+ 王曉海 空間電子信息技術(shù)研究院 空間微波技術(shù)重點實驗室

空間環(huán)境探測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

+ 王曉海 空間電子信息技術(shù)研究院 空間微波技術(shù)重點實驗室

本文首先介紹了空間環(huán)境的基本含義，總結(jié)了空間環(huán)境的類型與特點，簡單闡述了空間環(huán)境探測的主要內(nèi)容和空間環(huán)境探測設(shè)備的基本情況，重點探討分析了空間環(huán)境探測的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，最后建議我國應加強對空間環(huán)境探測技術(shù)的研究探索，促進空間環(huán)境探測技術(shù)的快速發(fā)展。

空間環(huán)境 環(huán)境因素 空間環(huán)境探測 效應監(jiān)測

1 引言

在人類智慧與科學技術(shù)的發(fā)展歷程中，人類迫切希望認識和了解自己賴以生存的地球以外的世界，探索、觀測、分析空間環(huán)境各個要素的組成、分布和變化規(guī)律，研究宇宙起源、發(fā)展及變化規(guī)律，對月球及火星等深空環(huán)境進行科學探測與研究，研究對空間環(huán)境具有重大影響的天體活動規(guī)律。隨著航天事業(yè)的發(fā)展，人類活動空間不斷向外太空延伸?？臻g環(huán)境正在越來越顯著地影響著人類的各種生產(chǎn)、生活，成為除陸地、海洋和大氣外的人類生存的第四環(huán)境。

空間環(huán)境是指日地空間對人類活動構(gòu)成影響的所有環(huán)境因素，包括各種成分的帶電粒子、中性粒子、各個波段的電磁輻射、電磁場、微流星體和空間碎片等?？臻g環(huán)境是衛(wèi)星、飛船和空間站等航天器的運行環(huán)境，也是導航、定位、通信等衛(wèi)星業(yè)務(wù)的路徑環(huán)境。它所涵蓋的區(qū)域包括地球高層大氣、電離層、磁層、行星際空間以及太陽活動區(qū)域?？臻g環(huán)境中的各種效應對在軌航天器的安全運行以及航天員的身體健康構(gòu)成了嚴重的威脅，同時對依賴于天基手段的人類活動造成了不同程度的影響。

圖1 典型空間環(huán)境因素及其效應

探測空間環(huán)境，了解空間環(huán)境不僅是航天活動的重要科學目的，也是航天器安全保障的需要。由于變化的空間環(huán)境可能對航天活動和技術(shù)系統(tǒng)造成重大影響，因此，有必要全面開展空間環(huán)境探測與研究，了解和掌握空間環(huán)境的一般狀況和變化情況，保障以航天器為依托的經(jīng)濟活動及科技活動的安全?？臻g環(huán)境探測不僅是人類對自身生存空間認知的需要，也是人類進入空間確?？臻g系統(tǒng)安全的需要。

圖2 地球空間環(huán)境

2 空間環(huán)境的類型與特點

2.1 空間環(huán)境的類型

與航天器運行有關(guān)的空間環(huán)境可分為中性環(huán)境、等離子體環(huán)境、輻射環(huán)境和宏觀顆粒環(huán)境4種類型。中性環(huán)境包括航天器周圍的氣體和從航天器表面材料釋放出來的氣體。因航天器的軌道不同，它們所經(jīng)歷的等離子體環(huán)境有很大差別。低地球軌道所處的環(huán)境為冷的、稠密的電離層等離子體，而地球同步軌道所處的環(huán)境是稀薄的、受亞暴直接影響的等離子體。電磁輻射環(huán)境包括太陽的電磁輻射和來自太陽、銀河系以及輻射帶的帶電粒子。宏觀顆粒環(huán)境包括微流星體和空間碎片。

2.2 空間環(huán)境的特點

空間環(huán)境具有以下特點：①受太陽輻射變化的直接影響；②受太陽風與行星際磁場的影響；③受地磁活動的直接影響：④變化的時間尺度范圍寬，從幾分鐘到11年；⑤與航天器發(fā)生相互作用；⑥會使航天器以及通信系統(tǒng)產(chǎn)生各種效應；⑦受來自低層大氣一些物理過程的影響，如聲重波與雷電；⑧受人類活動的影響，如空間碎片的數(shù)量。

3 空間環(huán)境探測主要內(nèi)容

空間環(huán)境探測的主要內(nèi)容包括：空間環(huán)境擾動源的監(jiān)測、空間環(huán)境狀態(tài)及其變化監(jiān)測、空間環(huán)境對人類活動的影響監(jiān)測3個方面。

3.1 空間環(huán)境擾動源的監(jiān)測

空間環(huán)境擾動的主要源頭是太陽大氣活動。太陽日冕物質(zhì)拋射、高速太陽風、凍結(jié)在太陽風中的行星際磁場、行星際激波等是誘發(fā)地球磁層暴，進而產(chǎn)生熱層暴的主要原因，而太陽耀斑等高能爆發(fā)活動，是地球電離層暴、太陽高能粒子等事件的源頭。因此太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射、太陽風、行星際磁場等是空間環(huán)境擾動源必須監(jiān)測的內(nèi)容。為了將擾動預報的時間提前，也需要對太陽大氣活動的先兆現(xiàn)象進行監(jiān)測，如太陽活動區(qū)、冕洞等的位置、結(jié)構(gòu)和演化等。

上述太陽大氣活動的可見光、射電波段監(jiān)測主要在地面進行。天基遙感監(jiān)測主要集中在遠紫外、極紫外、X射線波段，為避免地球大氣雜散光影響，也安排天基太陽日冕的可見光監(jiān)測?，F(xiàn)場監(jiān)測主要針對太陽拋射的各種帶電粒子、太陽風等離子體，以及行星際磁場等的監(jiān)測。

3.2 空間環(huán)境狀態(tài)及其變化監(jiān)測

空間環(huán)境這里主要指人類活動最多的空間區(qū)域環(huán)境，它包括磁層、電離層和中高層大氣。而深空環(huán)境的保障在我國目前還難以考慮，本文不做討論。地球空問環(huán)境從監(jiān)測對象分，包括：帶電粒子、等離子體、中性粒子和電磁場。適宜以現(xiàn)場監(jiān)測為主，遙感監(jiān)測為輔。

帶電粒子主要監(jiān)測磁層和輻射帶的捕獲粒子，也監(jiān)測來自太陽和宇宙的粒子。種類包括電子、質(zhì)子和重離子成分，能量從eV到GeV，要求多方向監(jiān)測。等離子體監(jiān)測主要包括電子和離子的密度和溫度等。中性粒子主要進行中高層大氣的中性粒子密度、成分和風場的監(jiān)測。電磁場的監(jiān)測以磁場、電場監(jiān)測為主，電磁波監(jiān)測為輔。

遙感和路徑監(jiān)測主要是對中高層大氣、電離層進行監(jiān)測。包括大氣溫度、密度、成分、風場、氣輝、高層閃電、電子密度總量、電子密度剖面等。

3.3 空間環(huán)境對人類活動影響的監(jiān)測

空間環(huán)境對人類活動的影響范圍較廣。目前我國比較關(guān)注的是影響航天器和航天員安全的環(huán)境效應、影響通信導航定位等的電離層效應等。

以航天器、航天員安全為核心的空間環(huán)境效應主要包括輻射劑量效應、航天器表面及深層充放電效應、各種原因誘發(fā)的艙內(nèi)瞬態(tài)電磁脈沖干擾效應、器件的單粒子效應、空間原子氧的剝蝕效應、航天器氣體污染效應、空間碎片的碰撞效應和沙蝕效應等。

以影響通信、導航定位等的電離層效應，包括電離層的閃爍、法拉第旋轉(zhuǎn)、信號相位和幅度漂移、信號失鎖。

以保障服務(wù)為目的的天基空間環(huán)境監(jiān)測，不同于以科學研究為目的的空間物理探測，最主要區(qū)別是空間環(huán)境監(jiān)測需要連續(xù)性和長期穩(wěn)定性。地面氣象的連續(xù)穩(wěn)定監(jiān)測已得到廣泛認可，天基空間環(huán)境監(jiān)測也需要保持連續(xù)性和長期穩(wěn)定性。

4 空間環(huán)境探測設(shè)備概況

空間環(huán)境探測設(shè)備分為天基和地基兩大部分。天基空間環(huán)境探測設(shè)備是以衛(wèi)星、飛船和空間站等航天器作為探測平臺，對日地空間中帶電粒子、中性粒子、等離子體、電磁場、電磁波等空間環(huán)境要素進行直接探測和遙感探測的設(shè)備。

天基空間環(huán)境探測設(shè)備種類繁多，從探測對象和工作原理可分為帶電粒子探測設(shè)備、等離子體探測設(shè)備、中性大氣探測設(shè)備、電磁輻射探測設(shè)備、電磁場及其波動探測設(shè)備以及空間環(huán)境效應探測設(shè)備等。根據(jù)探測區(qū)域不同可分為太陽大氣活動探測設(shè)備、行星際探測設(shè)備、磁層探測設(shè)備、電離層探測設(shè)備、中高層大氣探測設(shè)備、空間碎片監(jiān)測設(shè)備和空間環(huán)境效應探測設(shè)備等。

太陽大氣活動探測設(shè)備主要針對日面高能電磁輻射和日冕可見光進行探測。探測儀器具體包括太陽紫外流量計、太陽X射線探測器等高能電磁輻射流量和能譜類探測儀器，太陽紫外成像儀、太陽X射線成像儀、太陽分光日冕儀等成像類探測儀器以及太陽磁像儀等。

行星際探測設(shè)備主要針對太陽風、行星際磁場、太陽能量粒子事件、日冕物質(zhì)拋射事件等進行探測。探測儀器具體包括太陽風等離子體探測儀、磁通門磁強計、太陽宇宙射線探測器、太陽能量粒子探測器、日冕物質(zhì)拋射白光成像儀等。

磁層探測設(shè)備主要針對磁層中帶電粒子和場進行探測。其中，帶電粒子探測儀器具體包括高能質(zhì)子探測器、高能電子探測器、宇宙射線成份探測器、中能/低能離子成份探測器、低能電子探測器、等離子體探測器等；磁場、電場和低頻電磁波動類探測儀器具體包括磁通門磁強計、空間電場儀、電子漂移計、低頻電磁波探測器等。此外，中性原子成像儀、極紫外成像儀等儀器用于對地球環(huán)電流和等離子體層進行成像探測。

電離層探測設(shè)備主要針對電離層中的等離子體密度、溫度、漂移速度、總電子濃度和電子濃度剖面等進行探測。探測儀器具體包括電子/離子探針、質(zhì)譜探針、光譜儀、磁力儀等。

中高層大氣探測設(shè)備主要針對中高層大氣密度、成份、風場和發(fā)光現(xiàn)象進行探測。探測儀器具體包括大氣密度探測器、大氣成份探測器、氣輝探測器、紫外輻射探測器、法布羅意干涉儀等，而遠紫外成像儀、X射線成像儀等用于極光卵的成像監(jiān)測。

空間碎片探測設(shè)備主要針對太空中的微小碎片和微流星體等進行探測。探測儀器具體包括半導體探測器、壓電薄膜探測器、等離子體探測器等。

空間環(huán)境效應探測設(shè)備主要針對輻射劑量效應、單粒子效應、充電效應、原子氧剝蝕效應等一系列環(huán)境效應進行監(jiān)測和試驗。探測儀器具體包括各種輻射劑量儀、線性能量傳輸譜探測器、單粒子事件試驗儀、航天器表面電位探測器、深層充電探測器、艙內(nèi)電磁脈沖探測器、原子氧剝蝕探測器、污染氣體探測器等。

5 空間環(huán)境探測發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀60年代，空間活動剛剛起步，人類對空間環(huán)境的嚴酷性認識不足，對空間特殊環(huán)境及其效應不了解，航天器在軌故障率很高。隨著空間活動的不斷深入，人們逐步認識到空間環(huán)境是導致航天器在軌故障、早期失效的重要原因，并斥巨資建立了許多大型空間模擬器和動力學環(huán)境設(shè)備，同時對電子、質(zhì)子、原子氧、紫外、電離層等離子體、微流星和空間碎片、污染等特殊環(huán)境及其效應開展了廣泛的研究，以滿足不同軌道航天器長壽命、高可靠的需求。隨著空間環(huán)境及其效應研究日益受到重視，航天器在軌故障顯著減少。

美國、歐洲等航天技術(shù)發(fā)達的國家都建立了完善的航天器空間環(huán)境工程研究體系，特別是建立了空間環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星體系，監(jiān)測空間環(huán)境并發(fā)布監(jiān)測、預警報告。收集的空間環(huán)境數(shù)據(jù)不但作為空間天氣預報、警報的輸入條件，也促進了空間環(huán)境模型的完善，有力地保障了在軌航天器的安全，最大限度地發(fā)揮航天系統(tǒng)的效能。

目前，專門的空間環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星應該說還不存在。對空間環(huán)境的監(jiān)測主要是通過專門的空間環(huán)境研究衛(wèi)星和在通用業(yè)務(wù)衛(wèi)星上搭載空間環(huán)境監(jiān)測設(shè)備兩種方式實現(xiàn)的。許多空間環(huán)境研究衛(wèi)星在實現(xiàn)科學目標的同時，形成了一定的業(yè)務(wù)能力，在常規(guī)的空間天氣業(yè)務(wù)中起著重要的作用?？臻g環(huán)境的探測范圍最初集中在地球附近軌道空間，隨著人類探索太空空間范圍的擴大，探測范圍已逐漸擴大到日地行星際空間、日球空間，乃至太陽系之外。但就目前情況來說，空間環(huán)境探測還主要集中在日地空間。對空間環(huán)境的探測大致可以分為太陽／太陽風、地球磁層、熱層／電離層幾個區(qū)域。

科學衛(wèi)星有明確的研究目的，但許多衛(wèi)星為了實現(xiàn)科學目標而設(shè)計的科學探測載荷的探測結(jié)果同樣可以滿足空間環(huán)境建模、空間天氣預報等業(yè)務(wù)需求。最為典型的就是美國研制發(fā)射的用于研究太陽天體系統(tǒng)的形成及演化過程的ACE（Advanced Composition Explorer）衛(wèi)星，以及歐盟與美國聯(lián)合研制發(fā)射的用于研究太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)、日冕及太陽風起源的SOHO（Solar and Hemispheric Observatory）衛(wèi)星。ACE衛(wèi)星的實時太陽風與行星際磁場觀測數(shù)據(jù)，以及SOHO衛(wèi)星的太陽X射線、紫外成像、太陽日冕成像與太陽磁場觀測數(shù)據(jù)是日?？臻g天氣預報、警報的重要數(shù)據(jù)。最近發(fā)射的Solar—B和STEREO（Solar Terrestrial Relations Observatory），能分別對太陽磁場三維結(jié)構(gòu)和日冕物質(zhì)拋射三維結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，具有非常重要的業(yè)務(wù)應用前景。許多空間環(huán)境探測衛(wèi)星在開展空間環(huán)境過程研究和物理機制研究的同時，積累了大量長期觀測數(shù)據(jù)，在空間環(huán)境經(jīng)驗模式的建立過程中發(fā)揮了重大作用。

由于空間環(huán)境覆蓋面廣，各區(qū)域相互作用過程復雜，僅靠專門的空間環(huán)境衛(wèi)星很難完全滿足專業(yè)研究和業(yè)務(wù)需求。因此，在其他業(yè)務(wù)衛(wèi)星上進行搭載探測試驗也是空間環(huán)境探測的重要手段。美國通過環(huán)境衛(wèi)星GOES（Geostationary Operational Environmental Satellite）和POES（Polar orbiting Operational Environmental Satellite）、軍事氣象衛(wèi)星DMSP（Defense Meteorological Satellite Program）、全球?qū)Ш蕉ㄎ籊PS衛(wèi)星等各種系列衛(wèi)星開展空間環(huán)境搭載探測，積累了大量不同軌道高度的高能粒子、等離子體和大氣探測數(shù)據(jù)，為空間環(huán)境模型的建立與改進提供了重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其中，GOES衛(wèi)星上搭載的空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（SEM）能夠?qū)μ朮射線，近地空間的高能電子、高能質(zhì)子及電磁環(huán)境進行監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)實時傳送至美國空間天氣預報中心（Space Weather Prediction Center,SWPC），直接用于空間天氣業(yè)務(wù)預報。

通過專門的空間環(huán)境科學衛(wèi)星和搭載衛(wèi)星兩種方式，目前已有的業(yè)務(wù)監(jiān)測手段主要是通過ACE，SOHO衛(wèi)星和DMSP，GOES，POES，GPS等衛(wèi)星系列來實施的。監(jiān)測對象包括太陽成像、太陽輻射通量、磁場和太陽爆發(fā)活動，太陽風等離子體、行星際，磁層粒子和磁場，極光成像等?；靖采w空間環(huán)境主要業(yè)務(wù)范圍，滿足空間環(huán)境業(yè)務(wù)探測要素的基本需求。

近年來，隨著新計劃的實施，有些新的業(yè)務(wù)能力還將逐步形成。例如，新發(fā)射的COSMIC系列衛(wèi)星和STEREO衛(wèi)星將具備對電離層和太陽日冕活動監(jiān)測的能力。歐洲的MetOp計劃將增強極區(qū)空間環(huán)境探測能力，提升POSE衛(wèi)星產(chǎn)品的數(shù)據(jù)刷新率。NPOESS（National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System）將替代POES系列和DMSP系列衛(wèi)星，提供大大優(yōu)于POES衛(wèi)星的空間環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。新一代的GOES衛(wèi)星將攜帶太陽極紫外探測儀，帶動電離層、熱層大氣模式的擾動預測能力的提升，從而更好地服務(wù)于衛(wèi)星軌道衰變預測。同時，由于衛(wèi)星壽命問題和計劃的不連續(xù)性，有些業(yè)務(wù)監(jiān)測也會中斷或失去，最典型的就是隨著ACE衛(wèi)星監(jiān)測能力的喪失，空間天氣業(yè)務(wù)將受到很大的影響。沒有該衛(wèi)星的探測數(shù)據(jù)，大量模式缺乏輸入數(shù)據(jù)，預報中心的許多預報、警報能力將喪失。而目前除中國的夸父計劃外，還沒有其他替代ACE衛(wèi)星的計劃。

6 空間環(huán)境探測發(fā)展趨勢

高能帶電粒子和高層大氣對航天器的安全危害最為嚴峻，所以未來幾年內(nèi)應將空間環(huán)境監(jiān)測重點放在高能帶電粒子輻射探測與高層大氣環(huán)境監(jiān)測，另外輔助探測等離子體環(huán)境、空間碎片和磁場等。

6.1 帶電粒子探測

帶電粒子輔射環(huán)境是航天器設(shè)計、航天員安金最為關(guān)心的環(huán)境。軌道空間的帶電粒子具有區(qū)域、方向和能譜分布的特點，并隨空間環(huán)境擾動變化劇烈?？臻g粒子輻射的影響與飛行器的構(gòu)形結(jié)構(gòu)、姿態(tài)、器件材料的質(zhì)量等級、可靠性設(shè)計等密切相關(guān)。

6.2 軌道大氣探測

高層大氣在太陽耀斑、地磁暴期間，被高能輻射和帶電粒子加熱，大氣密度會有幾倍至幾十倍的增加，使航天器軌道下降很快。高層大氣的主要成分為原子氧，其強烈的活躍性能，對航天器表面材料、光學鏡頭、太陽電池均具有一定的剝蝕和污染效應。高層大氣探測對航天器的軌道和姿態(tài)控制具有意耍的意義，同時對光學儀器和太陽電池的效率下降分析有一定的參考價值。

6.3 等離子體探測

監(jiān)測軌道空間的等離子體中的電子、離子密度和翻度的空間分布和時間分布。研究電離層等離子體對太陽活動、磁暴、亞暴等空間天氣現(xiàn)象的響應特性。電離層中的電子密度和溫度是重要的電離層參數(shù)，它可導致電磁信號的吸收、閃爍、延遲和法拉第旋轉(zhuǎn)等。

6.4 空間碎片探測

以微小空間碎片和微流星體探測為主，實測軌道空間的微小顆粒的數(shù)量和撞擊強度。特別監(jiān)測可能的“陣雨”型空間碎片和微流星體，評估空間碎片撞擊風險，確認微小空間碎片的密度分布。

6.5 空間磁場探測

空間磁場也是空間環(huán)境重要的物理參數(shù)之一，空間磁場直接控制等離子體粒子的運動特性。同時，空間等離子體變化產(chǎn)生的感應磁場為人們研究、監(jiān)測和預報空間環(huán)境變化提供了有用的信息?？臻g磁場的變化反映出空間環(huán)境顯著的變化特征。探測航天器經(jīng)過區(qū)域的磁場參數(shù)為空間環(huán)境研究提供探測數(shù)據(jù)。

7 結(jié)語

空間環(huán)境探測對于衛(wèi)星在軌運行階段避免風險和進行故障診斷具有直接的作用，還有利于改進空間環(huán)境防護措施；另外，隨著高性能器件、新型材料和高靈敏度探測器在航天工程中的應用，不可能在設(shè)計階段完全避免空間環(huán)境引起的風險，所以空間環(huán)境及效應監(jiān)測成為保障衛(wèi)星長壽命、高可靠，提高衛(wèi)星空間環(huán)境適應性設(shè)計水平的重要環(huán)節(jié)。

空間環(huán)境探測系統(tǒng)對于保證我國各類衛(wèi)星長期在軌運行，提高我國空間環(huán)境適應性設(shè)計水平，促進國產(chǎn)高性能芯片和低等級芯片在空問低風險的應用，滿足各類應用衛(wèi)星對提高性能的迫切需求，促進我國空間環(huán)境及效應領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展特別是地面試驗方法的改進和仿真分析工具的開發(fā)等多方面都具有重要的意義。

因此，建議我國應加強對空間環(huán)境探 測技術(shù)的研究探索，促進空間環(huán)境探測技術(shù)的快速發(fā)展。

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王曉海（1978.12-），男，碩士研究生/工程師，空間電子信息技術(shù)研究院空間微波技術(shù)重點實驗室。主要從事衛(wèi)星有效載荷技術(shù)情報搜集與研究分析工作。