[發明專利]一種基于非均勻網格劃分獲得衛星表面電位的方法

在審

• 申請號: 201410450295.2
• 申請日: 2014-09-05
• 公開（公告）號: CN104281740A
• 公開（公告）日: 2015-01-14
• 發明（設計）人: 湯道坦;楊生勝;李得天;劉明正;秦曉剛;柳青;陳益峰;史亮
• 申請（專利權）人: 州空間技術物理研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 付雷杰;仇蕾安

技術領域

本發明涉及空間應用技術，尤其涉及一種基于非均勻網格劃分獲得地球靜止軌道衛星表面電位的方法。

背景技術

衛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，從而產生表面帶電效應。在航天器總體設計階段，通過仿真計算衛星的表面電位分布，找出可能發生放電的部位，并加以改進，可有效降低研發成本、和提高航天器工作的可靠性。

在衛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)數值分析方法是一種以動態等離子體模型為基礎的功能強大的數值計算方法，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。由于地球靜止軌道的等離子體的德拜長度可達數百米，而衛星的尺寸只有數米，而PIC仿真分析過程中，需要兼顧兩者。兩者的巨大差距導致了靜止地球軌道衛星表面帶電PIC仿真分析的時候，如果采用統一的粗網格劃分空間則導致分析內容不能反映衛星表面電位的分布細節；如果采用統一的精細網格則導致模擬空間的網格數過多，仿真計算時間不可接受。因此建立一種既能減少仿真計算時間，又能保證仿真計算精度的網格劃分方法來計算航天器表面的電位具有重要的意義。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種基于非均勻網格劃分獲得衛星表面電位的方法，根據空間等離子體特性和衛星尺寸，以衛星為中心，由遠及近地劃分出N重逐漸減小的空間區域，并實行不同區域采用不同網格尺寸的劃分方法，即離衛星較近的較小空間區域采用精細網格劃分，在遠離衛星的較大空間區域采用粗網格劃分，由此在保證一定計算精度的前提下，較大程度地節省了運算時間，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。

為了解決上述技術問題，本發明是這樣實現的：

本發明的一種基于非均勻網格劃分獲得衛星表面電位的方法，包括如下步驟：

步驟1、確定衛星所在位置的空間環境參數，并根據空間環境參數確定等離子體的德拜長度；

步驟2、根據所述的德拜長度確定衛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，劃分出N重相互重疊且逐漸減小的空間區域，N重空間區域均以衛星為中心，然后對每重空間區域進行網格劃分，且第一至第N重空間區域的網格尺寸逐漸減小；

步驟4、在模擬空間通過PIC方法獲得各重空間區域的網格節點參量，包括：節點電荷量、電勢和電場以及各帶點粒子的位置和運動速度，然后根據第N重空間區域的網格節點參量獲得衛星表面電位，具體為：

S41、對于第一重空間區域，根據當前帶電粒子的分布，獲得每個網格節點的電荷量和電勢，并結合該重空間區域的邊界條件獲得每個網格節點的電場；利用網格節點電場，獲得下一時間步長初始時刻帶電粒子的位置和速度，即獲得下一時間步長初始時刻帶電粒子的分布；其中，時間步長＝本步驟對應的網格尺寸/電子平均運動速度；

S42、對于第二至第N重空間，根據已經獲得的上一重空間區域內下一時間步長初始時刻帶電粒子的分布，獲得本重空間區域內每個網格節點的電荷量和電勢，并結合該重空間區域的邊界條件獲得每個網格節點的電場；利用網格節點電場，獲得本重空間區域內下一時間步長初始時刻帶電粒子的位置和速度，即獲得該空間區域內下一時間步長初始時刻帶電粒子的分布；

其中，所述該重空間區域的邊界條件根據其上一重空間區域中的節點電勢確定；

S43、得到第N重空間區域的網格節點參量后，計算衛星表面電位；然后判斷平衡條件是否滿足：如果滿足，輸出衛星表面電位；如果不滿足，執行S41至S43；

所述平衡條件為：本輪計算得到的網格節點的電荷量與上輪得到的網格節點電荷量的差值是否小于設定閾值，如果小于，滿足平衡條件，如果大于或者等于，不滿足平衡條件。

所述第一重空間區域的網格尺寸小于0.7倍德拜長度。

較佳地，第N重空間區域的網格尺寸小于衛星尺寸的1/10。

較佳地，當前空間區域的網格尺寸為下一重空間區域的網格尺寸的10倍。

較佳地，所述設定閾值取為：10^-7C～10^-6C。

較佳地，所述模擬空間的半徑為所述德拜長度的1-2倍。

本發明具有如下有益效果：