天下雨，我们打伞。太空下高能粒子，卫星打伞吗？

作者：沈叶锋（中国科学院微小卫星创新研究院）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

“撑着油纸伞，独自 彷徨在悠长，悠长 又寂寥的雨巷，我希望逢着 一个丁香一样的 结着愁怨的姑娘。”

等等，要是雨天没打伞，落汤鸡一样的你就只会担心自己是否感冒了吧？

那么太空中是否存在类似于“风雨雷电”的天气？会不会影响卫星的正常运行？在太空中的卫星需要“打伞”吗？

什么是太空天气

太空天气，狭义上来说就是太阳耀斑、日冕物质抛射等现象对地球磁层、电离层、中高层大气造成的影响。广义上泛指各种宇宙高能粒子、射线等。

太空天气的历史，要从美苏“太空竞赛”开始说起。1957年，前苏联发射了人类历史上第一颗人造卫星--Sputnik1。作为跟进，美国在1958年也发射了其第一颗人造卫星--Explorer1，这颗卫星上装载了能够用来测量辐射剂量强度的盖革计数器。

航天科学家范·阿伦由此观测到地球上空具有辐射现象，他发出了“My God！Space is radioactive！”的感慨。因此，地球周边的这一辐射带被称为范·阿伦带（Van Allen Belt）。

范·阿伦（来源：fineartamerica）

范·阿伦带的成因跟地球磁场有关，宇宙射线或太阳风造成的带电粒子在到达地球时，在地球磁场的作用下受到洛伦兹力作用，被束缚在地球周边，从而形成了高能粒子辐射带——范·阿伦带。

范·阿伦带分为内带和外带，内带离地面高度从1000千米至6000千米，主要是由带正电荷的质子组成。外带离地面高度13000千米至60000千米，主要是由带负电荷的电子组成。

范·阿伦带（来源：enterprisemission）

由于地球磁场的非同轴对称性造成南大西洋附近存在一块磁场较弱区域，该区域对高能粒子的束缚能力不足，导致范·阿伦带内带更靠近地球表面，离地高度在200千米左右。这将使低轨道卫星在通过该区域时承受比其他区域更多地高能粒子照射。

南大西洋异常区（来源：Wikipedia）

南大西洋异常区高能粒子强度（来源：Wikipedia）

太空天气VS卫星

对于大部分常见的航天器，如国际空间站、导航卫星、地球同步轨道通信卫星等，其运行的轨道多多少少都经过范·阿伦带。

国际空间站运行在400千米左右高的轨道上，虽然总体不碰及范·阿伦内带，但当其运行至南大西洋异常区时，将受到更多高能粒子的辐照。而导航卫星和地球同步轨道通信卫星轨道高度都在20000千米以上，更多地受范·阿伦外带辐照影响。

不同类型卫星轨道与范·阿伦带（来源：Wikipedia）

太空天气对卫星等航天器的影响主要是造成一种叫“单粒子翻转”的现象，顾名思义就是高能粒子打到卫星上时可能会造成卫星逻辑状态翻转。

举个通俗一点的例子，女朋友看中一件衣服，问你“这件衣服漂亮吗？”，你回答的正常逻辑应该是“你穿什么都漂亮”。但是，这天你们正好在南大西洋旅行，你的大脑CPU受南大西洋异常区影响，回答了“衣服挺漂亮的”，表明你的工作状态是不正常的。

单粒子打翻举例（来源：作者）

低轨道卫星——欧洲的UOSAT-2卫星记录了一段时间内其经过地球不同投影点时发生的存储器翻转次数，可以看到其在南大西洋异常区发生异常的次数明显多于其他地区，这也印证了该区域的辐照强度较强。

UOSAT-2卫星存储器翻转次数（来源：noaa）

而对于像导航卫星这样的中高轨道卫星，由于其轨道倾斜角的存在，运行过程中也会在范·阿伦外带经过不同辐照强度区域。

除了讨厌的高能粒子，太空天气造成的一种自然现象是极光，太阳耀斑爆发期间，产生的太阳风将在地球磁场两极形成极光，绚丽多彩。

极光产生原理（来源：aurora-service）

不过，太阳耀斑爆发对卫星用户来说可不是什么好消息。

拿导航卫星来说，太阳风在到达地球后将对电离层产生扰动，而穿过电离层的导航卫星信号也会因此受影响。2017年9月8日，太阳爆发近年来最强耀斑期间，地球上使用导航仪的定位精度受此影响产生了较大波动误差。

太阳耀斑爆发期间导航定位精度波动（来源：GPS）

卫星的三把“雨伞”

寿命长达数年的卫星将频繁地绕地球运行，低轨道卫星每天就将绕地球运行十几圈，而导航卫星每天绕地球运行两圈，如何对卫星进行抗辐照防护，使其免受高能粒子轰击、维持正常工作状态就显得尤为重要。

目前，卫星常用的有三把抗辐照“雨伞”，既有防护措施，也有纠正措施，比较典型的有：三模冗余、错误检测与纠正、抗辐照加固芯片等。

●三模冗余，顾名思义就是鸡蛋不放在一个篮子里，同样的运行模块要备三份，将三份模块运行结果进行比对，是“少数服从多数”在航天领域的典型应用。

三模冗余的建立前提是高能粒子在同一时刻最多只能造成一份模块运行异常，这种措施能够有效降低单粒子翻转，缺点是不能对出错模块进行修复，而且资源开销大。

三模冗余表决（来源：Altera）

●错误检测与纠正是通过约定的算法，将因辐照造成的错误的地方找出来并进行纠正。

该方法优点是对错误发生点能够进行修复，缺点是如果错误发生点太多，算法也就失去作用。

错误检测与纠正（来源：Slideserve）

●采取高性能的抗辐照加固芯片是抵抗单粒子翻转的有效防护措施。

然而，芯片的抗辐照能力设计一直是航天的高精尖技术，由于国际禁运的因素，我国从国外购买的芯片处理性能和抗辐照能力不能兼顾。中国科学院计算技术研究所自主研发的龙芯抗辐照芯片目前已经应用于北斗导航卫星上，实现了“中国芯”在太空中的运用，是卫星对抗高能粒子的保护伞。

北斗导航卫星采用龙芯抗辐照芯片的介绍（来源：腾讯）

有了这三把雨伞，在变化莫测的太空天气中，不管“风吹雨打”，卫星也能够“胜似闲庭信步”了！