CN102117345A - 一种进行卫星表面带电分析的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于进行卫星表面带电分析的方法，集中解决地球同步轨道卫星高电压太阳电池阵表面带电问题。利用软件图形用户界面设定卫星轨道环境参数、卫星主体材料参数、卫星高压太阳电池阵材料参数，可以实现对卫星表面带电的仿真分析，并自动生成技术报告。

Description

一种进行卫星表面带电分析的方法

技术领域

本发明涉及一种进行卫星表面带电分析的软件，具体地，涉及一种对地球同步轨道卫星高压太阳电池阵表面带电情况进行仿真分析的软件。

背景技术

国外已经开发出了多款用于卫星表面带电分析的软件，但由于技术封锁，我们只能开发自有知识产权的卫星表面带电分析软件，目前该工作在国内还没有取得突破。

地球同步轨道卫星高压太阳电池阵的表面带电问题具有一定代表性，主要表现在带电环境和卫星太阳电池阵工作达到上百伏。目前对卫星带电无法从卫整星角度进行分析，多根据郎缪尔探针原理进行简单的估计，不仅针对性不强而且误差较大。根据目前的方法，通常是给出一个单一的充电电位数值，无法给出更详细的分析结果。

发明内容

因此，本发明解决的问题就是：克服现有技术的不足，提供了一种较全面的卫星带电分析软件，可以在针对不同光照条件、空间等离子体环境、卫星主体材料和高压太阳电池阵材料，通过数值计算，以图表形式给出卫星主体结构、高压太阳帆板和太阳电池阵玻璃盖片的电子产生率计算结果，卫星表面电位或充电电流随时间的变化结果，卫星太阳电池阵表面带电电位的二维分布结果，并生成详细的技术报告。

整个参数的设置均通过软件图形用户界面完成，可以将已有的空间环境参数、卫星主体材料参数和高压太阳电池阵材料参数集成到软件中，并可以根据要求自行设定上述参数。

本发明的技术解决方案是：通过建立电流收集模型，根据卫星表面带电电流平衡方程，通过编程完成数值计算，得到平衡电位。在确定太阳电池阵表面电位分布的基础上，结合空间环境特性和材料特性，分析在典型磁暴和亚暴条件下电池阵与空间等离子体之间放电的可能性，也就是要确定各种空间环境条件下的放电阈值，最后实现了计算结果的可视化。

本发明的原理是：确定卫星表面电位的理论基础是电流平衡方程，即流到卫星的所有电流总和为零时，卫星应该处于什么样的电位。因此，首先要解决的问题是确定各种电流的解析表达式。

在GEO轨道，卫星收集电流的理论基础是稳定的、未磁化等离子体的厚鞘层近似，这是因为电子和离子的回旋半径即德拜长度大于卫星尺寸，而卫星速度小于周围等离子体的热速度。

卫星表面带电的物理过程是非常复杂的。如果假定等离子体符合麦克斯韦分布，则地球同步轨道处的表面带电公式变得十分简单。所有卫星表面充电的物理过程都是一个电流平衡的过程，即在恒稳态下，所有电流的总和为零。

卫星表面的净电流包含多个分量，并且计算时需要考虑多种因素对它的影响。只有当卫星处于恒稳态时，其表面的电势才能达到均衡状态，而这种恒稳态在地球同步轨道是很难遇到的。卫星表面电势达到均衡状态时，各种电流的总和将为零。电流总和为零时可以得到卫星处于恒稳态时的表面电位。通过考察该电位的大小即可评估卫星是否存在放电危险。

本发明与现有技术相比的优点在于：在本发明中，通过图形用户界面实现了参数设置和计算结果的的可视化，并能在局部材料参数发生改变的情况下快速完成仿真计算，自动生成图表形势的详细技术报告，计算结果与EQUIPOT比较误差不超过30％。

附图说明

图1为卫星平衡电位及充电时间算法流程图

充电初始电位取V0，初始时间取0，计算初始平衡电流J0，判断初始平衡电流正负号来决定迭代步长电位的正负，即判断是向正电位方向还是负电位方向充电，确定初始迭代电位步长ΔV，用来减少迭代次数。判断平衡电流Jv和初始充电电流J0同号的目的是确保整个充电向同一个方向进行充电，异号表明充电电位超过平衡电位，此时需要调整充电步长，调整步长流程为黄色标示。

计算充电时间t和平衡电位Vs，电位平衡的条件为：迭代电位步长小于充电电位的0.001。

参数说明：

V：充电电位

ΔV：充电电位迭代算法所取电位步长，在程序中根据条件在不断的调整

ΔT：总充电时间

Δt：卫星表面充电ΔV对应的充电时间

ΔJv：充电电位为V时的平衡电流

ΔVs：平衡电位

具体实施方式

研究卫星表面充电的理论基础是电流平衡方程，通过确定各种电流的解析表达式，来求解卫星表面的电位分布。在地球同步轨道上，与卫星表面相互作用的空间等离子体可以近似为厚鞘层，这是由于空间等离子体中的电子和离子的回旋半径即德拜长度大于卫星尺寸，而卫星速度小于周围等离子体的热速度。

建立电流收集模型：

卫星表面收集的电子电流、离子电流、光效应电流、次级电流、后向散射电流等等效电流有可能在卫星上的某个电位上达到动态平衡。此时，卫星在整个表面上的电流代数和为零，即达到电流平衡的状态。电流方程可以表示成：

$C_A\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=j_{\mathrm{net}}\left(V\right)=j_e\left(V\right)-[j_i\left(V\right)+j_{\mathrm{se}}\left(V\right)+j_{\mathrm{si}}\left(V\right)+{j_{\mathrm{be}}\left(V\right)+j_{\mathrm{ph}}\left(V\right)+j}_c\left(V\right)]=0---\left(1\right)$

其中：

V：卫星表面充电电位

t：卫星表面充电时间

jnet：到达卫星表面的净电流

je：电子电流

ji：质子电流

jse：入射电子产生的次级电子电流

jsi：入射质子产生的次级电子电流

jbe：后向散射电子电流

jph：光电流

jc：电导电流

CA：表面单位面积相对周围空间等离子体的充电电容

电流方向以电子电流方向为正。

从上述的电流平衡方程可知，最终决定平衡状态的是表面电位V，于是问题的解决归结于求解(1)式找到一个这样的电位，使得净电流为零。

根据卫星表面带电电流平衡方程，通过编程完成数值计算，计算流程见图1所示，充电初始电位取V0，初始时间取0，根据电流平衡方程，计算初始平衡电流J0，通过判断初始平衡电流正负号来决定迭代步长电位的正负，确定初始迭代电位步长。判断平衡电流Jv和初始充电电流J0同号的目的是确保整个充电向同一个方向进行充电，异号表明充电电位超过平衡电位，通过调整充电步长，不断对这个过程进行迭代，当满足迭代电位步长的条件时，获得充电时间t和平衡电位Vs。

在确定太阳电池阵表面电位分布的基础上，主要通过计算所采取的环境、材料特性参数，获得卫星星体和电池阵与空间等离子体之间相互作用产生的充电电位V与充电时间t的关系，并依据两者之间的击穿阈值电压，判断它们之间放电的可能性。

最后，将计算结果可视化，方便进行分析。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (1)

1.一种进行卫星表面带电分析的方法，其中包括以下步骤：

1)建立电流收集模型：

卫星表面收集的电子电流、离子电流、光效应电流、次级电流、后向散射电流等等效电流有可能在卫星上的某个电位上达到动态平衡。此时，卫星在整个表面上的电流代数和为零，即达到电流平衡的状态。电流方程可以表示成：

$C_A\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=j_{\mathrm{net}}\left(V\right)=j_e\left(V\right)-[j_i\left(V\right)+j_{\mathrm{se}}\left(V\right)+j_{\mathrm{si}}\left(V\right)+j_{\mathrm{be}}\left(V\right)+j_{\mathrm{ph}}\left(V\right)+j_c\left(V\right)]=0---\left(1\right)$

其中：

V：卫星表面充电电位

t：卫星表面充电时间

jnet：到达卫星表面的净电流

je：电子电流

ji：质子电流

jse：入射电子产生的次级电子电流

jsi：入射质子产生的次级电子电流

jbe：后向散射电子电流

jph：光电流

jc：电导电流

CA：表面单位面积相对周围空间等离子体的充电电容电流方向以电子电流方向为正；

确定平衡状态的是表面电位V，求解(1)式找到一个这样的电位，使得净电流为零；

根据卫星表面带电电流平衡方程，通过编程完成数值计算，其中，充电初始电位取V0，初始时间取0，根据电流平衡方程，计算初始平衡电流J0，通过判断初始平衡电流正负号来决定迭代步长电位的正负，确定初始迭代电位步长。判断平衡电流Jv和初始充电电流J0同号的目的是确保整个充电向同一个方向进行充电，异号表明充电电位超过平衡电位，通过调整充电步长，不断对这个过程进行迭代，当满足迭代电位步长的条件时，获得充电时间t和平衡电位Vs。

在确定太阳电池阵表面电位分布的基础上，主要通过计算所采取的环境、材料特性参数，获得卫星星体和电池阵与空间等离子体之间相互作用产生的充电电位V与充电时间t的关系，并依据两者之间的击穿阈值电压，判断它们之间放电的可能性；

最后，将计算结果可视化，方便进行分析。

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