[发明专利]一种用于微纳卫星的扇形角等效总剂量评估方法

说明书

本发明公开一种用于微纳卫星的扇形角等效总剂量评估方法，涉及太空环境中卫星辐射防护领域；该方法以卫星内待测点为中心，通过空间网格划分法计算矢量射线，依次计算各矢量射线和卫星模型之间的相交长度和材料密度，获得各矢量射线方向的等效相交长度，结合空间辐射环境仿真获取的剂量‑深度曲线，获得各射线方向上的剂量值，加权相加得到待测点处的三维总剂量，可以提高总剂量评估的计算效率和准确度，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。

技术领域

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

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。

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。

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。

发明内容

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。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

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：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。