[發明專利]一種基于多時標粒子推動獲得衛星表面電位的方法

在審

• 申請號: 201410452260.2
• 申請日: 2014-09-05
• 公開（公告）號: CN104239623A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 楊生勝;李得天;秦曉剛;湯道坦;柳青;趙呈選;陳益峰;史亮
• 申請（專利權）人: 蘭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

本發明公開了一種基于多時標粒子推動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，對模擬空間實行不同區域采用不同網格尺寸的劃分方法，即在衛星附近區域采用精細網格劃分，在遠離衛星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；通過采用不同的時間步長分別推動電子和離子，在保證計算精度的前提下，能夠節省近一半的計算量，提高了計算效率。

技術領域

本發明涉及空間應用技術，尤其涉及一種基于多時標粒子推動獲得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。但是PIC方法需要跟蹤大量的帶電粒子，因此存在計算量大的缺點。計算量過大已經成為限制PIC方法應用在衛星表面電位仿真計算中的最重要的因素。因此，建立一種能夠節省PIC衛星表面電位計算量的分析方法對于PIC的表面帶電仿真分析應用具有重要的意義。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種基于多時標粒子推動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，以衛星為中心劃分出N重相互重疊且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；同時，采用不同的時標對電子和離子進行推動，進一步節省計算時間，提高效率。

為了解決上述技術問題，本發明是這樣實現的：

本發明的一種基于多時標粒子推動獲得衛星表面電位的方法，包括下列步驟：

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、然后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，所述帶點粒子包括電子和離子，具體為：

S42、令電子推動次數k＝0；

S43、對于第一重空間區域，根據當前帶點粒子的分布，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，獲得下一電子時間步長初始時刻電子的位置和速度，將離子看作保持靜止不動，則獲得下一電子時間步長初始時刻帶電粒子的分布；其中，電子時間步長Δt＝本步驟對應的網格尺寸/電子平均運動速度；

S44、對于第二至第N重網格，根據已經獲得的上一重空間區域內下一電子時間步長初始時刻帶點粒子的分布，獲得每個網格節點的電荷量和電勢，并結合該網格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電子時間步長初始時刻電子的分布，將離子看作保持靜止不動，則獲得下一電子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上一重空間區域中的節點電勢確定；