CN112149340B - 一种pic与充电电流拟合相结合的卫星表面充电电位计算方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种PIC与充电电流拟合相结合的卫星表面充电电位计算方法。该计算方法通过PIC分析空间等离子体特性、拟合一定时间内卫星表面充电电流、计算卫星表面电位三个步骤；它以PIC等离子体模拟为基础，针对PIC计算卫星表面电位耗时长的问题，提出了预设充电量和充电电流拟合的加速方法，节省了PIC计算步骤，提高了PIC表面电位的仿真计算效率并避免计算中的充电电位跨越平衡电位，特别适用于PIC方法计算卫星表面电位。

Description

一种PIC与充电电流拟合相结合的卫星表面充电电位计算 方法
技术领域
本申请涉及空间充放电效应仿真分析技术领域，具体而言，涉及一种PIC与充电电流拟合相结合的卫星表面充电电位计算方法。
背景技术
卫星与空间等离子体相互作用会收集等离子体中的电子和离子，从而产生严重的表面带电效应，影响卫星的在轨稳定运行。通过仿真计算卫星的表面电位分布，对卫星带电情况进行评估，并对可能产生的充放电效应威胁进行改进规避，可有效提高卫星在轨工作的可靠性。
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(PIC)两种方法。其中粒子模拟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航天器与空间等离子体之间的互相作用进行分析计算，因此，欧空局的SPIS、日本的MUSCAT等软件都采用PIC方法分析卫星表面带电过程。但是PIC方法需要跟踪大量的带电粒子，因此存在计算量大的缺点，特别当PIC方法在高轨道整星表面带电仿真分析中，具有模拟空间大、充电持续时间长的特点，一般地高轨道等离子体中电子的速度在1.0e7～1.0e8m/s量级，时间步长被限制在1.0e-11s～1.0e-10s量级，总的模拟的物理时间为几十s，那么需要的总步数约为1.0e12步，完全采用PIC计算表面带电在时间上是无法接受的。因此，建立一种能够节省PIC卫星表面电位计算量的计算方法对于表面带电仿真分析的工程应用具有重要的意义。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种PIC与充电电流拟合相结合的卫星表面充电电位计算方法，通过预设卫星表面沉积电荷量缩短充电计算过程，通过充电电流拟合提高充电电流计算精度和避免充电电位跨越平衡电位。
为了实现上述目的，本申请实施例提供了一种PIC与充电电流拟合相结合的卫星表面充电电位计算方法。
根据本申请的一种PIC与充电电流拟合相结合的卫星表面充电电位计算方法，包括以下步骤：
(1)通过PIC计算Δt时间段内空间等离子体运动和分布特性，计算Δt时间段内卫星表面的平均充电电流Ip1；
(2)预设T时间段内卫星表面沉积电荷量Q，根据卫星表面沉积电荷量Q计算卫星表面的充电电位U；
(3)以步骤(1)计算的等离子体分布特性为初始条件，步骤(2)计算的卫星表面充电电位U为边界条件，采用PIC计算Δt时间段内空间等离子体运动和分布特性，以及卫星表面的平均充电电流Ip2，通过Ip1、Ip2、Q拟合实际的充电时间T和T时间内的充电电流Ip；
(4)以步骤(3)计算的等离子体分布特性和步骤(2)计算的卫星表面充电电位为下一个循环的起点，重复步骤(1)～(4)，直到达到计算要求或表面电位平衡。
可选的，步骤(1)中Δt＞5*L/VTe，其中L是模拟空间的特征尺寸，VTe是电子的热运动速度。
可选的，步骤(1)中Ip1＝Δq/Δt，Δq为Δt时间段内表面积累电荷量，Ip1包括等离子体中电子充电电流、离子充电电流、二次电子/离子发射电流、卫星表面泄漏电流、光电子发射电流。
可选的，步骤(2)中预设卫星表面沉积电荷Q＝Ip1*Tsc，其中Tsc为一个固定的时间段且远大于Δt。
可选的，步骤(2)中卫星表面电位采用U＝∑Q/C计算，C为卫星表面相对于无穷远的电容。
可选的，步骤(3)中计算卫星表面的平均充电电流Ip2的初始和边界条件为步骤(1)计算的等离子体分布特性和步骤(2)计算的卫星表面充电电位U；实际充电时间
Figure BDA0002678012780000031
在本申请实施例提供的PIC与充电电流拟合相结合的卫星表面充电电位计算方法中，包括通过PIC分析空间等离子体特性、拟合一定时间内卫星表面充电电流、计算卫星表面电位三个步骤；它以PIC等离子体模拟为基础，针对PIC计算卫星表面电位耗时长的问题，采用PIC与充电电流拟合相结合的方法，节省了PIC计算步骤，将PIC表面电位仿真计算效率提高T/Δt倍，并且通过充电电流拟合，可使预设卫星充电量在接近平衡时随充电电流的减小而减小，避免计算中的充电电位跨越平衡电位，特别适用于PIC方法计算卫星表面电位。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例1的一种PIC与充电电流拟合相结合的卫星表面充电电位计算方法流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“设置”、“连接”、“设有”、“连通”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
本实施例的一种PIC与充电电流拟合相结合的卫星表面充电电位计算方法，包括以下步骤：
(1)通过PIC计算Δt时间段内空间等离子体运动和分布特性，计算Δt时间段内卫星表面的平均充电电流Ip1；
(2)预设T时间段内卫星表面沉积电荷量Q，根据卫星表面沉积电荷量Q计算卫星表面的充电电位U；
(3)以步骤(1)计算的等离子体分布特性为初始条件，步骤(2)计算的卫星表面充电电位U为边界条件，采用PIC计算Δt时间段内空间等离子体运动和分布特性，以及卫星表面的平均充电电流Ip2，通过Ip1、Ip2、Q拟合实际的充电时间T和T时间内的充电电流Ip；
(4)以步骤(3)计算的等离子体分布特性和步骤(2)计算的卫星表面充电电位为下一个循环的起点，重复步骤(1)～(4)，直到达到计算要求或表面电位平衡。
实施例2
本实施例的一种PIC与充电电流拟合相结合的卫星表面充电电位计算方法，包括以下步骤：
(1)通过PIC计算Δt时间段内空间等离子体运动和分布特性，计算Δt时间段内卫星表面的平均充电电流Ip1。
首先，本实施例基于PIC方法分析一段时间Δt内的空间等离子体运动和分布特性，一段时间Δt以带电粒子能在模拟空间运动5个以上周期为宜，Δt＞5*L/VTe，其中L是模拟空间的特征尺寸，VTe是电子的热运动速度。
通过PIC模拟统计在Δt内卫星表面沉积的电荷Δq，并计算卫星表面的沉积电流Ip1。Ip1＝Δq/Δt，Δq为Δt时间段内表面积累电荷量，Ip1包括等离子体中电子充电电流、离子充电电流、二次电子/离子发射电流、卫星表面泄漏电流、光电子发射电流。
(2)预设T时间段内卫星表面沉积电荷量Q，根据卫星表面沉积电荷量Q计算卫星表面的充电电位U。
设置一个远大于Δt的固定的时间段Tsc，通过Q＝Ip1*Tsc计算的Tsc时间内沉积卫星表面沉积电荷量Q，然后通过U＝∑Q/C计算卫星表面电位，C为卫星表面相对于无穷远的电容。
(3)以步骤(1)计算的等离子体分布特性为初始条件，步骤(2)计算的卫星表面充电电位U为边界条件，采用PIC计算Δt时间段内空间等离子体运动和分布特性，以及卫星表面的平均充电电流Ip2，通过Ip1、Ip2、Q拟合实际的充电时间T和T时间内的充电电流Ip。
以步骤(1)计算的等离子体分布特性为初始条件，步骤(2)计算的卫星表面电位U为边界条件，采用PIC方法再次计算Δt时间段内空间等离子体运动和分布特性，以及卫星表面的平均充电电流Ip2；然后通过Ip1、Ip2、Q拟合实际的充电时间T和Ip，其中
Figure BDA0002678012780000061
(4)以步骤(3)计算的等离子体分布特性和步骤(2)计算的卫星表面充电电位为下一个循环的起点，重复步骤(1)～(4)，直到达到计算要求或表面电位平衡。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种PIC与充电电流拟合相结合的卫星表面充电电位计算方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)通过PIC计算Δt时间段内空间等离子体运动和分布特性，计算Δt时间段内卫星表面的平均充电电流Ip1；
(2)预设T时间段内卫星表面沉积电荷量Q，根据卫星表面沉积电荷量Q计算卫星表面的充电电位U；
(3)以步骤(1)计算的等离子体分布特性为初始条件，步骤(2)计算的卫星表面充电电位U为边界条件，采用PIC计算Δt时间段内空间等离子体运动和分布特性，以及卫星表面的平均充电电流Ip2，通过Ip1、Ip2、Q拟合实际的充电时间T和T时间内的充电电流Ip：
Figure FDA0003978038470000011
IP＝(IP1+IP2)；
(4)以步骤(3)计算的等离子体分布特性和步骤(2)计算的卫星表面充电电位为下一个循环的起点，重复步骤(1)～(4)，直到达到计算要求或表面电位平衡。
2.根据权利要求1所述的一种PIC与充电电流拟合相结合的卫星表面充电电位计算方法，其特征在于，步骤(1)中Δt>5*L/VTe，其中L是模拟空间的特征尺寸，VTe是电子的热运动速度。
3.根据权利要求1所述的一种PIC与充电电流拟合相结合的卫星表面充电电位计算方法，其特征在于，步骤(1)中Ip1＝Δq/Δt，Δq为Δt时间段内表面积累电荷量，Ip1包括等离子体中电子充电电流和离子充电电流和二次电子/离子发射电流和卫星表面泄漏电流和光电子发射电流。
4.根据权利要求1所述的一种PIC与充电电流拟合相结合的卫星表面充电电位计算方法，其特征在于，步骤(2)中预设卫星表面沉积电荷Q＝Ip1*Tsc，其中Tsc为一个固定的时间段且大于Δt。
5.根据权利要求1所述的一种PIC与充电电流拟合相结合的卫星表面充电电位计算方法，其特征在于，步骤(2)中卫星表面电位采用U＝∑Q/C计算，C为卫星表面相对于无穷远的电容。
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