空間環境探測技術的發展現狀與趨勢

+ 王曉海 空間電子信息技術研究院 空間微波技術重點實驗室

空間環境探測技術的發展現狀與趨勢

+ 王曉海 空間電子信息技術研究院 空間微波技術重點實驗室

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

空間環境 環境因素 空間環境探測 效應監測

1 引言

在人類智慧與科學技術的發展歷程中，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、分析空間環境各個要素的組成、分布和變化規律，研究宇宙起源、發展及變化規律，對月球及火星等深空環境進行科學探測與研究，研究對空間環境具有重大影響的天體活動規律。隨著航天事業的發展，人類活動空間不斷向外太空延伸。空間環境正在越來越顯著地影響著人類的各種生產、生活，成為除陸地、海洋和大氣外的人類生存的第四環境。

空間環境是指日地空間對人類活動構成影響的所有環境因素，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。空間環境是衛星、飛船和空間站等航天器的運行環境，也是導航、定位、通信等衛星業務的路徑環境。它所涵蓋的區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域。空間環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 典型空間環境因素及其效應

探測空間環境，了解空間環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。由于變化的空間環境可能對航天活動和技術系統造成重大影響，因此，有必要全面開展空間環境探測與研究，了解和掌握空間環境的一般狀況和變化情況，保障以航天器為依托的經濟活動及科技活動的安全。空間環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保空間系統安全的需要。

圖2 地球空間環境

2 空間環境的類型與特點

2.1 空間環境的類型

與航天器運行有關的空間環境可分為中性環境、等離子體環境、輻射環境和宏觀顆粒環境4種類型。中性環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，它們所經歷的等離子體環境有很大差別。低地球軌道所處的環境為冷的、稠密的電離層等離子體，而地球同步軌道所處的環境是稀薄的、受亞暴直接影響的等離子體。電磁輻射環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。宏觀顆粒環境包括微流星體和空間碎片。

2.2 空間環境的特點

空間環境具有以下特點：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與航天器發生相互作用；⑥會使航天器以及通信系統產生各種效應；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，如空間碎片的數量。

3 空間環境探測主要內容

空間環境探測的主要內容包括：空間環境擾動源的監測、空間環境狀態及其變化監測、空間環境對人類活動的影響監測3個方面。

3.1 空間環境擾動源的監測

空間環境擾動的主要源頭是太陽大氣活動。太陽日冕物質拋射、高速太陽風、凍結在太陽風中的行星際磁場、行星際激波等是誘發地球磁層暴，進而產生熱層暴的主要原因，而太陽耀斑等高能爆發活動，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、日冕物質拋射、太陽風、行星際磁場等是空間環境擾動源必須監測的內容。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象進行監測，如太陽活動區、冕洞等的位置、結構和演化等。

上述太陽大氣活動的可見光、射電波段監測主要在地面進行。天基遙感監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測。現場監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測。

3.2 空間環境狀態及其變化監測

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

帶電粒子主要監測磁層和輻射帶的捕獲粒子，也監測來自太陽和宇宙的粒子。種類包括電子、質子和重離子成分，能量從eV到GeV，要求多方向監測。等離子體監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、成分和風場的監測。電磁場的監測以磁場、電場監測為主，電磁波監測為輔。

遙感和路徑監測主要是對中高層大氣、電離層進行監測。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 空間環境對人類活動影響的監測

空間環境對人類活動的影響范圍較廣。目前我國比較關注的是影響航天器和航天員安全的環境效應、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、各種原因誘發的艙內瞬態電磁脈沖干擾效應、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、信號相位和幅度漂移、信號失鎖。

以保障服務為目的的天基空間環境監測，不同于以科學研究為目的的空間物理探測，最主要區別是空間環境監測需要連續性和長期穩定性。地面氣象的連續穩定監測已得到廣泛認可，天基空間環境監測也需要保持連續性和長期穩定性。

4 空間環境探測設備概況

空間環境探測設備分為天基和地基兩大部分。天基空間環境探測設備是以衛星、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、電磁波等空間環境要素進行直接探測和遙感探測的設備。

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

太陽大氣活動探測設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、日冕物質拋射白光成像儀等。

磁層探測設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電流和等離子體層進行成像探測。

電離層探測設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、質譜探針、光譜儀、磁力儀等。

中高層大氣探測設備主要針對中高層大氣密度、成份、風場和發光現象進行探測。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測。

空間碎片探測設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。

空間環境效應探測設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境效應進行監測和試驗。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 空間環境探測發展現狀

20世紀60年代，空間活動剛剛起步，人類對空間環境的嚴酷性認識不足，對空間特殊環境及其效應不了解，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境設備，同時對電子、質子、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、歐洲等航天技術發達的國家都建立了完善的航天器空間環境工程研究體系，特別是建立了空間環境監測衛星體系，監測空間環境并發布監測、預警報告。收集的空間環境數據不但作為空間天氣預報、警報的輸入條件，也促進了空間環境模型的完善，有力地保障了在軌航天器的安全，最大限度地發揮航天系統的效能。

目前，專門的空間環境業務衛星應該說還不存在。對空間環境的監測主要是通過專門的空間環境研究衛星和在通用業務衛星上搭載空間環境監測設備兩種方式實現的。許多空間環境研究衛星在實現科學目標的同時，形成了一定的業務能力，在常規的空間天氣業務中起著重要的作用。空間環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，空間環境探測還主要集中在日地空間。對空間環境的探測大致可以分為太陽／太陽風、地球磁層、熱層／電離層幾個區域。

科學衛星有明確的研究目的，但許多衛星為了實現科學目標而設計的科學探測載荷的探測結果同樣可以滿足空間環境建模、空間天氣預報等業務需求。最為典型的就是美國研制發射的用于研究太陽天體系統的形成及演化過程的ACE（Advanced Composition Explorer）衛星，以及歐盟與美國聯合研制發射的用于研究太陽內部結構、日冕及太陽風起源的SOHO（Solar and Hemispheric Observatory）衛星。ACE衛星的實時太陽風與行星際磁場觀測數據，以及SOHO衛星的太陽X射線、紫外成像、太陽日冕成像與太陽磁場觀測數據是日常空間天氣預報、警報的重要數據。最近發射的Solar—B和STEREO（Solar Terrestrial Relations Observatory），能分別對太陽磁場三維結構和日冕物質拋射三維結構進行監測，具有非常重要的業務應用前景。許多空間環境探測衛星在開展空間環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據，在空間環境經驗模式的建立過程中發揮了重大作用。

由于空間環境覆蓋面廣，各區域相互作用過程復雜，僅靠專門的空間環境衛星很難完全滿足專業研究和業務需求。因此，在其他業務衛星上進行搭載探測試驗也是空間環境探測的重要手段。美國通過環境衛星GOES（Geostationary Operational Environmental Satellite）和POES（Polar orbiting Operational Environmental Satellite）、軍事氣象衛星DMSP（Defense Meteorological Satellite Program）、全球導航定位GPS衛星等各種系列衛星開展空間環境搭載探測，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據，為空間環境模型的建立與改進提供了重要數據基礎。其中，GOES衛星上搭載的空間環境監測系統（SEM）能夠對太陽X射線，近地空間的高能電子、高能質子及電磁環境進行監測，并將數據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務預報。

通過專門的空間環境科學衛星和搭載衛星兩種方式，目前已有的業務監測手段主要是通過ACE，SOHO衛星和DMSP，GOES，POES，GPS等衛星系列來實施的。監測對象包括太陽成像、太陽輻射通量、磁場和太陽爆發活動，太陽風等離子體、行星際，磁層粒子和磁場，極光成像等。基本覆蓋空間環境主要業務范圍，滿足空間環境業務探測要素的基本需求。

近年來，隨著新計劃的實施，有些新的業務能力還將逐步形成。例如，新發射的COSMIC系列衛星和STEREO衛星將具備對電離層和太陽日冕活動監測的能力。歐洲的MetOp計劃將增強極區空間環境探測能力，提升POSE衛星產品的數據刷新率。NPOESS（National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System）將替代POES系列和DMSP系列衛星，提供大大優于POES衛星的空間環境監測數據。新一代的GOES衛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，從而更好地服務于衛星軌道衰變預測。同時，由于衛星壽命問題和計劃的不連續性，有些業務監測也會中斷或失去，最典型的就是隨著ACE衛星監測能力的喪失，空間天氣業務將受到很大的影響。沒有該衛星的探測數據，大量模式缺乏輸入數據，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衛星的計劃。

6 空間環境探測發展趨勢

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

6.1 帶電粒子探測

帶電粒子輔射環境是航天器設計、航天員安金最為關心的環境。軌道空間的帶電粒子具有區域、方向和能譜分布的特點，并隨空間環境擾動變化劇烈。空間粒子輻射的影響與飛行器的構形結構、姿態、器件材料的質量等級、可靠性設計等密切相關。

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，它可導致電磁信號的吸收、閃爍、延遲和法拉第旋轉等。

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量和撞擊強度。特別監測可能的“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境重要的物理參數之一，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生的感應磁場為人們研究、監測和預報空間環境變化提供了有用的信息。空間磁場的變化反映出空間環境顯著的變化特征。探測航天器經過區域的磁場參數為空間環境研究提供探測數據。

7 結語

空間環境探測對于衛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，不可能在設計階段完全避免空間環境引起的風險，所以空間環境及效應監測成為保障衛星長壽命、高可靠，提高衛星空間環境適應性設計水平的重要環節。

空間環境探測系統對于保證我國各類衛星長期在軌運行，提高我國空間環境適應性設計水平，促進國產高性能芯片和低等級芯片在空問低風險的應用，滿足各類應用衛星對提高性能的迫切需求，促進我國空間環境及效應領域的持續發展特別是地面試驗方法的改進和仿真分析工具的開發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境探 測技術的研究探索，促進空間環境探測技術的快速發展。

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