蔣 虎,胡海鷹,龔文斌

(1.上海微小衛(wèi)星工程中心,上海 200050;2.中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,上海 200050)

0 引 言

考慮到覆蓋范圍廣的特點(diǎn),目前,國際上導(dǎo)航衛(wèi)星所選取的軌道通常是中高軌道。比如美國的GPS導(dǎo)航系統(tǒng),衛(wèi)星軌道高度是20 200 km左右;俄羅斯GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng),衛(wèi)星高度為:19 100 km左右;歐盟的GALILEO導(dǎo)航系統(tǒng),衛(wèi)星高度為23 000 km左右;中國的北斗一號導(dǎo)航系統(tǒng),衛(wèi)星高度為35 786 km;中國的北斗二號COMPASS導(dǎo)航系統(tǒng)[1],采用了多樣化的衛(wèi)星高度和衛(wèi)星傾角,即采用了混合星座形式,衛(wèi)星高度分別為20 000多km,36 000 km,軌道傾角為55°或0°,由于導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星處于中高軌道,該空間區(qū)域受到地球外輻射帶影響，因此,考察該區(qū)域的空間環(huán)境將對導(dǎo)航衛(wèi)星抗輻射設(shè)計提供一定的參考作用，文中,針對外輻射帶對20 000多公里和36 000 km軌道高度區(qū)域的空間環(huán)境進(jìn)行了仿真分析。

1 地球輻射帶

太陽發(fā)出的帶電粒子被地球磁場俘獲,并被束縛在離地表一定距離的空間區(qū)域,形成若干條帶電粒子帶， 這一現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)于上世紀(jì)中葉。 美國科學(xué)家范艾倫在上世紀(jì)中葉根據(jù)“探險者”的觀測資料首先證實(shí)了內(nèi)輻射帶的存在,并給出了內(nèi)輻射帶結(jié)構(gòu)和范圍,同時發(fā)現(xiàn)內(nèi)輻射帶外面還有另一條帶電粒子帶,即外輻射帶，它們被稱為內(nèi)范艾倫帶和外范艾倫帶[2]，如圖1所示,地球內(nèi)外輻射帶對稱于地球赤道排列。內(nèi)輻射帶的中心約在1.5個地球半徑,范圍限于磁緯±之間。外輻射帶位于地面上空約2～3個地球半徑處,厚度約為6 000 km,范圍可延伸到磁緯50°～60°.

1992年年初,美國和俄羅斯科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了分布在地球內(nèi)外輻射帶之間的第三輻射帶,該輻射帶由反常宇宙線構(gòu)成,大部分成分是丟失一個電子的氧離子。

圖1 地球輻射帶示意圖[2]

2 中高軌道空間輻射仿真分析

導(dǎo)航衛(wèi)星的工作壽命一般都比較長,以北斗一代衛(wèi)星為例,一般為8年左右,北斗二代衛(wèi)星壽命要求更高,將達(dá)到10年,甚至更長，以10年壽命為例,對中高軌道的空間環(huán)境進(jìn)行仿真,主要集中在電子、質(zhì)子通量及其累積的輻射劑量等指標(biāo)給出仿真結(jié)果。

1)中軌道電子、質(zhì)子分布、累計輻射劑量仿真如圖2、3、4所示。

圖2 20 000多km高度軌道電子積分/微分通量分布

圖3 200 00多km高度軌道質(zhì)子積分/微分通量分布

圖4 10年內(nèi)20 000多km高度軌道輻射劑量

2)高軌道電子、質(zhì)子分布、累計輻射劑量仿真,如圖5、6、7所示。

圖5 36 000 km高度軌道電子積分/微分通量分布

圖6 36 000 km高度軌道質(zhì)子積分/微分通量分布

從以上仿真結(jié)果來看,對于中軌道空間輻射而言,當(dāng)屏蔽厚度大于9 mm,再增加屏蔽厚度的方法對輻射隔離不再敏感。對于高軌道空間輻射而言,當(dāng)屏蔽厚度大于7 mm,再增加屏蔽厚度方法對隔離輻射已經(jīng)不再敏感?？梢?僅從輻射加固角度來說,在衛(wèi)星設(shè)計時(10年壽命為例),對于中軌道衛(wèi)星屏蔽厚度區(qū)間取[8，9]為宜, 對于高軌道衛(wèi)星屏蔽厚度區(qū)間取[6，7]為宜,厚度單位:mm.

圖7 10年內(nèi)36 000 km高度軌道輻射劑量

3 結(jié)束語

從仿真結(jié)果來看,中軌道空間輻射環(huán)境相對惡劣些,高軌道空間環(huán)境相對較緩和;由于仿真結(jié)果是受太陽活動周期影響的,即因考察的年份而異的,因此在衛(wèi)星設(shè)計時,應(yīng)根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射年份、衛(wèi)星壽命、衛(wèi)星軌道參數(shù)等指標(biāo)來有針對性地進(jìn)行空間環(huán)境特性仿真分析,而不能簡單地對照相關(guān)參考資料簡單地判斷衛(wèi)星的空間環(huán)境情況.

[1]董成喜,王 健,張馨予.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻率軌道資源利用方案分析[C]//The 2ndChina Satellite Navigation Conference,2011.

[2]百度百科.范艾倫輻射帶[EB/OL][2014-03-11]..