導航衛星受地球外輻射帶影響仿真分析

蔣 虎,胡海鷹,龔文斌

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

0 引 言

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

1 地球輻射帶

太陽發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域,形成若干條帶電粒子帶， 這一現象被發現于上世紀中葉。 美國科學家范艾倫在上世紀中葉根據“探險者”的觀測資料首先證實了內輻射帶的存在,并給出了內輻射帶結構和范圍,同時發現內輻射帶外面還有另一條帶電粒子帶,即外輻射帶，它們被稱為內范艾倫帶和外范艾倫帶[2]，如圖1所示,地球內外輻射帶對稱于地球赤道排列。內輻射帶的中心約在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,美國和俄羅斯科學家發現了分布在地球內外輻射帶之間的第三輻射帶,該輻射帶由反常宇宙線構成,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

導航衛星的工作壽命一般都比較長,以北斗一代衛星為例,一般為8年左右,北斗二代衛星壽命要求更高,將達到10年,甚至更長，以10年壽命為例,對中高軌道的空間環境進行仿真,主要集中在電子、質子通量及其累積的輻射劑量等指標給出仿真結果。

1)中軌道電子、質子分布、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高度軌道質子積分/微分通量分布

圖4 10年內20 000多km高度軌道輻射劑量

2)高軌道電子、質子分布、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高度軌道質子積分/微分通量分布

從以上仿真結果來看,對于中軌道空間輻射而言,當屏蔽厚度大于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,當屏蔽厚度大于7 mm,再增加屏蔽厚度方法對隔離輻射已經不再敏感。可見,僅從輻射加固角度來說,在衛星設計時(10年壽命為例),對于中軌道衛星屏蔽厚度區間取[8，9]為宜, 對于高軌道衛星屏蔽厚度區間取[6，7]為宜,厚度單位:mm.

圖7 10年內36 000 km高度軌道輻射劑量

3 結束語

從仿真結果來看,中軌道空間輻射環境相對惡劣些,高軌道空間環境相對較緩和;由于仿真結果是受太陽活動周期影響的,即因考察的年份而異的,因此在衛星設計時,應根據衛星發射年份、衛星壽命、衛星軌道參數等指標來有針對性地進行空間環境特性仿真分析,而不能簡單地對照相關參考資料簡單地判斷衛星的空間環境情況.

[1]董成喜,王 健,張馨予.衛星導航系統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]..