一種基于多時標粒子推動獲得衛(wèi)星表面電位的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多時標粒子推動獲得衛(wèi)星表面電位的方法,根據(jù)空間等離子體特性和衛(wèi)星尺寸，對模擬空間實行不同區(qū)域采用不同網(wǎng)格尺寸的劃分方法，即在衛(wèi)星附近區(qū)域采用精細網(wǎng)格劃分，在遠離衛(wèi)星區(qū)域采用粗網(wǎng)格劃分，由此在保證一定計算精度的前提下，較大程度地節(jié)省了運算時間，較好的解決了地球靜止軌道PIC表面帶電仿真分析的計算效率和精度之間的矛盾；通過采用不同的時間步長分別推動電子和離子，在保證計算精度的前提下，能夠節(jié)省近一半的計算量，提高了計算效率。
【專利說明】-種基于多時標粒子推動獲得衛(wèi)星表面電位的方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及空間應用技術，尤其涉及一種基于多時標粒子推動獲得衛(wèi)星表面電位 的方法。

【背景技術】
[0002] 衛(wèi)星與地球靜止軌道的空間等離子體相互作用會收集等離子體中的電子和離子， 從而產(chǎn)生表面帶電效應。在航天器總體設計階段，通過仿真計算衛(wèi)星的表面電位分布，找出 可能發(fā)生放電的部位，并加以改進，可有效降低研發(fā)成本、和提高航天器工作的可靠性。
[0003] 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的功能強大 的數(shù)值計算方法，它能夠比較精確地對航天器與空間等離子體之間的互相作用進行分析計 算。但是PIC方法需要跟蹤大量的帶電粒子，因此存在計算量大的缺點。計算量過大已經(jīng) 成為限制PIC方法應用在衛(wèi)星表面電位仿真計算中的最重要的因素。因此，建立一種能夠 節(jié)省PIC衛(wèi)星表面電位計算量的分析方法對于PIC的表面帶電仿真分析應用具有重要的意 義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于多時標粒子推動獲得衛(wèi)星表面電位的方法，根 據(jù)空間等離子體特性和衛(wèi)星尺寸，以衛(wèi)星為中心劃分出N重相互重疊且逐漸減小的空間區(qū) 域，并實行不同區(qū)域采用不同網(wǎng)格尺寸的劃分方法，即離衛(wèi)星較近的較小空間區(qū)域采用精 細網(wǎng)格劃分，在遠離衛(wèi)星的較大空間區(qū)域采用粗網(wǎng)格劃分，由此在保證一定計算精度的前 提下，較大程度地節(jié)省了運算時間；同時，采用不同的時標對電子和離子進行推動，進一步 節(jié)省計算時間，提高效率。
[0005] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：
[0006] 本發(fā)明的一種基于多時標粒子推動獲得衛(wèi)星表面電位的方法，包括下列步驟：
[0007] 步驟1、確定衛(wèi)星所在位置的空間環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)空間環(huán)境參數(shù)確定等離子體的 德拜長度；
[0008] 步驟2、然后根據(jù)所述的德拜長度確定衛(wèi)星周圍的模擬空間的大??；模擬空間的 半徑至少等于所述德拜長度；
[0009] 步驟3、在模擬空間范圍內(nèi)，劃分出N重相互重疊且逐漸減小的空間區(qū)域，N重空間 區(qū)域均以衛(wèi)星為中心，然后對每重空間區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，且第一至第N重空間區(qū)域的網(wǎng) 格尺寸逐漸減??；
[0010] 步驟4、在模擬空間通過PIC方法獲得各重空間區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點參量，包括：節(jié)點 電荷量、電勢和電場以及各帶點粒子的位置和運動速度，然后根據(jù)第N重空間區(qū)域的網(wǎng)格 節(jié)點參量獲得衛(wèi)星表面電位，所述帶點粒子包括電子和離子，具體為：
[0011] S42、令電子推動次數(shù)k = 0 ;
[0012] S43、對于第一重空間區(qū)域，根據(jù)當前帶點粒子的分布，獲得每個網(wǎng)格節(jié)點的電荷 量和電勢，并結合該重空間區(qū)域的邊界條件獲得每個網(wǎng)格節(jié)點的電場；利用網(wǎng)格節(jié)點電場， 獲得下一電子時間步長初始時刻電子的位置和速度，將離子看作保持靜止不動，則獲得下 一電子時間步長初始時刻帶電粒子的分布；其中，電子時間步長△ t =本步驟對應的網(wǎng)格 尺寸/電子平均運動速度；
[0013] S44、對于第二至第N重網(wǎng)格，根據(jù)已經(jīng)獲得的上一重空間區(qū)域內(nèi)下一電子時間步 長初始時刻帶點粒子的分布，獲得每個網(wǎng)格節(jié)點的電荷量和電勢，并結合該網(wǎng)格區(qū)域的邊 界條件獲得每個網(wǎng)格節(jié)點的電場；利用網(wǎng)格節(jié)點電場獲得下一電子時間步長初始時刻電子 的分布，將離子看作保持靜止不動，則獲得下一電子時間步長初始時刻帶電粒子的分布；；
[0014] 其中，所述該重空間區(qū)域的邊界條件根據(jù)上一重空間區(qū)域中的節(jié)點電勢確定；
[0015] 得到第N重空間區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點參量后，計算衛(wèi)星表面電位；然后判斷平衡條件 是否滿足：如果滿足，輸出衛(wèi)星表面電位；如果不滿足，k累計一次，并判斷k值是否等于n， \m. ，mi表示離子質量，1116表示電子質量；如果不等于，執(zhí)行S42至S44 ;如果等于，執(zhí) 行步驟S45 ;
[0016] 所述平衡條件為：本輪計算得到的網(wǎng)格節(jié)點的電荷量與上一輪得到的網(wǎng)格節(jié)點電 荷量的差值是否小于設定閾值，如果小于，則滿足平衡條件，如果大于或者等于，則不滿足 平衡條件；
[0017] S45、對于第一重空間區(qū)域，根據(jù)S44中獲得的網(wǎng)格節(jié)點電場，獲得下一離子時間 步長初始時刻離子的位置和速度，同時，根據(jù)S44中已經(jīng)獲得的電子的分布，獲得下一離子 時間步長初始時刻帶電粒子的分布；其中，離子時間步長=nAt ;
[0018] S46、對于第二至第N重空間區(qū)域，根據(jù)已經(jīng)獲得的上一重空間區(qū)域內(nèi)下一離子時 間步長初始時刻帶點粒子的分布，獲得每個網(wǎng)格節(jié)點的電荷量和電勢，并結合該重空間區(qū) 域的邊界條件獲得每個網(wǎng)格節(jié)點的電場；利用網(wǎng)格節(jié)點電場獲得下一離子時間步長初始時 刻帶點粒子的分布；
[0019] S47、得到第N重空間區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點參量后，計算衛(wèi)星表面電位；然后判斷平衡 條件是否丨兩足：如果丨兩足，輸出衛(wèi)星表面電似；如果不丨兩足，執(zhí)彳丁 S42至S47。
[0020] 所述第一重空間區(qū)域的網(wǎng)格尺寸小于0. 7倍德拜長度。
[0021] 較佳的，第N重空間區(qū)域的網(wǎng)格尺寸小于衛(wèi)星尺寸的1/10。
[0022] 較佳的，當前空間區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為下一重空間區(qū)域的網(wǎng)格尺寸的10倍。
[0023] 較佳的，所述設定閾值取為：1(T7C?1(T6C。
[0024] 較佳的，所述模擬空間的半徑為所述德拜長度的1-2倍。
[0025] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0026] (1)本發(fā)明根據(jù)空間等離子體特性和衛(wèi)星尺寸，對模擬空間實行不同區(qū)域采用不 同網(wǎng)格尺寸的劃分方法，即在衛(wèi)星附近區(qū)域采用精細網(wǎng)格劃分，在遠離衛(wèi)星區(qū)域采用粗網(wǎng) 格劃分，由此在保證一定計算精度的前提下，較大程度地節(jié)省了運算時間，較好的解決了地 球靜止軌道PIC表面帶電仿真分析的計算效率和精度之間的矛盾。
[0027] (2)通過采用不同的時間步長分別推動電子和離子，在保證計算精度的前提下，能 夠節(jié)省近一半的計算量，提高了計算效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明的非均勻網(wǎng)格劃分示意圖。
[0029] 圖2為本發(fā)明采用網(wǎng)格尺寸為10mX 10m計算的衛(wèi)星表面電位分布。
[0030] 圖3為本發(fā)明采用網(wǎng)格尺寸為lmXlm計算的衛(wèi)星表面電位分布。
[0031] 圖4為本發(fā)明采用PIC計算得到的衛(wèi)星表面電位-時間曲線。
[0032] 圖5為本發(fā)明采用多時標粒子推動計算得到的衛(wèi)星表面電位-時間曲線。
[0033] 其中，1 -粗網(wǎng)格區(qū)域、2 -精細網(wǎng)格區(qū)域、3 -衛(wèi)星。

【具體實施方式】
[0034] 下面結合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。
[0035] 基于現(xiàn)有的PIC仿真分析方法計算得到的衛(wèi)星表面電位精度不夠的問題，本發(fā)明 考慮在現(xiàn)有PIC仿真分析方法的基礎之上，如果將衛(wèi)星所在的模擬空間劃分成更小尺寸的 網(wǎng)格，雖然解決了計算精度的問題，可是會帶來計算量大幅度增加問題，因此本發(fā)明提供了 一種基于多時標粒子推動獲得衛(wèi)星表面電位的方法，將模擬空間區(qū)域進行非均勻網(wǎng)格的劃 分，即在遠離衛(wèi)星區(qū)域采用粗網(wǎng)格劃分，在衛(wèi)星附近區(qū)域采用精細網(wǎng)格劃分，如此可保證精 度的前提下，保證計算效率。
[0036] 另外，為了進一步縮短計算時間，將對帶點粒子中的電子和離子的進行分時標推 動，由于電子較活躍，運動速度快，而離子運動慢，在每次計算表面電位時，電子的分布改變 較大，但離子幾乎靜止不動，長時間才能體現(xiàn)出離子的分布變化，因此如果每次計算都將電 子和離子推動一次，勢必會浪費計算時間，因此，本發(fā)明考慮在計算電位時，將電子推動多 次后，再將離子推動一次，如此會降低計算量，提高效率。根據(jù)能量守恒定理，電子能量和離 子能量相等

【權利要求】
1. 一種基于多時標粒子推動獲得衛(wèi)星表面電位的方法，其特征在于，包括下列步驟： 步驟1、確定衛(wèi)星所在位置的空間環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)空間環(huán)境參數(shù)確定等離子體的德拜 長度； 步驟2、然后根據(jù)所述的德拜長度確定衛(wèi)星周圍的模擬空間的大小；模擬空間的半徑 至少等于所述德拜長度； 步驟3、在模擬空間范圍內(nèi)，劃分出N重相互重疊且逐漸減小的空間區(qū)域，N重空間區(qū)域 均以衛(wèi)星為中心，然后對每重空間區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，且第一至第N重空間區(qū)域的網(wǎng)格尺 寸逐漸減??； 步驟4、在模擬空間通過PIC方法獲得各重空間區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點參量，包括：節(jié)點電荷 量、電勢和電場以及各帶點粒子的位置和運動速度，然后根據(jù)第N重空間區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點 參量獲得衛(wèi)星表面電位，所述帶點粒子包括電子和離子，具體為： 542、 令電子推動次數(shù)k=O; 543、 對于第一重空間區(qū)域，根據(jù)當前帶點粒子的分布，獲得每個網(wǎng)格節(jié)點的電荷量和 電勢，并結合該重空間區(qū)域的邊界條件獲得每個網(wǎng)格節(jié)點的電場；利用網(wǎng)格節(jié)點電場，獲得 下一電子時間步長初始時刻電子的位置和速度，將離子看作保持靜止不動，則獲得下一電 子時間步長初始時刻帶電粒子的分布；其中，電子時間步長At=本步驟對應的網(wǎng)格尺寸/ 電子平均運動速度； 544、 對于第二至第N重網(wǎng)格，根據(jù)已經(jīng)獲得的上一重空間區(qū)域內(nèi)下一電子時間步長初 始時刻帶點粒子的分布，獲得每個網(wǎng)格節(jié)點的電荷量和電勢，并結合該網(wǎng)格區(qū)域的邊界條 件獲得每個網(wǎng)格節(jié)點的電場；利用網(wǎng)格節(jié)點電場獲得下一電子時間步長初始時刻電子的分 布，將離子看作保持靜止不動，則獲得下一電子時間步長初始時刻帶電粒子的分布；； 其中，所述該重空間區(qū)域的邊界條件根據(jù)上一重空間區(qū)域中的節(jié)點電勢確定； 得到第N重空間區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點參量后，計算衛(wèi)星表面電位；然后判斷平衡條件是 否滿足：如果滿足，輸出衛(wèi)星表面電位；如果不滿足，k累計一次，并判斷k值是否等于n， Im. ? = ，Hii表示離子質量，1116表示電子質量；如果不等于，執(zhí)行S42至S44 ;如果等于，執(zhí) 行步驟S45 ; 所述平衡條件為：本輪計算得到的網(wǎng)格節(jié)點的電荷量與上一輪得到的網(wǎng)格節(jié)點電荷量 的差值是否小于設定閾值，如果小于，則滿足平衡條件，如果大于或者等于，則不滿足平衡 條件； 545、 對于第一重空間區(qū)域，根據(jù)S44中獲得的網(wǎng)格節(jié)點電場，獲得下一離子時間步長 初始時刻離子的位置和速度，同時，根據(jù)S44中已經(jīng)獲得的電子的分布，獲得下一離子時間 步長初始時刻帶電粒子的分布；其中，離子時間步長=ηΔ?; 546、 對于第二至第N重空間區(qū)域，根據(jù)已經(jīng)獲得的上一重空間區(qū)域內(nèi)下一離子時間步 長初始時刻帶點粒子的分布，獲得每個網(wǎng)格節(jié)點的電荷量和電勢，并結合該重空間區(qū)域的 邊界條件獲得每個網(wǎng)格節(jié)點的電場；利用網(wǎng)格節(jié)點電場獲得下一離子時間步長初始時刻帶 點粒子的分布； 547、 得到第N重空間區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點參量后，計算衛(wèi)星表面電位；然后判斷平衡條件 是否?兩足：如果?兩足，輸出衛(wèi)星表面電似；如果不?兩足，執(zhí)彳丁S42至S47。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于多時標粒子推動獲得衛(wèi)星表面電位的方法，其特征 在于，所述第一重空間區(qū)域的網(wǎng)格尺寸小于〇. 7倍德拜長度。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于多時標粒子推動獲得衛(wèi)星表面電位的方法，其特征 在于，第N重空間區(qū)域的網(wǎng)格尺寸小于衛(wèi)星尺寸的1/10。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于多時標粒子推動獲得衛(wèi)星表面電位的方法，其特征 在于，當前空間區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為下一重空間區(qū)域的網(wǎng)格尺寸的10倍。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于多時標粒子推動獲得衛(wèi)星表面電位的方法，其特征 在于，所述設定閾值取為=KT7C?1(T6C。
6. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于非均勻網(wǎng)格劃分獲得衛(wèi)星表面電位的方法，其特征 在于，所述模擬空間的半徑為所述德拜長度的1-2倍。
【文檔編號】G06F17/50GK104239623SQ201410452260
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月5日 優(yōu)先權日:2014年9月5日
【發(fā)明者】湯道坦, 楊生勝, 李得天, 秦曉剛, 柳青, 趙呈選, 陳益峰, 史亮 申請人:蘭州空間技術物理研究所