分，入射角度θ条件下，垂直厚度t变为斜厚度t/cos(θ)，将斜厚度带入到公式(1)、(2) 中，得到斜入射条件下的总剂量，并将斜入射总剂量对θ在(0，π/2)范围进行积分，得到考虑斜入射效应的各向同性入射条件下的总剂量与屏蔽厚度的关系，所述积分采用下述公式(6)：
[0048][0049]
然后将不同轨道的拟合函数(即公式(1)、(2))分别代入公式(6)中，分别得到地球静止轨道和低地球轨道、中地球轨道总剂量的公式；如下式所示：
[0050]
地球静止轨道和低地球轨道的总剂量与屏蔽厚度关系的公式为：
[0051][0052]
中地球轨道的总剂量与屏蔽厚度关系的公式为：
[0053][0054]
其中，屏蔽厚度为t时总剂量为f(t)，当斜入射角度为θ时，屏蔽厚度为 t/cos(θ)，则总剂量为f(t/cos(θ))，ei(z)为指数积分函数，表达式为
[0055][0056]
可以看出，上述公式(7)和公式(8)得到了在考虑斜入射效应的各向同性入射条件下，当垂直厚度为t时，内部的实际剂量d的计算公式。
[0057]
最后，将公式(3)、(5)的拟合系数带入公式(7)，将公式(4)的拟合系数带入公式(8)，就可以得到地球静止轨道和低地球轨道、中地球轨道总剂量与屏蔽厚度关系的结果。
[0058]
地球静止轨道的总剂量与屏蔽厚度关系的计算公式为：
[0059][0060]
中地球轨道的总剂量与屏蔽厚度关系的计算公式为：
[0061][0062]
低地球轨道的总剂量与屏蔽厚度关系的计算公式为：
[0063][0064]
步骤四、根据所述计算公式分析卫星内部单机中器件的电离总剂量；具体为：
[0065]
针对卫星内部单机中的某个器件，获得卫星舱板、单机外壳、电路板主要屏蔽物的厚度，将各个主要屏蔽物的等效铝厚度相加，得到总等效铝厚度t0。根据卫星所处的轨道高度，从公式(10)、公式(11)、公式(12)中选择合适的轨道，将总等效铝厚度t0代入到公式，计算得到对应的总剂量，即可得到器件的剂量。
[0066]
通过计算，表2给出了不同轨道高度、不同等效铝屏蔽厚度下的总剂量计算结果。可以看出，可以看到考虑斜入射效应后总剂量为仅考虑垂直入射方法总剂量的16％～58％，即在不添加任何额外屏蔽的条件下，考虑斜入射效应可将总剂量降低一半左右。
[0067]
表2 考虑斜入射效应的电离总剂量结果及与仅考虑垂直入射方法结果的比例
[0068]
[0069]
[0070][0071]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。