[发明专利]一种基于多时标粒子推动获得卫星表面电位的方法

说明书

本发明公开了一种基于多时标粒子推动获得卫星表面电位的方法,根据空间等离子体特性和卫星尺寸，对模拟空间实行不同区域采用不同网格尺寸的划分方法，即在卫星附近区域采用精细网格划分，在远离卫星区域采用粗网格划分，由此在保证一定计算精度的前提下，较大程度地节省了运算时间，较好的解决了地球静止轨道PIC表面带电仿真分析的计算效率和精度之间的矛盾；通过采用不同的时间步长分别推动电子和离子，在保证计算精度的前提下，能够节省近一半的计算量，提高了计算效率。

技术领域

本发明涉及空间应用技术，尤其涉及一种基于多时标粒子推动获得卫星表面电位的方法。

背景技术

卫星与地球静止轨道的空间等离子体相互作用会收集等离子体中的电子和离子，从而产生表面带电效应。在航天器总体设计阶段，通过仿真计算卫星的表面电位分布，找出可能发生放电的部位，并加以改进，可有效降低研发成本、和提高航天器工作的可靠性。

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两种方法。而粒子模拟(PIC)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。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。计算量过大已经成为限制PIC方法应用在卫星表面电位仿真计算中的最重要的因素。因此，建立一种能够节省PIC卫星表面电位计算量的分析方法对于PIC的表面带电仿真分析应用具有重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于多时标粒子推动获得卫星表面电位的方法，根据空间等离子体特性和卫星尺寸，以卫星为中心划分出N重相互重叠且逐渐减小的空间区域，并实行不同区域采用不同网格尺寸的划分方法，即离卫星较近的较小空间区域采用精细网格划分，在远离卫星的较大空间区域采用粗网格划分，由此在保证一定计算精度的前提下，较大程度地节省了运算时间；同时，采用不同的时标对电子和离子进行推动，进一步节省计算时间，提高效率。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

本发明的一种基于多时标粒子推动获得卫星表面电位的方法，包括下列步骤：

步骤1、确定卫星所在位置的空间环境参数，并根据空间环境参数确定等离子体的德拜长度；

步骤2、然后根据所述的德拜长度确定卫星周围的模拟空间的大小；模拟空间的半径至少等于所述德拜长度；

步骤3、在模拟空间范围内，划分出N重相互重叠且逐渐减小的空间区域，N重空间区域均以卫星为中心，然后对每重空间区域进行网格划分，且第一至第N重空间区域的网格尺寸逐渐减小；

步骤4、在模拟空间通过PIC方法获得各重空间区域的网格节点参量，包括：节点电荷量、电势和电场以及各带点粒子的位置和运动速度，然后根据第N重空间区域的网格节点参量获得卫星表面电位，所述带点粒子包括电子和离子，具体为：

S42、令电子推动次数k＝0；

S43、对于第一重空间区域，根据当前带点粒子的分布，获得每个网格节点的电荷量和电势，并结合该重空间区域的边界条件获得每个网格节点的电场；利用网格节点电场，获得下一电子时间步长初始时刻电子的位置和速度，将离子看作保持静止不动，则获得下一电子时间步长初始时刻带电粒子的分布；其中，电子时间步长Δt＝本步骤对应的网格尺寸/电子平均运动速度；

S44、对于第二至第N重网格，根据已经获得的上一重空间区域内下一电子时间步长初始时刻带点粒子的分布，获得每个网格节点的电荷量和电势，并结合该网格区域的边界条件获得每个网格节点的电场；利用网格节点电场获得下一电子时间步长初始时刻电子的分布，将离子看作保持静止不动，则获得下一电子时间步长初始时刻带电粒子的分布；；

其中，所述该重空间区域的边界条件根据上一重空间区域中的节点电势确定；