王春琴，張 鑫，張立國，張如意，金歷群，孫越強，荊 濤，張珅毅，張煥新，沈國紅，張效信，李嘉巍，楊曉超，常 崢

(1.中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心,北京 100190； 2.天基空間粒子輻射環(huán)境探測北京市重點實驗室,北京 100190； 3.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109； 4.中國氣象局 國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心,北京 100081)

地球同步軌道系列衛(wèi)星自主空間輻射環(huán)境監(jiān)測及應(yīng)用

王春琴1,2，張 鑫1,2，張立國3，張如意3，金歷群3，孫越強1,2，荊 濤1,2，張珅毅1,2，張煥新1,2，沈國紅1,2，張效信4，李嘉巍4，楊曉超1,2，常 崢1,2

(1.中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心,北京 100190； 2.天基空間粒子輻射環(huán)境探測北京市重點實驗室,北京 100190； 3.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109； 4.中國氣象局 國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心,北京 100081)

對地球同步軌道空間輻射環(huán)境監(jiān)測及應(yīng)用進行了研究。給出了持續(xù)開展的國外GOES系列衛(wèi)星和國內(nèi)FY-2系列衛(wèi)星的地球同步軌道空間粒子輻射探測介紹，以及AE8和AP8、AE9和AP9、POLE、FLUMIC等用于地球同步軌道帶電粒子輻射環(huán)境評估的經(jīng)驗?zāi)Ｐ桶l(fā)展。我國自主高能帶電粒子輻射監(jiān)測自20世紀90年代中后期開始，F(xiàn)Y-2系列衛(wèi)星上的帶電粒子探測儀器經(jīng)過了兩代衛(wèi)星的技術(shù)鞏固和第三代衛(wèi)星的創(chuàng)新發(fā)展，實現(xiàn)了更精細的能道劃分并拓寬了對帶電粒子輻射能譜的探測。介紹了用FY-2系列衛(wèi)星獲得的不同擾動狀態(tài)下高能電子能譜特性，兆電子伏特級高能電子快速、緩慢增強事件，以及與GOES-13，15衛(wèi)星聯(lián)合應(yīng)用分析高能電子不同地方時動態(tài)與太陽質(zhì)子事件動態(tài)演化結(jié)果。用FY-2系列衛(wèi)星獲得的觀測數(shù)據(jù)能準確、靈敏反映軌道空間高能帶電粒子的動態(tài)變化；與GOES系列衛(wèi)星的同期觀測結(jié)果比較既反映出相對平靜時的趨于一致性，又反映了強擾動下的顯著短時局地差異，這為開展該軌道粒子輻射實測數(shù)據(jù)多星聯(lián)合分析，發(fā)展磁層對擾動響應(yīng)更全面、更復(fù)雜的圖像，為帶電粒子起源、重新分布、損失機制等深入研究提供了可能。在最新的第一代靜止氣象衛(wèi)星FY-4衛(wèi)星上，帶電粒子探測儀器兼顧了能譜和方向的設(shè)計，既具備FY-2系列衛(wèi)星平臺高能電子、質(zhì)子全能譜的探測，又增加了高能電子的多方向探測。目前除GOES系列衛(wèi)星以外，僅有我國地球同步軌道系列衛(wèi)星可提供持續(xù)的軌道空間粒子輻射環(huán)境長期實測記錄，數(shù)據(jù)的長時間積累和信息豐富將促進地球同步軌道空間粒子輻射經(jīng)驗?zāi)Ｐ拖蚋毣姆较虬l(fā)展，并推動我國空間粒子輻射環(huán)境理論和自主建模研究，更好地服務(wù)于我國空間天氣監(jiān)測預(yù)警業(yè)務(wù)。

地球同步軌道； FY-2氣象衛(wèi)星； FY-4氣象衛(wèi)星； 帶電粒子探測器； 高能質(zhì)子； 高能電子； 地磁暴； 太陽質(zhì)子事件

0 引言

空間粒子輻射環(huán)境是影響衛(wèi)星安全運行的重要環(huán)境因素?？臻g粒子輻射可通過航天器表面充放電效應(yīng)、深層充放電效應(yīng)、輻照總電離劑量效應(yīng)、低劑量率效應(yīng)、原子位移效應(yīng)、單粒子效應(yīng)等威脅航天裝備的安全。地球輻射帶、太陽能量粒子事件、銀河宇宙線和異常宇宙線等是空間粒子輻射的主要源。地球輻射帶帶電粒子長期存在，而位于外輻射帶的帶電粒子顯著受到太陽活動、地磁擾動等的影響，表現(xiàn)出頻繁劇烈的動態(tài)變化，其中MeV相對論電子在磁暴時出現(xiàn)的顯著增強現(xiàn)象會極大危害航天器安全，可能會造成衛(wèi)星深層充電，而在長時間高通量后還可能會產(chǎn)生放電損害[1-5]。太陽能量粒子事件源于偶發(fā)的太陽爆發(fā)性活動，大的太陽能量粒子事件會導(dǎo)致近地空間的帶電粒子通量急劇增加，引起非常嚴重的軌道空間粒子輻射環(huán)境變化，并通過輻射劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)等對航天飛行任務(wù)以及星上的敏感元器件造成損害[6]。宇宙線是到達地球能量極高的粒子輻射，在地球空間宇宙線通量很低，但由于包含重的高能離子很難被屏蔽，會對所通過的物質(zhì)產(chǎn)生強電離，對航天器造成強的輻射危害和放射生物學(xué)效應(yīng)。地球同步軌道處于外輻射帶邊緣，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)在該軌道出現(xiàn)的典型航天器失效事件均與其周圍的帶電粒子輻射環(huán)境密切相關(guān)。美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心對1971年至1986年間39顆地球靜止衛(wèi)星或準靜止軌道衛(wèi)星在軌異常進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)由空間帶電粒子輻射引起的衛(wèi)星故障占故障總數(shù)的70%。在眾多帶電粒子輻射中，大于10 MeV的高能質(zhì)子和大于2 MeV高能電子的持續(xù)顯著增強被認為是造成地球同步軌道區(qū)域衛(wèi)星異常的重要因素[7]。因此，在空間天氣業(yè)務(wù)開展中，地球同步軌道大于10 MeV的高能質(zhì)子和大于2 MeV高能電子的通量變化常被作為重要的預(yù)警參數(shù)。

當今航天技術(shù)迅速發(fā)展，各種新型技術(shù)、新型材料和物質(zhì)在航天裝備中得到了應(yīng)用，空間環(huán)境的影響更加多元，而且航天器長壽命發(fā)展趨勢使空間的影響更為復(fù)雜，尤其是突發(fā)的惡劣環(huán)境。因此，需不斷開展對空間粒子輻射更精細和全面的觀測，獲取粒子輻射能譜、方向等更豐富的信息，深化對帶電粒子輻射復(fù)雜動態(tài)變化的認識，提高對帶電粒子輻射動態(tài)的準確評估能力，規(guī)避或減緩災(zāi)害性事件的影響，并為航天工程防護設(shè)計標準和規(guī)范的制訂提供指導(dǎo)與輸入。同時，更豐富的帶電粒子輻射數(shù)據(jù)積累將為進一步解決地球磁層物理科學(xué)問題提供實測依據(jù)。為此，本文對地球同步軌道系列衛(wèi)星自主空間輻射環(huán)境監(jiān)測及應(yīng)用進行了研究。

1 地球同步軌道空間粒子輻射探測和經(jīng)驗?zāi)Ｐ桶l(fā)展

1.1地球同步軌道空間粒子輻射探測發(fā)展

地球同步軌道開展空間粒子輻射探測最早可追溯到20世紀70年代，包括LANL系列衛(wèi)星和GOES系列衛(wèi)星。隨后的如DSP-21，DRTS等諸多地球同步軌道衛(wèi)星也相繼針對軌道空間粒子輻射展開過探測，但僅有GOES系列衛(wèi)星一直支持了軌道空間粒子輻射觀測的持續(xù)開展。目前GOES系列衛(wèi)星空間粒子輻射探測已從GOES-1發(fā)展到GOES-16衛(wèi)星，星上空間粒子輻射探測器由GOES-1到GOES-15衛(wèi)星的能量粒子探測器(EPS)和高能質(zhì)子α粒子探測器(HEPAD)發(fā)展為GOES-16衛(wèi)星的磁層粒子探測器(MPS)、重離子探測器(EHIS)、太陽宇宙線質(zhì)子探測器(SGPS)。GOES-1到GOES-12衛(wèi)星粒子輻射探測儀器可用于探測0.6～4 MeV電子(EPEAD)、0.74～900 MeV質(zhì)子(EPEAD)、3.8～500 MeV α粒子(EPS)。GOES-13，15衛(wèi)星增加了對磁層中低能粒子輻射的監(jiān)測(MAGED，MAGPD)，可實現(xiàn)80～800 keV的質(zhì)子和30～600 keV的電子多方向監(jiān)測。GOES-16衛(wèi)星是GOES系列的第三代衛(wèi)星，星上采用了全新的粒子輻射探測儀器，可實現(xiàn)對0.03～30 keV、0.05～4 MeV中低能電子，0.8～12 MeV質(zhì)子，10～200 MeV/n質(zhì)子、α粒子，以及更高能量至大于500 MeV質(zhì)子的探測。我國自20世紀90年代在地球同步軌道衛(wèi)星FY-2系列衛(wèi)星上開展了空間粒子輻射的探測，是除GOES系列衛(wèi)星外，保持持續(xù)長周期對軌道空間粒子輻射探測的系列衛(wèi)星之一。隨著衛(wèi)星任務(wù)的進展，粒子探測技術(shù)不斷得到發(fā)展和改進。與GOES系列衛(wèi)星粒子探測發(fā)展相同，我國地球同步軌道粒子探測也逐漸向全能譜、精細化方向發(fā)展，不僅為快速、準確的空間天氣預(yù)警提供持續(xù)、可靠的數(shù)據(jù)資料，而且更豐富的觀測數(shù)據(jù)資料將進一步拓寬促進數(shù)據(jù)的應(yīng)用。FY-2系列A，B衛(wèi)星粒子輻射探測儀器由一臺單機實現(xiàn)1道電子(大于1.4 MeV)、4道質(zhì)子(大于1.1 MeV；3.5～26 MeV；10～26 MeV；26～300 MeV)以及2道重離子(3He，3.5～26 MeV/n；4He，3.5～26 MeV/n)的監(jiān)測。第二代粒子空間粒子探測器(FY-2C，D，E)增加了對高能電子能道的探測，監(jiān)測2道高能電子(大于0.35 MeV、大于2.0 MeV)，3道高能質(zhì)子(10～30，30～100，100～300 MeV)，1道40～120 MeV的α粒子和1道80～240 MeV的重離子Li。自FY-2F星開始，發(fā)展了第三代高能帶電粒子探測儀器，分別針對高能電子探測和高能質(zhì)子探測設(shè)計了高能電子探測器和高能質(zhì)子重離子探測器兩臺單機，拓寬了探測能譜，能道劃分更精細。目前，F(xiàn)Y-2G衛(wèi)星已投入在軌工作。后續(xù)FY-2系列衛(wèi)星還會有新的衛(wèi)星任務(wù)，星上將持續(xù)采用與FY-2F衛(wèi)星上一致的高能電子探測器和高能質(zhì)子重離子探測器開展軌道空間帶電粒子輻射監(jiān)測。另外，2016年底發(fā)射的FY-4衛(wèi)星是我國新一代地球同步軌道靜止衛(wèi)星，其衛(wèi)星平臺改變了原FY-2系列星的高速自旋模式，采用三軸穩(wěn)定模式，這為帶電粒子輻射探測技術(shù)發(fā)展和探測實現(xiàn)提供了更有利的條件。星上裝有全新的帶電粒子探測儀器同時兼顧能譜和方向的設(shè)計，既具備原FY-2系列衛(wèi)星平臺高能電子、質(zhì)子全能譜的探測，又增加了高能電子的多方向探測。在該衛(wèi)星上與粒子探測同時配套有磁場探測、效應(yīng)探測，將提供更詳細、全面的輻射環(huán)境數(shù)據(jù)資料。

1.2經(jīng)驗?zāi)Ｐ桶l(fā)展

目前，可用于地球同步軌道帶電粒子輻射環(huán)境評估的經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭饕蠥E8和AP8模型、AE9和AP9模型、POLE模型、FLUMIC模型和JPL模型。

AE8和AP8模型具寬能譜(電子0.04～7 MeV，質(zhì)子0.1～400 MeV)和寬空間(L=1.2Re～11Re)適用范圍，被廣泛用于航天工程。此處：Re為地球半徑。利用20世紀六七十年代的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，采用經(jīng)驗的數(shù)值模擬方法，模擬太陽最大年、最小年的平均輻射帶環(huán)境，給出太陽活動高年、低年兩種時間尺度下的能量電子、質(zhì)子全向平均粒子通量。利用AE8、AP8模型可簡單評估地球同步軌道太陽最大年、最小年高能質(zhì)子、高能電子的平均全向通量。AP9和AE9模型是AE8和AP8模型的升級版本，引入了低能等離子體模型，可對更寬能量范圍的帶電粒子輻射通量給出評估，并能提供衛(wèi)星任務(wù)過程中遭遇某種流量水平的發(fā)生幾率。

POLE模型建模數(shù)據(jù)來自LANL地球同步軌道衛(wèi)星帶電粒子觀測數(shù)據(jù)，著重考慮了地球同步軌道高能電子環(huán)境，數(shù)據(jù)的時間覆蓋范圍是1976～2005年，能譜覆蓋范圍為0.03～5.2 MeV。POLE模型以11年太陽活動周為跨度，以太陽活動低年為零點，以1年為分辨率，以太陽活動最小年為參考時間對不同活動周的年平均通量進行時序平均，給出了一個太陽活動周內(nèi)不同相位、不同能量高能電子通量水平。IGE-2006(International Geostationary Electron model)發(fā)展了POLE模型，加入了LANL衛(wèi)星等離子體探測器(MPA)的觀測數(shù)據(jù)，將模型覆蓋的能量范圍向低端擴展至1 keV。在兆電子伏特級的高能部分，增加了日本數(shù)據(jù)中繼試驗衛(wèi)星(DRTS)Standard Dose Monitor(SDOM)的觀測數(shù)據(jù)。與POLE模型建模采用的方法相同，IGE-2006模型以太陽活動最小年為參考時間對不同活動周的年平均通量進行時序平均。

FLUMIC模型是為評估航天器材料內(nèi)充電開發(fā)的電子通量模型。該模型根據(jù)1986～2003年美國的GOES衛(wèi)星的空間粒子輻射環(huán)境探測器(SEM)以及1994～1998年英國的STRV-1b衛(wèi)星的空間粒子輻射環(huán)境監(jiān)測器(REM)的探測結(jié)果而建立。FLUMIC模式包含了季節(jié)及太陽周期效應(yīng)，但僅考慮了兆電子伏特級電子極端通量變化。

經(jīng)驗?zāi)Ｐ头从吵鰳?gòu)造模型使用的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)在觀測要素、能量和時間、方向等覆蓋并不完全，而且多數(shù)模型只能反映大時間尺度的長期變化，不能體現(xiàn)地球同步軌道頻繁發(fā)生的小時間尺度擾動和地方時變化。

2 FY-2系列衛(wèi)星粒子輻射探測儀器及應(yīng)用

2.1FY-2系列衛(wèi)星粒子輻射探測儀器

FY-2系列衛(wèi)星最新一代空間粒子輻射探測儀器搭載于FY-2F，G衛(wèi)星上，兩顆衛(wèi)星分別于2012年1月13日和2014年12月31日發(fā)射。星上空間粒子輻射探測儀器相較FY-2A，B，C，D，E衛(wèi)星空間粒子探測儀器進行了大幅的更改。探測儀器由一臺單機改為由高能電子探測器和高能質(zhì)子重離子探測器兩臺單機組成(如圖1所示)，大幅增加了電子、質(zhì)子的探測能道。

圖1 FY-2F(G)星高能電子探測器和高能質(zhì)子重離子探測器Fig.1 High energetic electron detector and high energy proton & heavy ion detector of FY-2F (G) satellite

FY-2F(G)星兩臺儀器均采用經(jīng)典的望遠鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中高能電子探測器使用兩組望遠鏡系統(tǒng)分別用于測量0.2～1.5 MeV和大于1.5 MeV的電子，兩組望遠鏡系統(tǒng)分別包括4片離子注入型半導(dǎo)體傳感器，低能端傳感器探測張角30°，高能端傳感器探測張角40°。高能質(zhì)子重離子探測器采用由5片半導(dǎo)體傳感器組成的望遠鏡系統(tǒng)進行粒子能譜探測，傳感器探測張角40°。望遠鏡系統(tǒng)均包括準直器、環(huán)形永久磁鐵、擋光膜和多片半導(dǎo)體探測器。偏轉(zhuǎn)磁場用于偏轉(zhuǎn)電子，減少傳感器的輻照損失和電子干擾。

帶電粒子測量均采用脈沖幅度分析法，判別粒子的種類和能量。粒子入射至傳感器在其中沉積能量并產(chǎn)生自由電子，自由電子數(shù)n與粒子沉積能量Ex的大小成正比。這些自由電子被電極收集后經(jīng)前置放大器和主放大器進行線性放大，轉(zhuǎn)為電壓脈沖信號。粒子能量和種類不同，沉積能量有差別，電壓脈沖信號的幅值V與Ex呈線性關(guān)系。對這個電壓脈沖信號進行幅值分析和符合鑒別，然后將相應(yīng)幅值的信號輸入計數(shù)器，實現(xiàn)入射粒子能量劃分和種類鑒別。入射粒子在傳感器中沉積能量不同，通過閾值設(shè)置去除從準直儀進入的其他粒子的干擾，傳感器側(cè)面和后面進入的粒子通過被動屏蔽防護去除。FY-2F(G)衛(wèi)星高能電子探測器、高能質(zhì)子重離子探測器原理分別如圖2、3所示。

儀器設(shè)計充分考慮了背景粒子的干擾，高能質(zhì)子重離子探測器和高能電子0.2～1.5 MeV探測器在準直器前端入射窗口處設(shè)置一塊偏轉(zhuǎn)低能電子的磁鐵，用于屏蔽流量較大的低能電子入射對傳感器造成干擾，提高了儀器抗背景輻射的能力。自FY-2F衛(wèi)星開始，粒子輻射探測儀器采用蒙卡模擬仿真對粒子與物質(zhì)相互作用過程中的能損漲落、彈性散射、分辨率等過程，以及斜入射和穿越粒子等干擾進行了充分考慮，針對不同的通量強度設(shè)置不同的幾何因子，保證各能道計數(shù)均在最合適的范圍內(nèi)，對儀器響應(yīng)函數(shù)的評估更準確[8]。FY-2系列衛(wèi)星粒子輻射探測儀器和與FY-2F(G)衛(wèi)星同期的GOES-13、15衛(wèi)星粒子輻射探測儀器指標見表1。GOES-13(15)衛(wèi)星粒子輻射探測儀器指標與FY-2F(G)衛(wèi)星有一定的覆蓋，這為了解和認識更詳細的粒子動態(tài)變化與數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用提供了可能。GOES-13(15)衛(wèi)星增加了較低能量的電子和質(zhì)子的能譜與方向探測，且對更高能量的重離子開展了監(jiān)測，而FY-2F(G)衛(wèi)星則提供了更詳細的大于600 keV電子能譜觀測。

圖2 FY-2F(G)衛(wèi)星高能電子探測器原理Fig.2 Principle of high energy electron instrument for FY-2F (G) satellite

圖3 FY-2F(G)衛(wèi)星高能質(zhì)子重離子探測器原理Fig.3 Principle of high energy proton & heavy ion instrument for FY-2F (G) satellite

表1 FY-2系列衛(wèi)星與GOES-13(15)星空間粒子輻射監(jiān)測器探測指標

注：FY-2系列衛(wèi)星為高速自旋衛(wèi)星，儀器安裝在衛(wèi)星的腰帶部分，觀測粒子為近全向通量平均值的時空分布；GOES系列衛(wèi)星為三軸穩(wěn)定衛(wèi)星。

2.2探測應(yīng)用結(jié)果

2.2.1 不同擾動狀態(tài)下高能電子能譜特性

圖4 FY-2G衛(wèi)星不同擾動狀態(tài)下200 keV～大于 4 MeV高能電子各道通量時序分布Fig.4 5 min average electrons flux from FY-2G satellite associated with Dst and AE values

由FY-2G衛(wèi)星獲得的2015年200 keV～大于4 MeV不同能道高能電子通量-時序分布，以及對應(yīng)的AE指數(shù)(亞暴活動)和Dst指數(shù)時序變化如圖4所示。AE指數(shù)和Dst指數(shù)的起伏變化反映出不同的空間擾動狀態(tài)。磁暴活動時，Dst<-200 nT為大磁暴；-200 nT

2.2.2 兆電子伏特級高能電子快速、緩慢增強事件

2015年3月17～18日、6月22～23日兩次強地磁暴，引發(fā)了高能電子通量增強現(xiàn)象，其中大于2 MeV的高能電子峰值通量持續(xù)超過深層充電預(yù)警閾值103cm-2·s-1·sr-1，構(gòu)成相對論電子增強事件，大于3 MeV、大于4 MeV的高能電子峰值通量也出現(xiàn)了明顯的增長。兩起強地磁暴期間600～800 keV、大于2 MeV、大于3 MeV、大于4 MeV高能電子通量隨磁暴(Dst指數(shù))的響應(yīng)變化分別如圖5、6所示。受3月磁暴影響，大于2 MeV、大于3 MeV、大于4 MeV高能電子通量表現(xiàn)出持續(xù)4 d的較緩慢的增強，即在3月19日電子通量出現(xiàn)增強直至3月22日通量達到峰值。在6月磁暴影響下，2 MeV高能電子通量表現(xiàn)出快速增強，6月24日電子通量出現(xiàn)增強到25日通量達到峰值僅用了1 d的時間。在兩起磁暴期間，600～800 keV較低能量的高能電子通量變化進一步證實了較低能量電子與亞暴活動的密切關(guān)聯(lián)，尤其在3月磁暴期間，600～800 keV電子通量并未表現(xiàn)出與兆電子伏特級電子通量相似的主相減少現(xiàn)象，相反其通量不降反升，文獻[9]對這一現(xiàn)象給出了詳細的解釋。大于2 MeV、大于3 MeV和大于4 MeV高能電子通量兩種增強現(xiàn)象反映出不同的傳輸過程，第一種電子通量緩慢增強更為典型和常見，通常源于帶電粒子的緩慢擴散過程，而第二種增強的出現(xiàn)則源于伴隨磁層壓縮的短時、準絕熱的傳輸[10-11]。

2.2.3 與GOES-13，15衛(wèi)星聯(lián)合應(yīng)用分析

帶電粒子動態(tài)變化主要取決于一系列的參數(shù)，如地磁活動、電子能量、空間位置，以及強烈變化的時間要素。FY-2G，GOES-13，GOES-15衛(wèi)星詳細位置信息見表2。表2中：UT為世界時；LT為地方時。GOES衛(wèi)星為三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星分別開展沿軌道東西兩個方向、投擲角在90°附近的帶電粒子方向通量監(jiān)測；FY-2G衛(wèi)星采用自旋穩(wěn)定，探測粒子幾乎覆蓋全空間，監(jiān)測數(shù)據(jù)反映全空間平均帶電粒子方向通量。

圖5 2015-03-10～2015-03-29期間強磁暴期間 FY-2G衛(wèi)星高能電子通量響應(yīng)增強Fig.5 Electrons variations by FY-2G satellite during strong storm from April 10 to 29, 2015

圖6 2015-06-15～2015-07-08期間強磁暴期間 FY-2G衛(wèi)星高能電子通量響應(yīng)增強Fig.6 Electrons variations by FY-2G satellite during strong storm from June 15 to July 8, 2015

表2 不同衛(wèi)星位置信息

a)高能電子不同地方時動態(tài)

地球同步軌道空間高能電子受地磁場的調(diào)制影響地方時分布差異顯著，F(xiàn)Y-2G，GOES-15，GOES-13三顆衛(wèi)星在軌定點位置不同，意味著不同衛(wèi)星在同一時間觀測到的電子通量源自不同地方時，當FY-2G衛(wèi)星觀測到局地正午的強高能電子通量分布時，GOES-15，GOES-13衛(wèi)星同時觀測到的則是局地午夜附近較低高能電子通量分布；當不同衛(wèi)星經(jīng)過同一地方時的時候，絕對環(huán)境可能受到短時擾動的影響已發(fā)生改變，意味著FY-2G衛(wèi)星，與GOES-15，GOES-13衛(wèi)星記錄到相同地方時的電子通量可能會存在不同的表現(xiàn)。通常，靠近日側(cè)地方時，磁場更偶極化，不同衛(wèi)星記錄到的電子通量分布差異相對較小或較穩(wěn)定；靠近夜側(cè)地方時，磁場被極大拉升，且局地強烈擾動頻繁，不同衛(wèi)星記錄到的電子通量分布差異顯著加大。三顆衛(wèi)星2015年6月16～30日觀測到的大于2 MeV高能電子通量地方時分布如圖7所示。由圖7可知：在日側(cè)，三顆衛(wèi)星觀測到的高能電子通量表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的系統(tǒng)偏差；在夜側(cè)，三顆衛(wèi)星觀測到的高能電子通量常表現(xiàn)出很大的差異。當磁層受到強烈壓縮，即使在相對穩(wěn)定地方時午時附近，不同衛(wèi)星先后經(jīng)過該地方時位置附近觀測到通量也會出現(xiàn)顯著的差異(圖7中陰影區(qū)域)。FY-2G衛(wèi)星與GOES-13，GOES-15兩顆衛(wèi)星的聯(lián)合觀測顯示，GOES兩顆衛(wèi)星最先在接近地方時午時附近觀測到電子通量的增強，而FY-2G衛(wèi)星滯后于GOES衛(wèi)星超過10 h后到達接近的地方時位置仍觀測到了高能電子通量的增強，但在GOES兩顆衛(wèi)星再次到達該地方時附近時電子通量已恢復(fù)到擾動影響前水平，因此可初步判讀該增強可能持續(xù)的時間尺度為10～24 h。

圖7 高能電子隨地方時通量演化

b)太陽質(zhì)子事件動態(tài)演化

太陽質(zhì)子通量在磁層中傳輸取決于截止剛度，GOES-15衛(wèi)星西向觀測的高能質(zhì)子引導(dǎo)中心位于地球同步軌道外側(cè)，等效于處于其地磁截止的外面，可觀測到相對這一截止外部的高能質(zhì)子，東向觀測到的高能質(zhì)子引導(dǎo)中心位于地球同步軌道內(nèi)側(cè)，等效于觀測到的是內(nèi)部的高能質(zhì)子，而FY-2G衛(wèi)星為高速自轉(zhuǎn)衛(wèi)星，其觀測到的高能質(zhì)子是內(nèi)外部高能質(zhì)子的綜合平均[12-14]。太陽能量粒子事件發(fā)生期間FY-2G，GOES-15兩顆衛(wèi)星(東向和西向)觀測到的4～9 MeV、15～40 MeV高能質(zhì)子通量時間演化如圖8所示。圖8顯示了在不同太陽風(fēng)和地磁亞暴活動條件影響下，F(xiàn)Y-2G，GOES-15衛(wèi)星觀測到高能質(zhì)子由于地磁截止不同導(dǎo)致的通量演化差異。低太陽風(fēng)動壓和弱亞暴活動期間，F(xiàn)Y-2G衛(wèi)星觀測到的質(zhì)子通量略低于GOES-15衛(wèi)星。強太陽風(fēng)動壓將地磁截止向內(nèi)磁層移動，從而使FY-2G，GOES-15衛(wèi)星觀測到高能質(zhì)子通量水平基本相當。低太陽風(fēng)動壓和增強的亞暴期間，仍為太陽質(zhì)子向更低L進入提供了機會，從而使FY-2G觀測到的高能質(zhì)子通量水平基本相當于GOES-15衛(wèi)星地球同步軌道的截止能量通常為數(shù)個兆電子伏特，質(zhì)子能量越高，其地磁截止越向磁層內(nèi)深入，因此觀測到的不同能量質(zhì)子通量表現(xiàn)出隨能量增強起伏變化逐漸減小的現(xiàn)象。

3 FY-4衛(wèi)星粒子輻射探測儀器

FY-4衛(wèi)星空間粒子輻射環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是我國最新一代的靜止軌道空間粒子輻射環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，包含了高能粒子探測器3臺，以及磁強計、輻照劑量儀、充電電位探測器和環(huán)境遠置單元，共計7臺單機21件產(chǎn)品，是目前我國在氣象衛(wèi)星上布局空間粒子輻射環(huán)境探測單機數(shù)量較多的衛(wèi)星。高能粒子探測儀器如圖9所示。

星上帶電粒子探測儀器采用了與FY-2系列衛(wèi)星完全不同的全新設(shè)計。高能粒子探測器由6個望遠鏡和電子學(xué)系統(tǒng)組成，3個望遠鏡實現(xiàn)低能量(0.4～1.5 MeV)高能電子的探測，1個望遠鏡實現(xiàn)高能量(大于1.5 MeV)高能電子的探測，2個望遠鏡實現(xiàn)高能質(zhì)子(1～4 MeV和4～165 MeV)能譜的探測。高能粒子探測器共有3臺，分為A類1臺，B類2臺。A，B類的區(qū)別是高能電子探頭間的夾角，A類載荷安裝在朝天面，B類載荷安裝在+X，-X面(斜面)上。

圖8 太陽質(zhì)子事件演化(FY-2G，GOES-15衛(wèi)星東向和西向觀測結(jié)果)Fig.8 Solar proton events evolution observed by FY-2G (west) and GOES-15 (east) satellites

圖9 FY-4衛(wèi)星高能粒子探測器Fig.9 High energy particle instruments of FY-4 satellite

0.4～1.5 MeV電子望遠鏡由4片厚度均為1 mm的半導(dǎo)體探測器組成，探測視場25°，傳感器前加磁場偏轉(zhuǎn)，用于偏轉(zhuǎn)能量低于400 keV的電子。使用4片傳感器相加的信號作為幅度分析信號。通過4片傳感器信號幅度的和進行能道劃分。大于1.5 MeV的望遠鏡由4片厚度均為1 mm的半導(dǎo)體探測器組成，探測視場60°。1～4 MeV質(zhì)子望遠鏡由2片半導(dǎo)體探測器組成，探測視場為40°，傳感器前加磁場偏轉(zhuǎn)，用于偏轉(zhuǎn)能量低于1 MeV的電子。4～165 MeV質(zhì)子望遠鏡，由4片傳感器均為1 mm的半導(dǎo)體探測器組成，前3片信號疊加在一起，探測視場為60°，傳感器前面加磁場偏轉(zhuǎn)能量低于1 MeV的電子。每個望遠鏡的模擬電路相互獨立，分別實現(xiàn)對每個傳感器中的脈沖信號進行處理。探測的基本原理與FY-2系列衛(wèi)星帶電粒子探測儀器相同，通過幅度分析法，配合符合與反符合技術(shù)實現(xiàn)粒子成份和能譜的鑒別，同時采用了磁場偏轉(zhuǎn)和多層屏蔽去除背景粒子的干擾。高能粒子探測儀器原理如圖10所示。

對高能粒子探測器首次用國家空間科學(xué)中心建設(shè)的中高能電子測試系統(tǒng)進行了全能譜電子定標。與GOES-13(15)以及第三代GOES-16衛(wèi)星帶電粒子輻射探測相比，F(xiàn)Y-4衛(wèi)星粒子觀測較GOES-13(15)衛(wèi)星提供了更豐富的粒子能譜、方向信息；與GOES-16衛(wèi)星粒子探測儀器比較，尚缺少對中低能和極高能帶電粒子的探測。不同儀器性能指標見表3。

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段我國自主空間粒子輻射探測能靈敏反映軌道空間粒子輻射通量的變化過程及其能譜分布，觀測數(shù)據(jù)可支持軌道粒子環(huán)境的評估。與同類GOES-13、15不同衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合應(yīng)用發(fā)現(xiàn)了軌道空間帶電粒子對擾動響應(yīng)更加復(fù)雜的圖像，可為今后深入研究帶電粒子起源、重新分布、損失機制等提供新的可能。同時不同衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合分析結(jié)果可用于指導(dǎo)今后的數(shù)據(jù)同化應(yīng)用，為多衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)一致使用提供必要的參考。

圖10 FY-4衛(wèi)星高能粒子探測器原理Fig.10 Principle of high energy particle instrument of FY-4 satellite

衛(wèi)星FY-4GOES-13(15)GOES-16探測要素及儀器高能粒子探測器(高能電子)E1,0.4～0.5;E2,0.5～0.6;E3,0.6～0.8;E4,0.8～1.0;E5,1.0～1.2;E6,1.2～1.5;E7,1.5～2.0;E8,2.0～4.0;E9,>2.00.4～1.5MeV電子,9個方向,其中赤道面內(nèi)5個方向(-Z向、-Z向偏±X向45°、±X向),子午面內(nèi)6個方向(+X向、+X偏+Y向30°、+X偏+Y向60°、-X向、-X偏-Y向30°、-X偏-Y向60°),以上±X向為共用;1.5～4.0MeV,3個方向,包括衛(wèi)星的飛行方向、飛行反方向和朝天向(+X偏+Y向30°、-X偏-Y向30°、-Z向)高能粒子探測器(高能質(zhì)子)P1,1～2MeV;P2,2～4MeV;P3,4～9MeV;P4,9～15MeV;P5,15～40MeV;P6,40～80MeV;P7,80～165MeV;P8,>165MeV至少3個方向,其中包括衛(wèi)星的飛行方向、飛行反方向和朝天向(+X偏+Y向30°、-X偏-Y向30°、-Z向);P1～P2視場角為40°,P3～P8視場角為60°中高能電子(單方向)(EPEAD/MAGED)EPEADE1,>0.6MeV;E2,>2.0MeV;E3,>4.0MeVMAGED(9個方向)30～50keV;50～100keV;100～200keV;200～350keV;350～600keVEPEAD(單方向)P1,0.8～4MeV;P2,4～9MeV;P3,9～15MeV;P4,15～40MeV;P5,40～80MeV;P6,80～165MeV;P7,165～500MeV;He:4～>3400MeVMAGPD(9個方向)P1,80～110keV;P2,110～170keV;P3,170～250keV;P4,250～350keV;P5,350～800keV低能、中高能電子MPS-LO:0.03～30keV,12個方向;MPS-HI:0.05～4MeV,10道,5個方向低能、中能質(zhì)子MPS-LO:0.03～30keV,15道,12個方向;MPS-HI:0.8～12MeV,7道,11個方向高能質(zhì)子重離子EHIS:10～200MeV/n,5道對數(shù)劃分,單方向

我國自主地球同步軌道系列衛(wèi)星已積累了超過10年的連續(xù)高能帶電粒子觀測數(shù)據(jù)資料，記錄了高能帶電粒子尤其是兆電子伏特級電子的長時間周期的動態(tài)，已有的探測數(shù)據(jù)有很好的一致性，可支持空間天氣經(jīng)驗建模應(yīng)用，改進能量粒子的預(yù)報。

本文給出的是FY-2系列衛(wèi)星粒子探測儀器的部分結(jié)果。在最新的FY-4系列星上，帶電粒子探測在能譜和方向觀測等均有突破，并有配套的磁場觀測和效應(yīng)監(jiān)測，獲得的觀測內(nèi)容將更豐富、精細，探測數(shù)據(jù)將為空間粒子輻射效應(yīng)研究提供重要數(shù)據(jù)，更好地支持開展航天活動危害評估，同時還將為地球輻射帶分布和變化、太陽能量粒子事件等重要空間物理問題研究提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

致謝感謝國家氣象局提供了FY-2G衛(wèi)星高能帶電粒子實時接收數(shù)據(jù)、Kyoto大學(xué)WDC地磁臺站公布的實時Dst指數(shù)、NOAA/GOES公布的高能粒子通量資料。感謝ACE/SWEPAM公布的太陽風(fēng)等離子體、磁場資料。

[1] BAKER D N, PULKKINEN T I, LI X, et al. Coronalmass ejections, magnetic clouds, and relativistic magnetospheric.electron events: ISTP[J]. J Geophys Res, 1998, 103(A8): 17279-17291.

[2] BLAKE J B, KOLASINSKI W A, FILLIUS R W, et al. Injection of electrons and protons with energies of ten of MeV intoL<3 on 24 March 1991[J]. Geophys Res Lett, 1992, 19(8): 821-824.

[3] DENTON M H, BOROVSKY J E, SKOUG R M, et al. Rapid enhancements of relativistic electrons deep in the magnetosphere during the May 15, 1997, magnetic storm[J]. J Geophys Res, 1999, 104(A3): 4467-4476.

[4] REEVES G D, McADAMS K L, FRIEDEL R H W, et al. Acceleration and loss of relativistic electrons during geomagnetic storms[J]. Geophys Res Lett, 2003, 30(10): 1529. DOI:10.1029/2002GL016513.

[5] BAKER D N, BLAKE J B, KLEBESADEL R W, et al. Highly relativistic electrons in the Earth’s outer magnetosphere, 1. lifetimes and temporal history 1979-1984[J]. J Geophys Res, 1986, 91: 4265-4276.

[6] BAKER D N, BELIAN R D, HIGBIE P R, et al. Deep dielectric charging effects due to high energyelectrons in the Earth’s outer magnetosphere[J]. J Electrost, 1987, 20: 3-19.

[7] LUCCI N, LEVITIN A E, BELOV A, et al. Space weather conditions and spacecraft anomalies in different orbit[J]. Space Weather, 2005, 3(1): 505-518.

[8] ZHANG S Y, ZHANG X G, WANG C Q, et al. The geometric factor of high energy proton detector on FY-3 satellite[J]. Science China, Earth Sciences, 2014, 57: 2550-2558.

[9] 王春琴, 孫越強, 張珅毅, 等. FY2G衛(wèi)星新一代高能帶電粒子探測器觀測數(shù)據(jù)分析[J]. 地球物理學(xué)報, 2016, 59(9): 3148-3158.

[10] BLAKE J B, BAKER D N. Correlation of changes in the outer zone relativistic electron population with upstream solar wind and magnetic field measurement[J]. Geophysical Research Letters, 1997, 24(8): 927-929.

[11] REEVES G D, SELESNICK R S. Rapid enhancements of relativistic electrons deep in the magnetosphere during the May 15, 1997, magnet storm[J]. Journal of Geophysical Research Space Physics, 1999, 104(A3): 4467-4476.

[12] BOYNTON R J, BILLINGS S A, AMARIUTEI O A, et al. The coupling between the solar wind and proton fluxes at GEO[J]. Ann Geophys, 2013, 31: 1631-1636.

[13] REEVES G D, FRIEDEL R H W, BELIAN R D, et al. The relativistic electron response at geosynchronous orbit during the January 1997 magnetic storm[J]. J Geophys Res, 1998, 103(A8): 17559-17570.

[14] RODRIGUEZ J V, ONSAGER T G, MAZUR J E. The east-west effect in solar proton flux measurements in geostationary orbit: a new GOES capability[J]. Geophysical Research Letters, 2010, 37: L07109.

SpaceRadiationEnvironmentObservationsandApplicationsBasedonGEOSatellites

WANGChun-qin1,2，ZHANGXin1,2，ZHANGLi-guo3，ZHANGRu-yi3，JINLi-qun3，SUNYue-qiang1,2，JINGTao1,2，ZHANGShen-yi1,2，ZHANGHuan-xin1,2，SHENGuo-hong1,2，ZHANGXiao-xin4，LIJia-wei4，YANGXiao-chao1,2，CHANGZheng1,2

(1. National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing100190, China;2. Beijing Key Laboratory of Space Environment Exploration, Beijing100190, China;3. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai201109, China;4. National Center for Space Weather, China Meteorological Adminstration, Beijing100081, China)

The space radiation environment observations and applications based on GEO satellites were studied in this paper. The GEO space particles radiation detection by GOES series satellites in abroad and FY-2series satellites in domestic continuously were presented, and so were the developments of the experience models using for space radiation evaluation of GEO energy electrons which were AE8/AP8, AE9/AP9, POLE, FLUMIC and others. The FY-2series satellites are the principal observational platforms for covering dynamic weather events and the near-earth space environment in China since90’s of the last century. Three generations of high energy particle detectors have been developed and carried on the satellites to provide continuous and simultaneous monitoring of the geosynchronous energetic particle environment. The characteristics of high energy electrons spectrum under various disturbance states, the fast and slow enhanced events of high energy electrons with MeV level obtained by FY-2series satellites were introduced. The high energy electrons evolution and solar proton events evolution were analyzed united by FY-2satellite and GOES-13and GOES-15satellites. The observation data obtained by FY-2series satellites can present the dynamic changes of GEO space high energy particles accurately and sensitively. Compared with results of GOES series satellites in the same period, it can not only gain the consistency in the relative calm period but also obtain the obvious short local difference in strong disturbance period. This provides a possibility to analyze the data of GEO particles radiation joint with multi-satellites, develop complete and complex magnetosphere pictures response to the disturbance and study of electronic particles sourcing, redistribution and loss mechanism. On the three-axis stabilized FY-4satellite which was launched in2016, the newest particle instruments are carried and can realize particle detections from multi-directions. All the observations can provide abundant and accurate information of particle dynamics. At the present time, there are only GOES series satellites and FY series satellites can provide continuous records of long term GEO space particle radiation environment. The data accumulation and information abundance will promote the model development for forecast service and space science research in China, which can provide better service of space weather forecast and warning.

geosynchronous orbit (GEO); FY-2meteorological satellite; FY-4meteorological satellite; particle instrument; high energy protons; high energy electrons; geomagnetic storm; solar proton event

1006-1630(2017)04-0085-11

2017-06-08；

：2017-06-28

國家自然科學(xué)基金資助(11603028，41404149)

王春琴(1978—)，女，博士，副研究員，主要從事自主空間環(huán)境探測儀器帶電粒子觀測數(shù)據(jù)的處理分析。

P353.7；P414.4

：ADOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.04.011