CN111505454B - 一种卫星内部介质深层充电监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种卫星内部介质深层充电监测方法，该方法包括如下步骤：对入射至卫星内部介质的高能电子进行能谱划分，获得每个能道的高能电子的能量E_i；计算每个能道穿过卫星防护层的电子通量透过率rat，得到每个能道入射至所述卫星内部介质表面的电子通量F_i，进而得到入射至所述卫星内部介质表面的总的电子通量F；根据总的电子通量F计算所述卫星内部介质的深层充电电压U，U＝S×F×Q_e×R；其中，S为深层充电介质的探测面积，R为深层充电介质的电阻Q_e为单个电子的电荷。根据深层充电电压可以有针对性地对卫星内部介质的材料进行筛选或者优化屏蔽措施，由此进一步优化单机运行。本发明的方法还可以实现对卫星内部介质的充电电压的连续监测，具有很强的实用性。

Description

一种卫星内部介质深层充电监测方法

技术领域

本发明涉及卫星内部介质充电技术领域，特别是涉及一种卫星内部介质深层充电监测方法。

背景技术

空间高能电子穿过卫星表面，在卫星构件的电介质材料内部传输并沉积从而建立电场的过程称为内部介质充电，是引起地球同步轨道卫星故障和异常的主要原因，主要是由地球外辐射带的高能电子引起，这些高能电子的能量较高，具有很强的穿透能力，它们可以穿透卫星表面防护层进入卫星构件的电介质中，从而产生充电效应。电子与介质材料相互作用的中间过程是复杂的，主要方式是Coulomb散射和核相互作用，包含了轫致辐射、正电子的飞行和静止湮灭、Moliere散射、康普顿散射和光电效应等，最终结果是不同能量的电子沉积于介质材料的不同深度，从而在介质内部建立电场，同时可在航天器内部产生高电位。

介质深层充电过程主要包括两个方面：一方面高能电子穿透卫星表面的薄层而进入其内部的介质材料中，最终结果是不同能量的电子沉积于介质材料的不同深度并建立电场；另一方面，因为介质本身有一定的电导率，在电场作用下会形成泄漏电流，该过程与电荷沉积过程的作用是相反的。

在电荷沉积的同时，因为介质有一定的电导率，在电场作用下会形成泄漏电流，该过程与电荷沉积过程的作用是相反的，泄漏的快慢取决于介质的电导率，当电荷的沉积和泄漏过程达到平衡时，介质中的电场达到稳定状态。

卫星深层充电主要是由空间高能电子环境引发的，地球外辐射带中能量大于200KeV的电子，能够沉积到绝缘材料内部，产生深层充电，特别是1MeV以上的相对论电子可以穿透卫星舱壁而引起舱内介质材料的充电。

介质材料在卫星上大量存在，如电路板等，其特点是没有达到完全绝缘，这些未达到完全绝缘的材料在形成充电的过程中，同时存在放电过程，而放电的快慢又取决于充电电压的大小，未达到完全绝缘的材料的充电电压的形成就是充电和放电的动态平衡的结果。在未达到完全绝缘的材料中不会产生KV量级足以发生放电的事件，但较高的电压可能会干扰单机的运行。

现有技术中对卫星内部介质深层充电的评估通常不能有效评估卫星内部介质充电的恶劣情况，也无法跟踪计算充电电话的连续变化。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种卫星内部介质深层充电监测方法，通过本发明的方法可以有效评估卫星内部介质的深层充电电压，并且可以实现对卫星内部介质的充电电压的连续监测。本发明所述方法采取的技术方案如下：

本发明提供了一种卫星内部介质深层充电监测方法，该方法包括如下步骤：

对入射至卫星内部介质的高能电子进行能谱划分，获得每个能道的高能电子的能量E_i；

计算每个能道穿过卫星防护层的电子通量透过率rat_i；

计算入射至所述卫星内部介质的表面的总的电子通量F；

根据所述总的电子通量F计算所述卫星内部介质的深层充电电压U，U＝S×F×Q_e×R；

其中，S为深层充电介质的探测面积，R为深层充电介质的电阻，Q_e为单个电子的电荷，即1.9×10^-19库伦。

可选地，对入射至卫星内部介质的高能电子进行能谱划分，获得每个能道的高能电子的能量E_i还包括以下步骤：

依据深层充电介质的不同能道将所述高能电子进行能谱划分为不同的能量区间；

将每个能量区间的电子能量的中值作为所述能道的高能电子的能量E_i。

可选地，对入射至卫星内部介质的高能电子进行能谱划分，获得每个能道的高能电子的能量还包括以下步骤：

对于特定能谱的高能电子，依据深层充电介质的不同能道对所述能谱进行划分，获得不同的能量区间；

将每个能量区间的中值作为所述能道的高能电子的能量E_i。

可选地，计算入射至所述卫星内部介质的高能电子的电子通量透过率rat_i，还包括以下步骤：

计算所述高能电子的最大射程r_i，

获得每个能道的电子通量发生衰减的卫星内部介质的临界厚度a_i，a_i＝min(0.283E_i,r_i)；

计算所述电子通量通过厚度为r0的防护层后所述电子通量的透过率rat，

其中，r_i、a_i及r0的单位均为g/cm²。

可选地，计算到达所述卫星内部介质的表面的电子通量F还包括以下步骤：

计算单个能道透过的电子通量F_i，F_i＝F0_i×rat_i；

对所有能道求和得到到达卫星内部介质表面的电子通量F，

其中，F0_i为每个能道入射至所述卫星防护层的电子通量，i为能道序号，n表示能道个数。

可选地，本发明的方法还包括对所述卫星内部介质的充电电压进行连续监测。

可选地，对所述卫星内部介质的充电电压进行连续监测还包括以下步骤：

获取所述卫星内部介质的初始电压U₁；

计算所述卫星内部介质的电压变化量du，du＝(SFQ_e-U_t/R)/C；

获得所述卫星内部介质在观测时刻t的充电电压U_t；

根据观测时刻t的充电电压U_t计算下所述卫星内部介质的下一个观测时刻t+1的充电电压U_t+1，U_t+1＝U_t+du；

其中，C为所述深层充电探测器的电容。

可选地，还包括以下步骤：

根据业务的需要判断所述卫星内部介质的充电电压计算是否结束，一般地，只要高能电子探测数据连续且数值正常，深层充电计算将不停止；

如果高能电子能谱数据中断，则中断所述充电电压的计算。

可选地，还包括以下步骤：定时生成文件并将所述文件推出深层充电文件。

可选地，还包括以下步骤：中断所述充电电压的计算时，生成并推出深层充电文件。

如上所述，本发明提供的卫星内部介质深层充电监测方法，至少具备如下有益技术效果：

本发明的方法能够计算单能电子穿过卫星防护层后的通量透过率，根据通量透过率，计算单个能道透过的电子通量，然后积分求得到达介质表面的电子通量。根据到达介质表面的电子通量可以计算卫星内部介质的深层充电电压，由此可以对卫星内部介质的深层充电电压进行评估。如果该深层充电电压超过设备安全预制，则可以有针对性地对卫星内部介质的材料进行筛选或者优化屏蔽措施，由此精细化保障设备的安全运行。

进一步地，本发明的上述方法还可以根据积分求得的到达介质表面的电子通量，计算介质内部充电电压的变化，根据t时刻的充电电压和高能电子注入介质通量情况，计算t+1时刻的充电电压，以此类推，得到卫星内部介质深层充电电压的连续变化过程，实现对卫星内部介质的充电电压的连续监测，具有很强的实用性。

根据本发明的上述方法的充电电压的计算值与充电电压的实测值的相对偏差为10.9％，在当前现有的条件下，具有很强的实用性。

附图说明

图1显示为本发明实施例一提供的卫星内部介质深层充电监测方法的流程图。

图2显示为本发明实施例中计算得到的风云四号卫星深层充电探测器的高能电子透过率。

图3显示为本发明实施例二提供的卫星内部介质深层充电检测方法的流程图。

图4显示为风云四号卫星2017年4月2日的电子能谱文件示例，其中仅示出了部分数据。

图5显示为本发明实施例二中风云四号卫星内部介质深层充电的充电电压的计算值和实测值对比图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量、位置关系及比例可在实现本方技术方案的前提下随意改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一

本实施例提供一种卫星内部介质深层充电监测方法，参照附图1，该方法包括如下步骤：

首先对入射至卫星内部的高能电子进行能谱划分，获得每个能道的高能电子的能量E；

在本实施例的优选实施例中，根据卫星高能电子探测器的不同能道对所述高能电子进行能谱划分，如图1所示，依据卫星高能电子探测器的探测能量划分，将高能电子的能谱划分为能道1、能道2、……及能道n，通过能道的设置，能够给出不同能量的高能电子的通量，多个能道组合可以给出高能电子的能谱。将每个能道的电子能量的中值作为该能道的高能电子的能量E。

在另一优选实施例中，对于高能电子的设定的能谱，仿照卫星高能电子探测器的能道对能谱进行划分，如图1所示，依据卫星深层充电探测器的能道1、能道2、……以及能道n高能电子的设定能谱划分为与上述能道对应的能量区间，将每个能量区间的电子能量的中值作为所述能道的高能电子的能量E_i。

获得高能电子的能量之后，对于每个能道，计算每个能道穿过卫星防护层的电子通量透过率rat_i。

对于特定通道，根据电子的射程与能量的统计关系，能量为E_i的高能电子的最大射程的统计关系表示如下：

其中，高能电子的最大射程r_i的单位为g/cm²；电子能量E_i的单位为MeV。

根据计算得到的上述高能电子的最大射程，计算每个能道的电子通量发生衰减的卫星防护层的临界厚度a_i，其中a_i由以下公式求得：

a_i＝min(0.283E_i,r_i) (2)，

其中，临界厚度a_i的单位为g/cm²。

基于上述得到的高能电子的最大射程r_i以及电子通量发生衰减的卫星内部介质的临界厚度a_i，可以通过下式计算并且确定每个能道的高能电子穿过厚度为r0的卫星防护层的电子通量的透过率rat_i：

其中，卫星防护层的厚度r0的单位为g/cm²。

得到上述电子通量透过率之后，由下面的公式计算每个能道透过的电子通量F_i：

F_i＝F0_i×rat_i (4)，

其中，i为能道编号，取值为上述1、2、……、n；F0_i为每个能道入射至所述卫星防护层的电子通量。

然后，对于具有n个通道的卫星内部介质充电探测器，计算到达卫星内部介质的总的电子通量F，例如，该总的电子通量F由如下公式求得：

依据卫星内部介质的充电电压和电子通量以及充电探测器的面积及电阻之间的关系，可以对卫星内部介质的深层充电电压进行评估，通过如下公式可以求得卫星内部介质的深层充电电压U：

U＝S×F×Q_e×R； (6)

其中，S为深层充电介质的探测面积，R为深层充电介质的电阻，Q_e为单个电子的电荷，即1.9×10^-19库伦。

本实施例中通过计算电子通量透过率，能够准确获得入射至卫星内部介质的电子通量，通过该电子通量准确求得卫星内部介质的最大电压，即深层充电电压，由此可以对卫星内部介质的深层充电电压进行评估。如果该深层充电电压超过危险阈值，则可以有针对性地对卫星内部介质的材料进行筛选或者优化屏蔽措施，由此精细化地保障设备安全运行。

在优选实施例中，以风云四号卫星的高能电子探测数据为例，对上述计算过程进行模拟。风云四号卫星的深层充电探测器的相关参数为：卫星防护层为0.8mm厚的铝；深层充电探测器的电阻为1.75×10¹²欧姆，深层充电介质的探测面积为28.3cm²；深层充电探测器的电容为4.5pf。基于以上参数，结合公式(1)～公式(3)计算得到的不同能量的电子所对应的电子通量透过率如图2所示。

在该优选实施例中，选取风云四号卫星的一个电子通量较高的样本，例如，选取在2017年1月9日5:12:58UT时刻的高能电子通量样本，该样本中各能道的参数和电子通量，以及计算得到的各能道的电子通量的透过率如下表1所示：

表1风云四号卫星在2017年1月9日5:12:58(世界时)时刻各能道的电子通量的透过率

根据表1中的各项参数，根据公式(4)计算该时刻每个能道入射至充电探测器表面的电子通量F₁～F₈，然后根据公式(5)计算该时刻入射至充电探测器表面的总的电子通量F，在该优选实施例中，得到的入射至充电探测器表面的总的电子通量F为3.25×10⁵cm^-2s^-1。然后将该电子通量代入公式(6)，求得风云四号卫星内部介质2017年1月9日5:12:58(世界时)时刻的深层充电电压为-2.65V。实际测得的该时刻风云四号卫星的内部介质深层充电介质的充电电压为-2.9V。二者的相对偏差：

由于本方法的计算结果首次与真实的卫星(风云四号)的探测结果基本一致，因此本实施例的上述方法完全可以用于评估卫星内部介质的深层充电电压，即，上述方法完全可以用于评估卫星在最恶劣的高能电子环境下，内部介质未来可能达到的深层充电极值，进而可以开展有针对性的卫星内部介质材料筛选和屏蔽优化措施。

实施例二

本实施例同样提供一种卫星内部介质深层充电监测方法，如图3所示，本实施例的方法首先采用与实施例一的方法相同的方法，根据公式(1)～公式(5)获得第一观测时刻入射至卫星内部介质的总的电子通量F₁，给定卫星内部介质的初始充电电压U₁＝U₀。大量实验证明，经过一定时间后，实际充电电压只与入射电子通量相关，因此初始电压在合理范围即可。

高能电子在介质中形成充电主要包括高能电子沉积形成的电压，同时，由于介质的电阻率并非无穷大，介质中形成的弱电场引起的电流，引起电荷的损失。因此，根据介质中电荷的变化量，并结合卫星内部介质的电容，可以计算出卫星内部介质在充电过程中的电压的变化量du，du的计算公式如下所示：

du＝(SF_tQ_e-U_t/R)/C (7)，

其中，S为卫星内部介质的探测面积，单位为cm²；Q_e为电子电荷量，C为卫星内部介质的电容；F_t为上述观测时刻t的总的电子通量。

获得上述充电电压变化量du之后，可以通过如下公式获得连续的观测时刻下卫星内部介质的连续的充电电压值：

U_t+1＝U_t+du (8)。

通过上述公式(8)便可以对卫星内部介质的充电电压进行连续监测。

一般地，高能电子检测数据是连续的，并且高能电子模型运行无中断，此时，高能电子通量数据连续输入，提供连续的高能电子能谱，因此能够持续计算卫星内部介质的充电电压。此时，可以根据计算结果，定时生成并推出深层充电文件。

当高能电子检测数据数据异常或高能电子模型运行中断，导致电子通量数据中断时，则中断计算，并根据计算结果生成计并推出深层充电文件。

在本实施例的优选实施例中，同样以风云四号卫星为例，模拟卫星内部介质充电电压的连续监测。在该优选实施例中，以2017年4月2日为例计算风云四号卫星深层充电电压的日变化。风云四号卫星的深层充电探测器的相关参数与实施例一中的参数相同，具体为：卫星防护层为0.8mm厚的铝；深层充电探测器的电阻为1.75×10¹²欧姆；面积为28.3cm²；深层充电探测器的电容为4.5pf。在该优选实施例中，根据风云四号深层充电电压的分布特征(-5.0V～-0.1V)，设定卫星内部介质的初始电压U₀＝-1.0V。

首先，提取2017年4月2日的电子能谱文件，如图4，示出了电子能谱文件中的部分数据。根据该电子能谱文件的电子通量信息，计算每一个观测时刻入射至卫星内部介质的总的电子通量F_t；该电子通量F_t的计算方法参照实施例一的方法。

然后根据公式(7)计算卫星内部介质的充电电压变化量du。根据该电压变化量，利用公式(8)依次计算观测时刻t的充电电压U_t及下一观测时刻t+1的充电电压U_t+1。直至计算获得所有观测时刻的充电电压。如图5，示出了通过该方法计算获得的风云四号卫星在2017年4月2日当天的充电电压的计算值V_s及当前的充电电压实测值V₀。

通过如下公式对上述充电电压的计算值和实测值之间的相对偏差进行计算：

其中，N为观测时刻的数量。经计算得到，二者的相对偏差为10.9％。本方法首次使用卫星实测高能电子能谱作为输入，得到的结果与实测深层充电数据接近。在卫星搭载高能电子探测设备或高能电子环境模型精度合适的前提下，能够用来实时地评估卫星内部介质材料的深层充电程度。

如上所述，本发明提供的卫星内部介质深层充电监测方法，至少具备如下有益技术效果：

本发明的方法能够计算单能电子穿过卫星防护层后的通量透过率，根据通量透过率，计算单个能道透过的电子通量，然后积分求得到达介质表面的电子通量。根据到达介质表面的电子通量可以计算卫星内部介质的深层充电电压，由此可以对卫星内部介质的深层充电电压进行评估。如果该深层充电电压超过设备安全预制，则可以有针对性地对卫星内部介质的材料进行筛选或者优化屏蔽措施，由此精细化保障卫星设备的安全运行。

进一步地，本发明的上述方法还可以根据积分求得的到达介质表面的电子通量，计算介质内部充电电压的变化，根据t时刻的充电电压和高能电子注入介质通量情况，计算t+1时刻的充电电压，以此类推，得到卫星内部介质深层充电电压的连续变化过程，实现对卫星内部介质的充电电压的连续监测，具有很强的实用性。

根据本发明的上述方法的充电电压的计算值与充电电压的实测值的相对偏差为10.9％，在当前现有的条件下，具有很强的实用性。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种卫星内部介质深层充电监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

对入射至卫星内部介质的高能电子进行能谱划分，获得每个能道的高能电子的能量E_i；

计算每个能道穿过卫星防护层的电子通量透过率rat_i；

计算入射至所述卫星内部介质的表面的总的电子通量F；

根据所述总的电子通量F计算所述卫星内部介质的深层充电电压U，U＝S×F×Q_e×R；

计算每个能道穿过卫星防护层的电子通量透过率rat_i，还包括以下步骤：

计算每个能道的所述高能电子的最大射程r_i，

获得每个能道的电子通量发生衰减的卫星防护层的临界厚度a_i，a_i＝min(0.283E_i，r_i)；

计算每个能道的所述高能电子穿过厚度为r0的卫星防护层的所述电子通量的透过率rat_i，

计算入射至所述卫星内部介质的表面的电子通量F还包括以下步骤：

计算单个能道透过的电子通量F_i，F_i＝F0_i×rat_i；

对所有能道求和得到到达卫星内部介质表面的电子通量F，

其中，S为深层充电介质的探测面积，R为深层充电介质的电阻，Q_e为单个电子的电荷，即1.9×10^-19库伦，r_i、a_i及r0的单位均为g/cm²，F0_i为每个能道入射至所述卫星防护层的电子通量，i为能道序号，n表示能道个数。

2.根据权利要求1所述的卫星内部介质深层充电监测方法，其特征在于，对入射至卫星内部介质的高能电子进行能谱划分，获得每个能道的高能电子的能量E_i还包括以下步骤：

依据卫星高能电子探测器的探测能量将所述高能电子进行能谱划分为不同的能量区间；

将每个能量区间的电子能量的中值作为所述能道的高能电子的能量E_i。

3.根据权利要求1所述的卫星内部介质深层充电监测方法，其特征在于，对入射至卫星内部介质的高能电子进行能谱划分，获得每个能道的高能电子的能量还包括以下步骤：

对于特定能谱的高能电子，依据卫星高能电子探测器的不同能道对所述能谱进行划分，获得不同的能量区间；

将每个能量区间的中值作为所述能道的高能电子的能量E_i。

4.根据权利要求1所述的卫星内部介质深层充电监测方法，其特征在于，还包括对所述卫星内部介质的充电电压进行连续监测。

5.根据权利要求4所述的卫星内部介质深层充电监测方法，其特征在于，对所述卫星内部介质的充电电压进行连续监测还包括以下步骤：

获取所述卫星内部介质的初始电压U₁；

计算所述卫星内部介质的电压变化量du，du＝(SFQ_e-U_t/R)/C；

获得所述卫星内部介质在观测时刻t的充电电压U_t；

根据观测时刻t的充电电压U_t计算下所述卫星内部介质的下一个观测时刻t+1的充电电压U_t+1，U_t+1＝U_t+du；

其中，C为所述深层充电探测器的电容。

6.根据权利要求5所述的卫星内部介质深层充电监测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

一般情况下，如果高能电子监测数据连续或高能电子模型运行无中断，能够提供连续的高能电子能谱，计算则可以连续进行并定时生成深层充电文件；

如果高能电子能谱数据中断，则中断所述充电电压的计算。

7.根据权利要求5所述的卫星内部介质深层充电监测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

定时生成文件并将所述文件推出深层充电文件。

8.根据权利要求6所述的卫星内部介质深层充电监测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

当中断所述充电电压的计算时，生成并推出深层充电文件。

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