一种用于微纳卫星的扇形角等效总剂量评估方法

1.本发明涉及太空环境中微纳卫星内的总剂量计算评估，尤其涉及一种基于正二十面体空间网格划分法对微纳卫星内敏感芯片处累计总剂量值的计算评估方法。


背景技术：

2.空间环境中充斥着来自宇宙、太阳和地球俘获带的辐射，直接威胁微纳卫星的正常运行。其中，总剂量效应直接影响在轨电子器件的使用寿命，地球辐射带的电子、质子和太阳宇宙线的质子等带电粒子入射半导体器件的氧化物界面层，影响载流子迁移率，或入射到栅氧化层，在其中产生正电荷，从而改变电压门限值导致器件电学性能下降，进而降低了微纳卫星的可靠性。研究表明总剂量效应对星载器件的危害已经产生了许多严重的后果。为保障微纳卫星安全可靠运行，必须围绕敏感芯片进行总剂量准确高效的评估和防护设计。
3.器件上积累的总剂量值和卫星屏蔽材料及其厚度直接相关，主要通过卫星结构优化或加厚挡板实现总剂量防护。但总剂量防护需要高准确的总剂量评估进行有效、明确的指导，特别是受到成本和质量制约的微纳卫星。因此准确评估微纳卫星内敏感芯片处的剂量值是防护的先决条件和重要基础。
4.目前对卫星总剂量评估的方法主要包括在轨飞行试验、地面模拟试验和仿真模拟评估。在轨飞行试验直接在空间进行试验，周期长，机会少，成本高昂；地面模拟试验利用发射源模拟辐射效应，难以模拟真实的空间环境。仿真模拟评估方法结合空间辐射模型和卫星模型，对卫星内的敏感器件进行在轨总剂量评估，具有评估周期短、成本低廉等优点。


技术实现要素：

5.本发明提出了一种用于微纳卫星的扇形角等效总剂量评估方法，用以评估微纳卫星内敏感位置的总剂量值，提升总剂量的计算精度和效率，分析总剂量防护的薄弱方向，从而解决总剂量系统级防护的瓶颈。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.一种用于微纳卫星的扇形角等效总剂量评估方法，包括以下几个步骤：
8.s1，根据卫星预设的飞行轨道和任务时长，利用空间辐射环境模型分析卫星在轨工作期间的空间辐射通量。
9.s2，基于shieldose-2模型以及s1分析的空间辐射通量计算简单几何模型的总剂量屏蔽作用，计算吸收剂量随指定材料厚度的变化关系，获得指定材料几何屏蔽下的剂量-深度曲线。
10.s3，等效简化卫星三维模型获得卫星简化形状模型，根据卫星三维模型内敏感芯片位置获得总剂量待测点坐标。
11.s4，以基于s3获得的待测点坐标为中心点，通过空间网格划分法获得从中心点发出的矢量射线，并以这些矢量射线为基础划分空间网格。
12.s5，基于s3构建的卫星形状模型和s4构建的矢量射线集合进行相交分析，逐一计算每条矢量射线和卫星形状模型组成模块之间的相交厚度，结合模块的材料密度，将各矢量射线方向上的各相交材料厚度等效为铝材料厚度。
13.s6，基于s2计算的剂量-深度曲线和s5计算的各矢量射线方向的等效铝材料厚度，将各方向的等效铝材料厚度转化为各矢量射线方向上的剂量值，得到剂量的三维分布情况，加权求和得到待测点的总剂量值。
14.s7，基于s6得到的待测点剂量的三维分布情况和总剂量值进行总剂量防护分析。对比总剂量值和待测点处器件的总剂量阈值判断是否满足总剂量防护要求。如果不满足则依据剂量的三维分布数据对卫星模型进行加固优化，并回到s3重新进行总剂量计算。如果满足则结束总剂量评估。
15.作为本发明的优选方案，步骤s4中的空间网格划分法选用等角度划分法、等立体角划分法或正二十面体空间网格划分法。根据划分次数输出不同数量的矢量射线。计算输出的矢量射线分布均匀。
16.在简单模型的比较中，相较于角度划分，正二十面体划分出来的矢量射线发布更加均匀，更有利于总剂量计算的稳定性和准确性，还有助于提高效率。作为本发明进一步优选的，步骤s4中的空间网格划分法选用正二十面体空间网格划分法，具体步骤包括：
17.s41，将正二十面体对称放置在坐标系中，其顶点均在坐标面上，其中心点坐标为(0，0，0)，设其外接球半径为r，则各顶点坐标为(
±
m，0，
±
n),(0，
±
n，
±
m),(
±
n，
±
m，0)，其中m、n的计算公式为(1)：
[0018][0019]
取与一二卦限相交的7个面进行分析，构建数组顺序存储7面的顶点坐标。
[0020]
s42，基于s41获得的数组，计算单面内各射线矢量端点坐标，由于面与面之间存在公共边，在单面计算中并没有计算ac边上的射线矢量端点，避免了重复计算、提高计算效率，有利于编程实现。计算公式为(2)、(3)：
[0021][0022][0023]
公式(2)、(3)中：a、c、b分别是该面的顶点，n为正二十面体划分中的迭代划分次数，u为的单位向量，v为的单位向量，i为u方向上的长度，j为v方向上的长度，(x
ij
，y
ij
，z
ij
)表示该面上向量坐标为(i，j)的射线矢量端点坐标，iu表示(x
ij
，y
ij
，z
ij
)在u方向上的向量值，jv表示(x
ij
，y
ij
，z
ij
)在v方向上的向量值。
[0024]
特别要注意的是，由于面与面之间存在公共边，在单面计算中并没有计算ac边上的射线矢量端点，避免了重复计算、提高计算效率，提高矢量射线的计算效率，有利于编程实现。
[0025]
s43，重复步骤s41-s42操作，依次将数组中存储的七面顶点坐标代入a、b、c进行射线矢量端点计算，获得七面的射线矢量端点。
[0026]
s44，利用正二十面体的对称性质对上述得到的坐标点进行遍历处理，在复制的过程中将点分为三组，其中第一二卦限内的每个点需要对称复制三次，得到四个点；oxy、oxz坐标面上的点需要对称复制一次，得到两个点；其余的点舍弃。
[0027]
如果该点在第一二卦限内，则对称复制三次，公式为(4)：
[0028][0029]
公式(4)中：(x，y，z)表示在第一二卦限内的点坐标，其y》0、z》0，p、q分别为y、z的复制系数，(x
pq
，y
pq
，z
pq
)表示对称复制三次后的顶点坐标。pq就是这个复制过程中“第一二卦限内的每个点需要对称复制三次”的公式表达，pq的值在集合{-1，1}，一共有四种情况，当pq都为1时，坐标xyz不变，当p为-1时表示坐标xyz以oxz为对称面复制为坐标x-yz；同理得到复制坐标xy-z和x-y-z。
[0030]
如果该点在oxy坐标面上，则对称复制一次，公式为(5)：
[0031][0032]
公式(5)中：(x，y，0)表示在oxy坐标面上的点坐标，其y》0，(x
p
，y
p
，0)表示对称复制一次后的顶点坐标。
[0033]
如果该点在oxz坐标面上，则对称复制一次，公式(6)为：
[0034][0035]
公式(6)中：(x,0,z)表示在oxz坐标面上的点坐标，其z》0，(xq，0，zq)表示对称复制一次后的顶点坐标。
[0036]
s45，获得正二十面体迭代n次划分的射线矢量端点,由于正二十面体中心点坐标为(0，0，0)，所以射线矢量端点和坐标原点即获得射线矢量，最终获得正二十面体迭代n次划分的射线矢量。
[0037]
优选的，步骤s5中的等效铝材料厚度计算表示为公式(7)：
[0038][0039]
公式(7)中：to为矢量射线方向上的等效厚度，k为矢量射线方向上的相交段数量，t
x
为矢量射线方向上第x个相交段的厚度，ρ
x
是矢量射线方向上第x个相交段的密度，ρ
al
为
铝合金材料的密度，d
tatal
为该待测点的总剂量，d
sphere
为以半径为变量的实心球球心沉积剂量函数。
[0040]
优选的，步骤s6中的待测点的总剂量值计算表示为公式(2)：
[0041][0042]
公式(8)中：d
tatal
为该待测点的总剂量，δo为矢量射线方向上的立体角，m为矢量射线数量，d
sphere
为以半径为变量的实心球球心沉积剂量函数。
[0043]
作为本发明的优选方案，步骤s5中的计算等效相交厚度具体为计算每条矢量射线和卫星形状模型组成模块的相交厚度，结合模块的材料密度，将各矢量射线方向上的各相交材料厚度等效为步骤s2中指定材料的厚度。
[0044]
作为本发明的优选方案，计算的总剂量分布情况可以反映待测点处各方向的总剂量分布值，可为总剂量防护提供依据。
[0045]
作为本发明的优选方案，步骤s7还包括：如果不满足器件总剂量防护要求，则依据剂量的三维分布情况对卫星模型进行加固优化，并回到s3重新进行总剂量计算。作为本发明的优选方案，所述指定材料为卫星的主要材料；可选用铝、钛合金或其他材料。
[0046]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0047]
(1)本发明基于仿真模拟评估方法，结合卫星三维模型和空间辐射环境仿真，在获得卫星的结构厚度及材质的基础上，评估指定轨道和任务周期的星内待测点总剂量值及剂量分布情况，贴合工程实际。
[0048]
(2)本发明可基于正二十面体划分进行网格划分，计算的矢量射线数量可调，矢量射线分布均匀，划分出来的空间网格形状一致，可以提高总剂量评估的准确性。
[0049]
(3)本发明基于正二十面体划分的扇形角等效完成总剂量评估，得到的总剂量分布图可以更加准确地反映待测点处各方向上的剂量值，可以明确反映出总剂量防护的薄弱方向，为总剂量的防护加固提供准确指导，提高总剂量防护效率和准确度。
附图说明
[0050]
图1是本发明基于正二十面体划分的扇形角等效总剂量评估流程图；
[0051]
图2是实施例1中使用的卫星简化形状模型；
[0052]
图3是实施例1中总剂量计算的分布情况；
[0053]
图4是正二十面体划分示意图；
[0054]
图5是正二十面体划分单面射线矢量端点计算示意图。
具体实施方式
[0055]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白、下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用于解释本发明，并不限定本发明。
[0056]
实施例1
[0057]
如图1所示，一种用于微纳卫星的扇形角等效总剂量评估方法，包括以下几个步骤：
[0058]
s1,根据卫星预定的飞行轨道和任务时长，利用空间辐射环境模型分析卫星寿命内所处的空间辐射通量。设定任务轨道为地球同步轨道，发射时间为2021年，在轨寿命一年。使用模型辐射带质子模型ap8 min、辐射带电子模型ae8 min、太阳质子长期统计模型esp分析飞行任务期间卫星所处的空间环境辐射剂量。
[0059]
s2，基于shieldose-2模型以及s1分析的空间辐射通量计算简单几何模型的屏蔽作用，计算吸收剂量随铝材料厚度的变化关系，获得铝材料几何屏蔽下的剂量-深度曲线。
[0060]
s3，利用solidworks软件对卫星三维模型进行等效简化，获得卫星简化形状模型，如图2所示。选用模型内的中心点为待测点。
[0061]
s4，以基于s3获得的待测点坐标为中心点，通过正二十面体划分法进行空间网格划分，获得从中心发出的矢量射线，并以这些矢量射线为基础均匀划分空间网格。
[0062]
s5，基于s3构建的卫星简化模型和s4构建的矢量射线，对卫星模型和矢量射线进行相交分析，逐一计算每条矢量射线和卫星组成模块之间的相交厚度，结合模块的材料密度，将各矢量射线方向上的各相交材料厚度等效为铝材料厚度。
[0063]
s6，基于s2计算的剂量-深度曲线和s5计算的各矢量射线方向的等效铝材料厚度，将各方向的等效铝材料厚度转化为网格单元上的剂量值，最终加权求和，得到最终待测点的剂量分布情况和总剂量值。评估结果显示，随着矢量射线数量的增加，总剂量计算结果趋于稳定。正二十面体划分法在矢量射线数量为42时的计算结果为13.76krad；随着矢量射线数量增加，计算值不断减小，矢量射线数量为162时，计算结果为13.46krad；矢量射线数量为642时趋于稳定，计算结果为13.14krad；矢量射线数量为2562时，计算结果为13.18krad。
[0064]
s7，基于s6得到的最终待测点的剂量分布情况进行总剂量防护分析。以矢量射线数量为642时正二十面体划分法的三维总剂量计算结果为例，获得各方位角的总剂量分布值，如图3所示。结合三维形状模型分析总剂量分布特点，三维剂量分布反应形状模型内测量点处的总剂量薄弱方向为上下平面和前后平面处，该分析结果可以给针对性总剂量加固提供准确的指导。
[0065]
优选的，步骤s4中的正二十面体空间网格划分具体步骤包括：
[0066]
s41，将正二十面体对称放置在坐标系中，其顶点均在坐标轴上，其中心点坐标为(0，0，0)，设其外接球半径为r，则各顶点坐标为(
±
m，0，
±
n),(0，
±
n，
±
m),(
±
n，
±
m，0)，其中m、n的计算公式为(1)：
[0067][0068]
如图4所示，取与一二卦限相交的7个面进行分析，七个面分别为s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7，对7个面的顶点进行编号，构建数组顺序存储7面的顶点坐标，存储为数组为{(m，p1，p2)、(m，p2，p3)、(m，p3，p4)、(m，p4，p5)、(m，p5，p1)、(p5，p1，p6)、(p3，p2，p7)}。
[0069]
s42，基于s41获得的数组，计算单面内各射线矢量端点坐标，由于面与面之间存在公共边，在单面计算中并没有计算ac边上的射线矢量端点，避免了重复计算、提高计算效率，提高矢量射线的计算效率，有利于编程实现，如图5所示，仅计算虚线框内的端点坐标。
计算公式为(2)、(3)：
[0070][0071][0072]
公式(2)、(3)中：a、c、b分别是该面的顶点，n为正二十面体划分中的迭代划分次数，u为的单位向量，v为的单位向量，i为u方向上的长度，j为v方向上的长度，(x
ij
，y
ij
，z
ij
)表示该面上向量坐标为(i，j)的射线矢量端点坐标，iu表示(x
ij
，y
ij
，z
ij
)在u方向上的向量值，jv表示(x
ij
，y
ij
，z
ij
)在v方向上的向量值。
[0073]
s43，重复步骤s41-s42操作，依次将数组中存储的第二面到第七面的顶点坐标代入a、b、c进行射线矢量端点计算，获得七面的射线矢量端点。
[0074]
s44，利用正二十面体的对称性质对上述得到的坐标点进行遍历处理，在复制的过程中将点分为三组，其中第一二卦限内的每个点需要对称复制三次，得到四个点；oxy、oxz坐标面上的点需要对称复制一次，得到两个点；其余的点舍弃。
[0075]
如果该点在第一二卦限内，则对称复制三次，公式为(4)：
[0076][0077]
公式(4)中：(x，y，z)表示在第一二卦限内的点坐标，其y》0、z》0，p、q分别为y、z的复制系数，(x
pq
，y
pq
，z
pq
)表示对称复制三次后的顶点坐标。pq就是这个复制过程中“第一二卦限内的每个点需要对称复制三次”的公式表达，pq的值在集合{-1，1}，一共有四种情况，当pq都为1时，坐标xyz不变，当p为-1时表示坐标xyz以oxz为对称面复制为坐标x-yz；同理得到复制坐标xy-z和x-y-z。
[0078]
如果该点在oxy坐标面上，则对称复制一次，公式为(5)：
[0079][0080]
公式(5)中：(x，y，0)表示在oxy坐标面上的点坐标，其y》0，(x
p
，y
p
，0)表示对称复制一次后的顶点坐标。
[0081]
如果该点在oxz坐标面上，则对称复制一次，公式(6)为：
[0082][0083]
公式(6)中：(x，0，z)表示在oxz坐标面上的点坐标，其z》0，(xq，0，zq)表示对称复制
一次后的顶点坐标。
[0084]
s45，获得正二十面体迭代n次划分的射线矢量端点,由于正二十面体中心点坐标为(0，0，0)，所以射线矢量端点和坐标原点即获得射线矢量，最终获得正二十面体迭代n次划分的射线矢量。
[0085]
优选的，步骤s5中的等效铝材料厚度计算表示为公式(7)：
[0086][0087]
公式(7)中：to为矢量射线方向上的等效厚度，k为矢量射线方向上的相交段数量，t
x
为矢量射线方向上第x个相交段的厚度，ρ
x
是矢量射线方向上第x个相交段的密度，ρ
al
为铝合金材料的密度，d
tatal
为该待测点的总剂量，d
sphere
为以半径为变量的实心球球心沉积剂量函数。
[0088]
优选的，步骤s5中的等效铝材料厚度计算表示为公式(2)：
[0089][0090]
公式(8)中：d
tatal
为该待测点的总剂量，δo为矢量射线方向上的立体角，m为射线数量，d
sphere
为以半径为变量的实心球球心沉积剂量函数。
[0091]
作为本发明实施例的优选，步骤s2中可选用卫星中存在各种材料，为了便于统一计算，一般指定材料是铝，但是换成其他材料也是可以的，不管是什么材料都只关注厚度，材料之间的转化关系依靠密度。
[0092]
作为本发明实施例的优选，步骤s7还包括：如果不满足器件总剂量防护要求，则依据剂量的三维分布情况对卫星模型进行加固优化，并回到s3重新进行总剂量计算。
[0093]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。