[科普中国]-空间环境探测卫星

发展背景

空间环境是指日地空间对人类活动构成影响的所有环境因素，包括各种成分的带电粒子、中性粒子、各个波段的电磁辐射、电磁场、微流星体和空间碎片等。空间环境是卫星、飞船和空间站等航天器的运行环境，也是导航、定位、通信等卫星业务的路径环境。它所涵盖的区域包括地球高层大气、电离层、磁层、行星际空间以及太阳活动区域。空间环境中的各种效应对在轨航天器的安全运行以及航天员的身体健康构成了严重的威胁，同时对依赖于天基手段的人类活动造成了不同程度的影响。2

探测空间环境，了解空间环境不仅是航天活动的重要科学目的，也是航天器安全保障的需要。由于变化的空间环境可能对航天活动和技术系统造成重大影响，因此，有必要全面开展空间环境探测与研究，了解和掌握空间环境的一般状况和变化情况，保障以航天器为依托的经济活动及科技活动的安全。空间环境探测不仅是人类对自身生存空间认知的需要，也是人类进入空间确保空间系统安全的需要。2

空间环境包括真空、低温、微重力、地磁场、太阳电磁辐射、高能带电粒子、等离子体、 原子氧、微流星/空间碎片等多种因素。这些因素以不同的方式对航天器造成损害。随着航天器技术的发展，性能的提高，使用的电子器件、探测器和传感器更加先进，空间环境对卫星系统及载荷的影响更加严重。在过去的几十年里，由空间辐射环境（包括高温等离子体和高能带电粒子，不包括电磁辐射）引起的总剂量效应（Total Ionizing Dose, TID)、充放电效应（Electrostatic Discharge, ESD)和单粒子效应（Single Event Effecte, SEE)引发了几千次的航天器异常事件。3

空间环境是影响航天器在轨运行时安全可靠性的重要因素，四十年的航天历史上已经发生过许多次因空间环境的作用而使航天器不能正常工作甚至完全损坏的事例。因此，在 国外已经对空间环境及其对航天器影响进行过大量的探测。4

分类空间环境探测卫星种类繁多，从探测对象和工作原理可分为带电粒子探测卫星、等离子体探测卫星、中性大气探测卫星、电磁辐射探测卫星、电磁场及其波动探测卫星以及空间环境效应探测卫星等。根据探测区域不同可分为太阳大气活动探测卫星、行星际探测卫星、磁层探测卫星、电离层探测卫星、中高层大气探测卫星、空间碎片监测卫星和空间环境效应探测卫星等。2

太阳大气活动探测卫星主要针对日面高能电磁辐射和日冕可见光进行探测。探测仪器具体包括太阳紫外流量计、太阳X射线探测器等高能电磁辐射流量和能谱类探测仪器，太阳紫外成像仪、太阳X射线成像仪、太阳分光日冕仪等成像类探测仪器以及太阳磁像仪等。2

行星际探测卫星主要针对太阳风、行星际磁场、太阳能量粒子事件、日冕物质抛射事件等进行探测。探测仪器具体包括太阳风等离子体探测仪、磁通门磁强计、太阳宇宙射线探测器、太阳能量粒子探测器、日冕物质抛射白光成像仪等。

磁层探测卫星主要针对磁层中带电粒子和场进行探测。其中，带电粒子探测仪器具体包括高能质子探测器、高能电子探测器、宇宙射线成份探测器、中能/低能离子成份探测器、低能电子探测器、等离子体探测器等；磁场、电场和低频电磁波动类探测仪器具体包括磁通门磁强计、空间电场仪、电子漂移计、低频电磁波探测器等。此外，中性原子成像仪、极紫外成像仪等仪器用于对地球环电流和等离子体层进行成像探测。电离层探测设备主要针对电离层中的等离子体密度、温度、漂移速度、总电子浓度和电子浓度剖面等进行探测。探测仪器具体包括电子/离子探针、质谱探针、光谱仪、磁力仪等。2

中高层大气探测卫星主要针对中高层大气密度、成份、风场和发光现象进行探测。探测仪器具体包括大气密度探测器、大气成份探测器、气辉探测器、紫外辐射探测器、法布罗意干涉仪等，而远紫外成像仪、X射线成像仪等用于极光卵的成像监测。

空间碎片探测卫星主要针对太空中的微小碎片和微流星体等进行探测。探测仪器具体包括半导体探测器、压电薄膜探测器、等离子体探测器等。

空间环境效应探测卫星主要针对辐射剂量效应、单粒子效应、充电效应、原子氧剥蚀效应等一系列环境效应进行监测和试验。探测仪器具体包括各种辐射剂量仪、线性能量传输谱探测器、单粒子事件试验仪、航天器表面电位探测器、深层充电探测器、舱内电磁脉冲探测器、原子氧剥蚀探测器、污染气体探测器等。2

工作内容空间环境探测卫星的主要工作内容包括：空间环境扰动源的监测、空间环境状态及其变化监测、空间环境对人类活动的影响监测3个方面。

（1）空间环境扰动源的监测

空间环境扰动的主要源头是太阳大气活动。太阳日冕物质抛射、高速太阳风、冻结在太阳风中的行星际磁场、行星际激波等是诱发地球磁层暴，进而产生热层暴的主要原因，而太阳耀斑等高能爆发活动，是地球电离层暴、太阳高能粒子等事件的源头。因此太阳耀斑、日冕物质抛射、太阳风、行星际磁场等是空间环境扰动源必须监测的内容。为了将扰动预报的时间提前，也需要对太阳大气活动的先兆现象进行监测，如太阳活动区、冕洞等的位置、结构和演化等。2

上述太阳大气活动的可见光、射电波段监测主要在地面进行。天基遥感监测主要集中在远紫外、极紫外、X射线波段，为避免地球大气杂散光影响，也安排天基太阳日冕的可见光监测。现场监测主要针对太阳抛射的各种带电粒子、太阳风等离子体，以及行星际磁场等的监测。2

（2）空间环境状态及其变化监测

空间环境这里主要指人类活动最多的空间区域环境，它包括磁层、电离层和中高层大气。而深空环境的保障在我国目前还难以考虑，本文不做讨论。地球空问环境从监测对象分，包括：带电粒子、等离子体、中性粒子和电磁场。适宜以现场监测为主，遥感监测为辅。带电粒子主要监测磁层和辐射带的捕获粒子，也监测来自太阳和宇宙的粒子。种类包括电子、质子和重离子成分，能量从eV到GeV，要求多方向监测。等离子体监测主要包括电子和离子的密度和温度等。中性粒子主要进行中高层大气的中性粒子密度、成分和风场的监测。电磁场的监测以磁场、电场监测为主，电磁波监测为辅。2

遥感和路径监测主要是对中高层大气、电离层进行监测。包括大气温度、密度、成分、风场、气辉、高层闪电、电子密度总量、电子密度剖面等。

（3）空间环境对人类活动影响的监测

空间环境对人类活动的影响范围较广。目前我国比较关注的是影响航天器和航天员安全的环境效应、影响通信导航定位等的电离层效应等。

以航天器、航天员安全为核心的空间环境效应主要包括辐射剂量效应、航天器表面及深层充放电效应、各种原因诱发的舱内瞬态电磁脉冲干扰效应、器件的单粒子效应、空间原子氧的剥蚀效应、航天器气体污染效应、空间碎片的碰撞效应和沙蚀效应等。2

以影响通信、导航定位等的电离层效应，包括电离层的闪烁、法拉第旋转、信号相位和幅度漂移、信号失锁。

以保障服务为目的的天基空间环境监测，不同于以科学研究为目的的空间物理探测，最主要区别是空间环境监测需要连续性和长期稳定性。地面气象的连续稳定监测已得到广泛认可，天基空间环境监测也需要保持连续性和长期稳定性。2

我国发展情况（1）科学卫星的空间环境探测

我国的空间环境探测最早是从科学试验卫星开始的，在进入新千年以前，科学试验卫星一直是我国开展空间环境探测的主要手段。

1971年3月3日我国成功发射了 “实践一号”卫星，这娃在我国发射第一颗人造卫星."东方红一号”后不到一年的时间内发射的第二颗卫星。除工程试验外，首次开展了高能带电粒子、 太阳X射线和磁场探测研究。宇宙线计采用盖革计数管对大于16.4MeV的质子和大于0.88MeV的电子进行了探测。太阳 X射线计采用气体积分电离室对1〜8A的太阳X射线积分流量进行了监测。探测器工作正常，但由于能源限制，工作的时间不长，获得了我国上空的环境数据。5

1981年9月20日“实践二号”科学试验卫星上天，该星是一颗综合性的空间科学探测卫星，用于探测高能带电粒子环境、太阳高能电磁辐射、地球-大气辐射和大气密度等。其有效载荷为半导体电子单向强度探测器、质子单向强度探测器、闪烁计数器、太阳紫外辐射计、太阳X射线探测器、长波红外辐射计、短波红外辐射计、地气紫外背景辐射探测器、热屯离计。卫星入轨后，各探测器运行止常，获得了一些数据，可惜卫星寿命较短。5

1990年9月3日升空的“大气一号”是利用高层大气对卫星轨道的影响从而研究大气密度及其扰动的科学试验卫星。它由两颗直径和重量均不相同的气球卫星组成，分别于1991年3月14 日和7月23日陨落，推得了500〜900km的大气密度。试验获得圆满成功。5

1994年2月8日以探测研究空间环境及其效应为主要目的的科学探测卫星“实践四号”发射成功，进入近地点200km,远地点36000km,倾角28.5°的大椭圆轨道。有效载荷为高能质子重离子探测器、高能电子探测器、静电分析器、表面电位探测器、静态单粒子事件探测器和动态单粒子事件探测器。卫星在轨运行整半年，各探测器工作正常，获得了一批有价值的成果。如完整的地球内外辐射带结构、磁暴时辐射带结构变化、单粒子翻转几率及分布、EPROM擦除、单粒子锁定、监测到卫星表面大于-2000V以上的电位等等。探测结果对开展空间环境及其效应研究、 进行航大器工程设计等均有重要意义。5

1999年5月10日“实践五号”卫星与“风云一号C”星一箭双星进入870km高的太阳同步轨道。“实践五号”主要进行单粒子效应的防护对策研究。与主任务有关的有效载荷为单粒子事件检测器、单粒子事件屏蔽效应试验仪、单粒子事件翻转试验仪、单粒子事件综合试验仪、单粒子锁定试验仪、高能质子重离子探测器、高能电子探测器和辐射剂量仪。前五台仪器用于探测研究太阳同步轨道的单粒子翻转几率、空间分布、不同材料的屏蔽效果、各种CPU、存储器及其它器件的抗单粒子性能、软硬件纠错、各种软硬件防护、单粒子锁定及自解锁等。后3台仪器用于探测研究太阳同步轨道高能带电粒子分布、扰动规律及不同屏蔽下的空间辐射剂量，各仪器入轨后一直工常。卫星设计寿命3个月，实际科学数据最后一次下行是在 2000年2月4日，探测成果较为丰富。5

（2）应用卫星的空间环境探测

在应用卫星上搭载空间环境探测仪器可拓展探测空间、延长探测时间、节约探测经费，是开展空间环境探测的重要途径。随着航天器在轨寿命的延长，在轨飞行安全保障问题日益突出，设罝空间环境监测分系统己逐渐成为一些卫星用户和卫星总体的共识。

1984年4月和1986年2月，我国先后发射了两颗地球同步轨道通信卫星“方红一号”，搭载有太阳软X射线探测器、高能质子探测器、高能电子探测器和静电电位差计，卫星虽然运行时 间较长,但每天仅有30〜60分钟的遥测数据，未能获得完整的空间环境资料。5

1988年9月和1990年9月“风云一号A”和“风云一号B”太阳同步轨道气象卫星分别发射成功，卫星搭载有宇宙线成分监测器，对辐射带中重离子及宇宙线异常成分等进行了监测。仪器工作正常，遗憾的是，A星工作时间较短，B星也只有近半年时间，但也发现宇宙线异常成分中含Fe等一批重要结果。5

1997年6片10日“风云一号”地球同步轨道气象卫星发射，6月17日成功定点。该星设置有太阳X射线探测器和空间粒子探测器，两台仪器组成太阳质子事件警报与监测系统.1997年11月初成功地预报和监测到了两起太阳质子事件。获得了丰富的地球同步轨道高能带电粒子数据。仪器工作正常，因其它原因1998年4月8日后下行数据逐渐残缺。

1999年5月10日“风云一号C”气象卫星入轨，该星设置空间粒子成分监测器，该仪器对高能电子、质子能谱和各种重离子成分进行了监测。由于境外存储能力的增强，基本实现了全轨道的探测。首次给出了整个轨道面各种带电粒子的分布图像，获得了一批重要成果。截至到2000 年8月20日，卫星与探测器一直工作正常，预期寿命可望超过2年。5

1999年10月14日中巴合作的“资源一号”极轨卫星发射成功。该星设置有极光粒子探测器、 粒子辐射探测器和CMOS辐射效应测量仪。分别对低能带电粒子、高能带电粒子和CMOS器件的辐射剂量效应进行探测。截至到2000年8月底，卫星和探测器工作正常。5

2000年6月25日“风云二号B”星升空，7月3日定点。其太阳X射线探测器和空间粒子探测器工作正常，并成功警报和监测了7月中旬罕见的特大太阳质子事件，新华社、新闻联播、 人民日报等各大媒体均给予报道。

搭载于返回式卫星的空间环境探测主要有两类，一是舱内高能带电粒子探测，一是用于航天医学的个人辐射剂量探测。5

1976年和1978年，曾在返回式卫星上，用乳胶测量舱内的质子、电子和重核离子。

1987年、1988年、1990年、1996年曾在返回式卫星上，用固体径迹探测器进行了重核离子的探测。

1989年、1994年和1996年利用LiF热释光剂量仪、GM计数管型剂量仪等在返回式卫星上进行了辐射剂量的测量。

发展趋势空间环境探测卫星随着需要探测区域的不断扩大，已从初期的单颗卫星孤立探测发展到多颗卫星联网探测，能同时对多个不同区域进行测量，卫星上往往装有几种探测仪器，探测项目包括中性粒子、髙能带电粒子、磁场、微流星体、电离层和等离子体等。这种卫星的一个重要特点是轨道倾角和轨道高度都在较大范围内变化，以便获得尽可能大的探测范围，如轨道倾角可能从几度到90°，轨道高度可能从几百公里到十几万公里。1

（1）带电粒子探测

带电粒子辅射环境是航天器设计、航天员安金最为关心的环境。轨道空间的带电粒子具有区域、方向和能谱分布的特点，并随空间环境扰动变化剧烈。空间粒子辐射的影响与飞行器的构形结构、姿态、器件材料的质量等级、可靠性设计等密切相关。2

（2）轨道大气探测

高层大气在太阳耀斑、地磁暴期间，被高能辐射和带电粒子加热，大气密度会有几倍至几十倍的增加，使航天器轨道下降很快。高层大气的主要成分为原子氧，其强烈的活跃性能，对航天器表面材料、光学镜头、太阳电池均具有一定的剥蚀和污染效应。高层大气探测对航天器的轨道和姿态控制具有意耍的意义，同时对光学仪器和太阳电池的效率下降分析有一定的参考价值。2

（3）等离子体探测

监测轨道空间的等离子体中的电子、离子密度和翻度的空间分布和时间分布。研究电离层等离子体对太阳活动、磁暴、亚暴等空间天气现象的响应特性。电离层中的电子密度和温度是重要的电离层参数，它可导致电磁信号的吸收、闪烁、延迟和法拉第旋转等。2

（4）空间碎片探测

以微小空间碎片和微流星体探测为主，实测轨道空间的微小颗粒的数量和撞击强度。特别监测可能的“阵雨”型空间碎片和微流星体，评估空间碎片撞击风险，确认微小空间碎片的密度分布。2