一种采用PIC方法仿真计算卫星表面电位的加速方法技术

本申请涉及空间应用技术领域，具体而言，涉及一种采用PIC方法仿真计算卫星表面电位的加速方法，包括如下步骤：步骤1：采用PIC方法进行等离子体粒子模拟；步骤2：设定带电粒子的初始位置和速度；步骤3：求出各处的电场和磁场；步骤4：求出每个粒子所受的洛伦兹力；步骤5：求出每个粒子下一时刻的位置和速度；步骤6：循环计算，一定程度后，计算一定时间步长内电位的变化，并将电位变化率乘以加速倍数等效为下一个加速时间步长内的初始电位；步骤7：在下一个加速时间步长之后，正常计算与加速时间步长相同时间内的电位结果。本申请采用仿真计算中分段按照比例扩大电位的加速算方法，可在PIC仿真计算卫星表面充电电位中减少计算时间。真计算卫星表面充电电位中减少计算时间。真计算卫星表面充电电位中减少计算时间。

【技术实现步骤摘要】
一种采用PIC方法仿真计算卫星表面电位的加速方法


[0001]本申请涉及空间应用
，具体而言，涉及一种采用PIC方法仿真计算卫星表面电位的加速方法。

技术介绍

[0002]卫星在太空中飞行时，会遭遇空间等离子体环境和高能带电粒子辐射环境，这些环境中的带电粒子与飞船相互作用，在其局部产生沉积电荷。这是一种积累效应，虽然轻微的带电不一定会引发异常或故障，但是当带电积累到一定水平时，就会显现负面的效果。卫星带电积累到一定程度时，会产生静电放电现象，放电会产生脉冲干扰或放电火花，引发仪器故障甚至是航天火灾等危险事故。由带电粒子辐射和太阳电磁辐射引起的卫星表面充电效应是导致卫星异常和故障的重要原因，在空间环境引起的卫星异常和故障中约占1/3。因此在卫星设计中必须考虑卫星的表面充电效应，采取必要的控制和防护措施。
[0003]卫星充电电位计算机模拟，是在卫星设计和运行中考虑卫星表面充电效应的最简便、最经济和最便捷的手段。通过模拟可以仿真出卫星在不同轨道、不同大小、不同形状和多种表面材料的卫星表面充电电位及其周围电位的分布；并提供空间等离子体受卫星表面电场影响的粒子分布，有关环境参量的测量分析。在卫星尚未发生升空前便能分析出其在太空中的带电情况，便能为工程设计提供参考，降低卫星发生故障的几率，延长卫星的使用寿命。
[0004]通常卫星充电电位模拟采用表面带电三维分析方法进行，对卫星在等离子体环境中的表面带电进行三维仿真计算。其通过创建空间航天器三维模型并对表面基本单元上电场和电位的仿真计算以及实时渲染来动态模拟航天器表面带电情况，为工程设计提供参考，最常用核心算法为Particle
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In
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Cell(单元粒子法，简称PIC)方法。PIC模拟本身基于简单的“宏粒子”概念，即用一些宏粒子的运动来代替实际等离子体带电粒子的运动，原则上说，只要粒子和网格的数目足够多，该方法可以处理几乎所有的等离子体问题，并且具有较高的模拟精度。由于PIC方法需要跟踪大量的带电粒子在电磁场中的运动来获得等离子体的宏观特性(如电流、电荷分布等)，因此具有较大的计算量，且计算量已经成为限制PIC应用的一个主要方面。

技术实现思路

[0005]本申请提供了一种采用PIC方法仿真计算卫星表面电位的加速方法，采用仿真计算中分段按照比例扩大电位的加速算方法，可在PIC仿真计算卫星表面充电电位中减少计算时间。
[0006]为了实现上述目的，本申请提供了一种采用PIC方法仿真计算卫星表面电位的加速方法，包括如下步骤：步骤1：采用PIC方法进行等离子体粒子模拟，建立空间计算网格；步骤2：设定带电粒子在空间计算网格的初始位置和速度，并统计平均求出等离子体空间的电荷和电流密度分布；步骤3：通过描述电场演化的Maxwell方程组求出各处的电场和磁场；步
骤4：根据洛伦兹力公式求出每个粒子所受的洛伦兹力；步骤5：通过运动方程求出每个粒子下一时刻的位置和速度，通过场的权重分配求模拟粒子所受的力以及运动状况，得到新的粒子速度分布和空间分布；步骤6：按照步骤2
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5循环计算，跟踪每个粒子的运动，一定程度后，计算一定时间步长内电位的变化，计算等效出下一个加速时间步长内的初始电位，同时将加速时间计入总计算时间；步骤7：在下一个加速时间步长之后，正常计算若干个计算步后的电位结果，该结果即为加速后的电位计算结果。
[0007]进一步的，步骤1中的PIC方法是以等离子体的动态粒子描述为基础来模拟等离子体的运动。
[0008]进一步的，在步骤6中，将电位变化率乘以加速倍数等效为下一个加速时间步长内的初始电位。
[0009]进一步的，在步骤6中，加速时间为时间步长与加速倍数的乘积。
[0010]进一步的，在步骤7中，正常计算指的是在不加速的情况下进行计算。
[0011]本专利技术提供的一种采用PIC方法仿真计算卫星表面电位的加速方法，具有以下有益效果：
[0012]本申请针对PIC仿真计算卫星表面充电电位计算量大的问题，采用仿真计算中分段按照比例扩大电位的加速算方法，可在PIC仿真计算卫星表面充电电位中减少计算时间。
附图说明
[0013]构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0014]图1是根据本申请实施例提供的加速计算的过程示意图；
具体实施方式
[0015]为了使本
的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
[0016]需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0017]在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
[0018]并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
[0019]另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
[0020]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
[0021]本申请提供了一种采用PIC方法仿真计算卫星表面电位的加速方法，包括如下步骤：步骤1：采用PIC方法进行等离子体粒子模拟，建立空间计算网格；步骤2：设定带电粒子在空间计算网格的初始位置和速度，并统计平均求出等离子体空间的电荷和电流密度分布；步骤3：通过描述电场演化的Maxwell方程组求出各处的电场和磁场；步骤4：根据洛伦兹力公式求出每个粒子所受的洛伦兹力；步骤5：通过运动方程求出每个粒子下一时刻的位置和速度，通过场的权重分配求模拟粒子所受的力以及运动状本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用PIC方法仿真计算卫星表面电位的加速方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：采用PIC方法进行等离子体粒子模拟，建立空间计算网格；步骤2：设定带电粒子在空间计算网格的初始位置和速度，并统计平均求出等离子体空间的电荷和电流密度分布；步骤3：通过描述电场演化的Maxwell方程组求出各处的电场和磁场；步骤4：根据洛伦兹力公式求出每个粒子所受的洛伦兹力；步骤5：通过运动方程求出每个粒子下一时刻的位置和速度，通过场的权重分配求模拟粒子所受的力以及运动状况，得到新的粒子速度分布和空间分布；步骤6：按照步骤2
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5循环计算，跟踪每个粒子的运动，一定程度后，计算一定时间步长内电位的变化，计算等效出下一个加速时间步长内的初始电位，同时将加速时间计入总计算时间；...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳青，秦晓刚，杨生胜，史亮，冯展祖，把得东，张剑锋，毛俊程，田海，贺援际，魏佳，
申请(专利权)人：兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：