一種基于多時(shí)標(biāo)粒子推動(dòng)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(shí)標(biāo)粒子推動(dòng)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(duì)模擬空間實(shí)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(xì)網(wǎng)格劃分，在遠(yuǎn)離衛(wèi)星區(qū)域采用粗網(wǎng)格劃分，由此在保證一定計(jì)算精度的前提下，較大程度地節(jié)省了運(yùn)算時(shí)間，較好的解決了地球靜止軌道PIC表面帶電仿真分析的計(jì)算效率和精度之間的矛盾；通過采用不同的時(shí)間步長分別推動(dòng)電子和離子，在保證計(jì)算精度的前提下，能夠節(jié)省近一半的計(jì)算量，提高了計(jì)算效率。
【專利說明】-種基于多時(shí)標(biāo)粒子推動(dòng)獲得衛(wèi)星表面電位的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及空間應(yīng)用技術(shù)，尤其涉及一種基于多時(shí)標(biāo)粒子推動(dòng)獲得衛(wèi)星表面電位 的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星與地球靜止軌道的空間等離子體相互作用會(huì)收集等離子體中的電子和離子， 從而產(chǎn)生表面帶電效應(yīng)。在航天器總體設(shè)計(jì)階段，通過仿真計(jì)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(jìn)，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(jì)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(dòng)態(tài)等離子體模型為基礎(chǔ)的功能強(qiáng)大 的數(shù)值計(jì)算方法，它能夠比較精確地對(duì)航天器與空間等離子體之間的互相作用進(jìn)行分析計(jì) 算。但是PIC方法需要跟蹤大量的帶電粒子，因此存在計(jì)算量大的缺點(diǎn)。計(jì)算量過大已經(jīng) 成為限制PIC方法應(yīng)用在衛(wèi)星表面電位仿真計(jì)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(jì)算量的分析方法對(duì)于PIC的表面帶電仿真分析應(yīng)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(shí)標(biāo)粒子推動(dòng)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(shí)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(xì)網(wǎng)格劃分，在遠(yuǎn)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(jì)算精度的前 提下，較大程度地節(jié)省了運(yùn)算時(shí)間；同時(shí)，采用不同的時(shí)標(biāo)對(duì)電子和離子進(jìn)行推動(dòng)，進(jìn)一步 節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高效率。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 本發(fā)明的一種基于多時(shí)標(biāo)粒子推動(dòng)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小；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(duì)每重空間區(qū)域進(jìn)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(diǎn)參量，包括：節(jié)點(diǎn) 電荷量、電勢(shì)和電場以及各帶點(diǎn)粒子的位置和運(yùn)動(dòng)速度，然后根據(jù)第N重空間區(qū)域的網(wǎng)格 節(jié)點(diǎn)參量獲得衛(wèi)星表面電位，所述帶點(diǎn)粒子包括電子和離子，具體為：
[0011] S42、令電子推動(dòng)次數(shù)k = 0 ;
[0012] S43、對(duì)于第一重空間區(qū)域，根據(jù)當(dāng)前帶點(diǎn)粒子的分布，獲得每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的電荷 量和電勢(shì)，并結(jié)合該重空間區(qū)域的邊界條件獲得每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的電場；利用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)電場， 獲得下一電子時(shí)間步長初始時(shí)刻電子的位置和速度，將離子看作保持靜止不動(dòng)，則獲得下 一電子時(shí)間步長初始時(shí)刻帶電粒子的分布；其中，電子時(shí)間步長△ t =本步驟對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格 尺寸/電子平均運(yùn)動(dòng)速度；
[0013] S44、對(duì)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(shí)間步 長初始時(shí)刻帶點(diǎn)粒子的分布，獲得每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的電荷量和電勢(shì)，并結(jié)合該網(wǎng)格區(qū)域的邊 界條件獲得每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的電場；利用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)電場獲得下一電子時(shí)間步長初始時(shí)刻電子 的分布，將離子看作保持靜止不動(dòng)，則獲得下一電子時(shí)間步長初始時(shí)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(diǎn)電勢(shì)確定；
[0015] 得到第N重空間區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)參量后，計(jì)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(jì)一次，并判斷k值是否等于n， \m. ，mi表示離子質(zhì)量，1116表示電子質(zhì)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(jì)算得到的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的電荷量與上一輪得到的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)電 荷量的差值是否小于設(shè)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(duì)于第一重空間區(qū)域，根據(jù)S44中獲得的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)電場，獲得下一離子時(shí)間 步長初始時(shí)刻離子的位置和速度，同時(shí)，根據(jù)S44中已經(jīng)獲得的電子的分布，獲得下一離子 時(shí)間步長初始時(shí)刻帶電粒子的分布；其中，離子時(shí)間步長=nAt ;
[0018] S46、對(duì)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(shí) 間步長初始時(shí)刻帶點(diǎn)粒子的分布，獲得每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的電荷量和電勢(shì)，并結(jié)合該重空間區(qū) 域的邊界條件獲得每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的電場；利用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)電場獲得下一離子時(shí)間步長初始時(shí) 刻帶點(diǎn)粒子的分布；
[0019] S47、得到第N重空間區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)參量后，計(jì)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(dāng)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(shè)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(duì)模擬空間實(shí)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(xì)網(wǎng)格劃分，在遠(yuǎn)離衛(wèi)星區(qū)域采用粗網(wǎng) 格劃分，由此在保證一定計(jì)算精度的前提下，較大程度地節(jié)省了運(yùn)算時(shí)間，較好的解決了地 球靜止軌道PIC表面帶電仿真分析的計(jì)算效率和精度之間的矛盾。
[0027] (2)通過采用不同的時(shí)間步長分別推動(dòng)電子和離子，在保證計(jì)算精度的前提下，能 夠節(jié)省近一半的計(jì)算量，提高了計(jì)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(jì)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(jì)算的衛(wèi)星表面電位分布。
[0031] 圖4為本發(fā)明采用PIC計(jì)算得到的衛(wèi)星表面電位-時(shí)間曲線。
[0032] 圖5為本發(fā)明采用多時(shí)標(biāo)粒子推動(dòng)計(jì)算得到的衛(wèi)星表面電位-時(shí)間曲線。
[0033] 其中，1 -粗網(wǎng)格區(qū)域、2 -精細(xì)網(wǎng)格區(qū)域、3 -衛(wèi)星。

【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0035] 基于現(xiàn)有的PIC仿真分析方法計(jì)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(chǔ)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(jì)算精度的問題，可是會(huì)帶來計(jì)算量大幅度增加問題，因此本發(fā)明提供了 一種基于多時(shí)標(biāo)粒子推動(dòng)獲得衛(wèi)星表面電位的方法，將模擬空間區(qū)域進(jìn)行非均勻網(wǎng)格的劃 分，即在遠(yuǎn)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(xì)網(wǎng)格劃分，如此可保證精 度的前提下，保證計(jì)算效率。
[0036] 另外，為了進(jìn)一步縮短計(jì)算時(shí)間，將對(duì)帶點(diǎn)粒子中的電子和離子的進(jìn)行分時(shí)標(biāo)推 動(dòng)，由于電子較活躍，運(yùn)動(dòng)速度快，而離子運(yùn)動(dòng)慢，在每次計(jì)算表面電位時(shí)，電子的分布改變 較大，但離子幾乎靜止不動(dòng)，長時(shí)間才能體現(xiàn)出離子的分布變化，因此如果每次計(jì)算都將電 子和離子推動(dòng)一次，勢(shì)必會(huì)浪費(fèi)計(jì)算時(shí)間，因此，本發(fā)明考慮在計(jì)算電位時(shí)，將電子推動(dòng)多 次后，再將離子推動(dòng)一次，如此會(huì)降低計(jì)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(quán)利要求】
1. 一種基于多時(shí)標(biāo)粒子推動(dòng)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?。荒M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(duì)每重空間區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，且第一至第N重空間區(qū)域的網(wǎng)格尺 寸逐漸減小； 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(diǎn)參量，包括：節(jié)點(diǎn)電荷 量、電勢(shì)和電場以及各帶點(diǎn)粒子的位置和運(yùn)動(dòng)速度，然后根據(jù)第N重空間區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn) 參量獲得衛(wèi)星表面電位，所述帶點(diǎn)粒子包括電子和離子，具體為： 542、 令電子推動(dòng)次數(shù)k=O; 543、 對(duì)于第一重空間區(qū)域，根據(jù)當(dāng)前帶點(diǎn)粒子的分布，獲得每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的電荷量和 電勢(shì)，并結(jié)合該重空間區(qū)域的邊界條件獲得每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的電場；利用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)電場，獲得 下一電子時(shí)間步長初始時(shí)刻電子的位置和速度，將離子看作保持靜止不動(dòng)，則獲得下一電 子時(shí)間步長初始時(shí)刻帶電粒子的分布；其中，電子時(shí)間步長At=本步驟對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格尺寸/ 電子平均運(yùn)動(dòng)速度； 544、 對(duì)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(shí)間步長初 始時(shí)刻帶點(diǎn)粒子的分布，獲得每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的電荷量和電勢(shì)，并結(jié)合該網(wǎng)格區(qū)域的邊界條 件獲得每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的電場；利用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)電場獲得下一電子時(shí)間步長初始時(shí)刻電子的分 布，將離子看作保持靜止不動(dòng)，則獲得下一電子時(shí)間步長初始時(shí)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(diǎn)電勢(shì)確定； 得到第N重空間區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)參量后，計(jì)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(jì)一次，并判斷k值是否等于n， Im. ? = ，Hii表示離子質(zhì)量，1116表示電子質(zhì)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(jì)算得到的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的電荷量與上一輪得到的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)電荷量 的差值是否小于設(shè)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(duì)于第一重空間區(qū)域，根據(jù)S44中獲得的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)電場，獲得下一離子時(shí)間步長 初始時(shí)刻離子的位置和速度，同時(shí)，根據(jù)S44中已經(jīng)獲得的電子的分布，獲得下一離子時(shí)間 步長初始時(shí)刻帶電粒子的分布；其中，離子時(shí)間步長=ηΔ?; 546、 對(duì)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(shí)間步 長初始時(shí)刻帶點(diǎn)粒子的分布，獲得每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的電荷量和電勢(shì)，并結(jié)合該重空間區(qū)域的 邊界條件獲得每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的電場；利用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)電場獲得下一離子時(shí)間步長初始時(shí)刻帶 點(diǎn)粒子的分布； 547、 得到第N重空間區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)參量后，計(jì)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(quán)利要求1所述的一種基于多時(shí)標(biāo)粒子推動(dòng)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(quán)利要求1所述的一種基于多時(shí)標(biāo)粒子推動(dòng)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(quán)利要求1所述的一種基于多時(shí)標(biāo)粒子推動(dòng)獲得衛(wèi)星表面電位的方法，其特征 在于，當(dāng)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(quán)利要求1所述的一種基于多時(shí)標(biāo)粒子推動(dòng)獲得衛(wèi)星表面電位的方法，其特征 在于，所述設(shè)定閾值取為=KT7C?1(T6C。
6. 根據(jù)權(quán)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(hào)】G06F17/50GK104239623SQ201410452260
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月5日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:蘭州空間技術(shù)物理研究所