一种通信卫星辐射剂量的三维分析方法技术

一种通信卫星辐射剂量的三维分析方法，步骤为：(1)将各卫星单机设备的三维模型赋予参数信息；(2)获得相应单机设备三维模型的体积，结合质量获得三维模型对应单机设备的密度；(3)将各单机设备的三维模型简化为长方体；(4)选取长方体简化模型的质心或者几何中心作为剂量点，然后以剂量点为球心，将全向空间使用圆柱体进行均匀划分；(5)计算各子空间屏蔽面密度和等效铝厚度；(6)计算得到指定剂量点的辐射总剂量；(7)对全向空间的屏蔽面密度进行显示。本发明专利技术方法紧密结合卫星三维布局模型，可以反应同一剂量点在不同空间入射方向上的不同屏蔽效果，也可以反应不同剂量点在全向空间的不同屏蔽效果，使得分析结果更接近真实情况。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于卫星空间环境分析领域，涉及一种卫星在空间环境下辐射剂量的三维分析方法。
技术介绍
对通信卫星产生电离总剂量效应的空间带电粒子辐射，主要有地球辐射带捕获电子、地球辐射带捕获质子和太阳耀斑质子三种辐射源。这些带电粒子与卫星所使用的电子元器件及材料相互作用，可产生电离总剂量效应、位移损伤效应、单粒子效应、表面充/放电效应、内带电效应等空间辐射效应，对卫星及其分系统、设备、元器件、材料的性能或功能产生影响，严重时甚至可造成功能完全损失。因此，有必要对卫星上的指定剂量点进行辐射剂量分析，一方面作为总体优化设备布局的依据，另一方面作为单机设备开展进一步辐射剂量分析的依据。以往的卫星辐射剂量分析主要是一维分析，即将卫星所在空间简化为所有方向上均匀厚度的实心球壳模型，根据卫星在轨位置，通过不同能量粒子的一维输运分析，得到深度-剂量曲线，如图1所示，通过查找深度-剂量曲线获得剂量点的辐射总剂量。但是，在实际的卫星布局中，剂量点在不同空间入射方向上的屏蔽各不相同，不同剂量点在全向空间的屏蔽状况也各不相同。所以，一维辐射剂量分析难以体现出剂量点在不同方向上的差异，仅是一种定性的分析方法，无法用来指导卫星总剂量防护设计，所以，有必要根据卫星三维模型，综合考虑卫星的实际布局情况，对指定剂量点进行更进一步的三维分析。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：为了克服现有辐射剂量一维分析的不足，提供了一种紧密结合卫星三维布局模型的辐射剂量三维分析方法，可以反应同一剂量点在不同空间入射方向上的不同屏蔽效果，也可以反应不同剂量点在全向空间的不同屏蔽效果，使得分析结果更接近真实情况。本专利技术的技术解决方案是：一种通信卫星辐射剂量的三维分析方法，包括如下步骤：(1)根据卫星单机设备外形图，将各卫星单机设备的三维模型赋予参数信息，所述的参数信息包括质量、质心和转动惯量；若卫星单机设备没有质心和转动惯量信息，则仅记录其质量信息；(2)对于已经被赋予参数信息的卫星单机设备，直接读取其质心和转动惯量信息，获得相应单机设备三维模型的体积，并结合质量信息获得三维模型对应单机设备的密度；对于仅有质量信息的单机设备，通过三维设计工具获得其三维模型的体积，并结合质量信息获得三维模型对应单机设备的密度；(3)将各单机设备的三维模型简化为长方体；(4)选取长方体简化模型的质心或者几何中心作为剂量点，然后以剂量点为球心，将全向空间使用具有一定半径的圆柱体进行均匀划分；(5)计算全向空间各子空间屏蔽面密度和等效铝厚度；(6)计算得到指定剂量点的辐射总剂量；(7)对全向空间的屏蔽面密度进行显示。优选的，所述步骤(3)中将各单机设备的三维模型简化为长方体的方法为：X=6(Iyy+Izz-Ixx)m]]>Y=6(Ixx+Izz-Iyy)m]]>Z=6(Ixx+Iyy-Izz)m]]>其中X、Y、Z分别为三维模型简化后长方体的长、宽、高，Ixx、Iyy、Izz分别是三维模型绕X轴、Y轴以及Z轴的主惯量，m为三维模型所代表单机设备的质量。优选的，所述的步骤(4)中将全向空间划分为10000个子空间。优选的，所述的步骤(5)中计算子空间屏蔽面密度的方法为：在子空间内，计算代表该子空间的圆柱体与卫星上所有单机设备的三维模型穿透的体积，之后根据所穿透的每个单机设备三维模型的密度以及圆柱体的截面积，计算得到此子空间的屏蔽面密度，即密度乘以截面积。优选的，所述的步骤(5)中计算子空间等效铝厚度的方法为：H=ρ2.7×10-3]]>其中ρ为子空间屏蔽面密度，单位为g/mm3，H为计算得出的等效铝厚度，单位为mm。优选的，所述的步骤(6)中计算指定剂量点的辐射总剂量的方法为：根据得到的各子空间的等效铝厚度，依据一维的深度-剂量曲线，首先得到各子空间的辐射剂量；然后对各个子空间的辐射剂量进行叠加，并根据子空间的个数对叠加值取平均，即得到剂量点处总的辐射剂量值。本专利技术与现有技术相比的优点在于：本专利技术方法基于卫星三维布局模型进行辐射分析，综合考虑了卫星结构板、星上仪器设备、星上电缆网等的实际布局，分析结果更接近真实情况；采用本专利技术方法，能够获得指定剂量点在不同空间入射方向上的辐射剂量，以及任意剂量点的辐射总剂量。根据任一方向的辐射剂量，设计师可以有针对性的在指定的方向上对设备进行加固，或将设备放置在合理的布局位置上；同时，设计师还可以据此判断设备的布局以及设备采取的加固措施是否满足总剂量要求。附图说明图1为一维深度-剂量曲线图，图中的“屏蔽厚度”即为等效铝厚度；图2为本专利技术方法的流程框图；图3本专利技术实施例中各个子空间屏蔽面密度三维示意图。具体实施方式下面结合附图，详细介绍本专利技术的实施过程，具体流程如图2。本专利技术的实施步骤如下：(1)卫星三维模型处理在卫星布局开始前，需利用三维设计软件的二次开发功能，根据设备外形图，将各单机设备的三维模型赋予参数信息(质量、质心、转动惯量)。这些参数是后续三维模型简化和计算屏蔽面密度的输入。另外，若无质心、转动惯量等参数，仅有产品配套表(包括设备代号和设备质量)，可对整星三维模型进行遍历，通过设备代号将配套表和对应的三维模型进行关联，之后自动提取每台设备对应的质量，存储在数据库中。(2)三维模型信息提取三维模型信息提取功能设计如下：对于已经被赋予参数信息的设备，直接读取其信息(质量、质心、转动惯量)，之后获得每个三维模型的体积，再根据读取得到的质量计算三维模型对应设备的密度。若设备无上述信息，可调用数据库中存储的质量参数，之后利用三维设计软件的二次开发功能，获得每个三维模型的体积，并利用质量和体积获得三维模型对应设备的密度。对模型赋予参数是卫星布局前的必备工作，赋予参数的工作的目的，是为了定义模型，这些模型经过定义后，就可以进行辐射剂量分析，以及进行其他的总装设计。(3)三维模型的简化为了提高辐射剂量分析的速度，可将设备模型进行一定程度的简化，即去掉电连接器插座、耳片、结构凸出物等体积占比5％以下、对辐射剂量分析无影响的部分，将不规则形状的模型简化为长方体。可根据步骤(2)提取得到的质心、转动惯量计算得到模型的长、宽、高信息(见式1)，从而快速建立简化模型。X=6(Iyy+Izz-Ixx)m]]>Y=6(Ixx+Izz-Iyy)mZ=6(Ixx+Iyy-Izz)m---(1)]]>式(1)中X、Y、Z分别为模型简化后的长、宽、高，Ixx、Iyy、Izz分别是模型绕X轴、Y轴以及Z轴的主惯量，m为模型的质量。(4)指定剂量点全向空间划分剂量点的设置，一般选择所分析设备模型的质心或几何中心处。可通过三维设计软件的二次开发自动获取质心位置，也可手动设置剂量点坐标。以剂量点为球心，将全向空间(4π立体角空间)使用具有一定半径的圆柱体(圆柱体半径越小，计算越接近实际情况，在此取圆柱体直径为1mm，此数值已满足工程应用要求)进行均匀划分。划分的空间越密集，计算越接近实际情况，但划分密集使得计算的时间相应延长。经综合考虑，将全向空间划分为10000个子空间，在兼顾运算时间的情况下，能够满足工程应用的要求。(5)计算全向空间各子空间屏蔽面密度和等效铝厚度在步骤(4)划分的各个子空间内，计算代表该子空间的圆柱体与卫星上所有设备的三维模型穿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通信卫星辐射剂量的三维分析方法，其特征在于包括如下步骤：(1)根据卫星单机设备外形图，将各卫星单机设备的三维模型赋予参数信息，所述的参数信息包括质量、质心和转动惯量；若卫星单机设备没有质心和转动惯量信息，则仅记录其质量信息；(2)对于已经被赋予参数信息的卫星单机设备，直接读取其质心和转动惯量信息，获得相应单机设备三维模型的体积，并结合质量信息获得三维模型对应单机设备的密度；对于仅有质量信息的单机设备，通过三维设计工具获得其三维模型的体积，并结合质量信息获得三维模型对应单机设备的密度；(3)将各单机设备的三维模型简化为长方体；(4)选取长方体简化模型的质心或者几何中心作为剂量点，然后以剂量点为球心，将全向空间使用具有一定半径的圆柱体进行均匀划分；(5)计算全向空间各子空间屏蔽面密度和等效铝厚度；(6)计算得到指定剂量点的辐射总剂量；(7)对全向空间的屏蔽面密度进行显示。

【技术特征摘要】
1.一种通信卫星辐射剂量的三维分析方法，其特征在于包括如下步骤：(1)根据卫星单机设备外形图，将各卫星单机设备的三维模型赋予参数信息，所述的参数信息包括质量、质心和转动惯量；若卫星单机设备没有质心和转动惯量信息，则仅记录其质量信息；(2)对于已经被赋予参数信息的卫星单机设备，直接读取其质心和转动惯量信息，获得相应单机设备三维模型的体积，并结合质量信息获得三维模型对应单机设备的密度；对于仅有质量信息的单机设备，通过三维设计工具获得其三维模型的体积，并结合质量信息获得三维模型对应单机设备的密度；(3)将各单机设备的三维模型简化为长方体；(4)选取长方体简化模型的质心或者几何中心作为剂量点，然后以剂量点为球心，将全向空间使用具有一定半径的圆柱体进行均匀划分；(5)计算全向空间各子空间屏蔽面密度和等效铝厚度；(6)计算得到指定剂量点的辐射总剂量；(7)对全向空间的屏蔽面密度进行显示。2.根据权利要求1所述的一种通信卫星辐射剂量的三维分析方法，其特征在于：所述步骤(3)中将各单机设备的三维模型简化为长方体的方法为：X=6(Iyy+Izz-Ixx)m]]>Y=6(Ixx+Izz-Iyy)m]]>Z=6(Ixx+Iyy-Izz)m]]>其中X、Y、Z分别为三维模型简化后长方体的长、宽、高，Ixx、I...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐春生，杨勇，周志成，魏强，曹鹏，夏永泉，庞智敏，刘辉，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11