SAA域選劃對天基探測衛(wèi)星影響簡析

李宗耀, 張科科,2, 胡海鷹, 盛 蕾

（1.中國科學(xué)院 上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201203；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039）

SAA域選劃對天基探測衛(wèi)星影響簡析

李宗耀1, 張科科1,2, 胡海鷹1, 盛 蕾1

（1.中國科學(xué)院 上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201203；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039）

通過仿真計算南大西洋異常區(qū)（SAA）高能粒子的通量與能量，分析不同通量閾值與能量閾值對SAA空間分布的影響，并以科學(xué)實驗衛(wèi)星為研究對象，對其歷經(jīng)SAA的時間百分比進(jìn)行連續(xù)24 h和6個月的統(tǒng)計，獲得了SAA對衛(wèi)星常規(guī)運行的工作時間影響。結(jié)果表明：在50 MeV能量閾值條件下，500 cm-2?s-1較100 cm-2?s-1通量閾值對SAA空間分布的影響范圍在緯度上相差約23.35%，經(jīng)度上相差約27.06%，歷經(jīng)SAA時間上縮短約48.0%；在100 cm-2?s-1通量閾值條件下，150 MeV較50 MeV能量閾值對SAA空間分布的影響范圍在緯度上相差約13.86%，經(jīng)度上相差約17.29%，歷經(jīng)SAA時間上縮短約31.7%。

南大西洋異常區(qū)；天基觀測；高能質(zhì)子；時間百分比

0 引言

南大西洋異常區(qū)（South Atlantic Anomaly, SAA）的中心位置位于西經(jīng)45°、南緯30°，由于地磁弱，其上空出現(xiàn)了范?艾倫輻射帶凹陷，從而導(dǎo)致空間高能粒子在該區(qū)域聚集，是航天器異常或故障的高發(fā)區(qū)[1-2]。低軌衛(wèi)星特別是攜帶高靈敏度有效載荷的衛(wèi)星飛經(jīng)SAA時，高能粒子將以表面充電、單粒子翻轉(zhuǎn)等形式對星上的微電子元件、功能材料、光學(xué)器件等造成輻射損傷[1-5]，甚至導(dǎo)致儀器的損壞。如“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡（HST）、美國“中段空間試驗”（MSX）衛(wèi)星和加拿大“藍(lán)寶石”（Sapphire）微小衛(wèi)星等在歷經(jīng)SAA時盡管采取了關(guān)閉鏡蓋、載荷斷電、軟件算法修正、CCD退火處理等手段，但還是遭受到SAA高能粒子不同程度的輻射損傷[1,6-8]。美國NASA和歐洲ESA等機構(gòu)針對空間高能輻射環(huán)境開展了多年的研究，并初步建立了空間輻射環(huán)境模型，開展了空間高能粒子分布計算的在線服務(wù)。例如 ESA 的SPENVIS[5,9]軟件可以計算空間高能粒子分布。盡管如此，在衛(wèi)星方案制定和研制初期，如何開展SAA中的粒子輻射對衛(wèi)星的影響評估，制定合理有效的規(guī)避策略，事關(guān)衛(wèi)星的在軌工作效率。

我國2013年7月發(fā)射的科學(xué)實驗衛(wèi)星，運行于670 km高度的晨昏太陽同步軌道，傾角97°。星上裝載的高靈敏度相機，在歷經(jīng)SAA時受到了大量高能粒子輻射的影響，拍攝的圖像中出現(xiàn)大量白色亮點、亮斑和亮線等，導(dǎo)致探測圖像背景噪聲異常增加，與恒星背景混雜在一起，不僅影響空間碎片目標(biāo)的識別和定位，還會降低探測相機的性能、壽命和任務(wù)的探測效率[1]。

本文基于SAA的高能粒子分布規(guī)律和試驗衛(wèi)星約束條件，通過仿真分析SAA的邊界選劃方法，給出衛(wèi)星歷經(jīng)SAA時受影響的程度（用時間百分比表示），為提高衛(wèi)星在軌工作效率及輔助地面預(yù)估研判飛越SAA的影響提供數(shù)據(jù)支撐。

1 SAA高能粒子影響空間大小分析

SAA中的高能粒子主要包括高能質(zhì)子、高能電子和少量的高能量宇宙射線粒子等[10-13]，其中高能質(zhì)子的能量范圍在0.1～400 MeV甚至更大[3]，在空間分布上則主要集中在南大西洋上空；高能電子的能量在1 MeV以下，遍布整個南北極區(qū)與大西洋上空。在進(jìn)行低地球軌道衛(wèi)星的空間輻射評估時，通常以能承受的輻射總劑量（主要受空間高能粒子通量大小的影響）來衡量考慮，而忽略空間高能粒子的短時轟擊效應(yīng)（主要受空間高能粒子能量大小的影響）。本文使用SPENVIS[5]計算工具，調(diào)用NASA的輻射帶電子通量模型AE-9[2-3]和質(zhì)子通量模型AP-9[2,14]，對空間高能粒子輻射環(huán)境進(jìn)行仿真計算，以得到高能粒子的分布，并根據(jù)試驗衛(wèi)星自身約束條件，開展SAA高能粒子輻射通量和能量分布估算。

1.1 SAA高能質(zhì)子輻射通量估算

衛(wèi)星的 CCD類有效載荷在設(shè)計選用元器件時，須考慮其輻射總劑量指標(biāo)，它是衡量在軌工作能力的重要因素之一。“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡可利用在軌圖像中有效強宇宙線事件反推評估高能粒子通量大小[7]，并根據(jù)該方法，估算了試驗衛(wèi)星在1600 ms積分時間下遭受＞50 MeV的高能粒子通量約為500 cm-2? s-1。

SAA的空間粒子分布（以高能粒子輻射通量和能量衡量）在不同的高度、地理位置各不相同。

本文定義了試驗衛(wèi)星相機的高能粒子通量閾值——經(jīng)機殼防護(hù)后相機能夠承受高能粒子轟擊而其性能又不會有明顯降低（單幅圖像的熱像元數(shù)目增幅小于20%）的高能粒子通量（以下簡稱通量閾值）作為評價的主要因素之一。考慮試驗衛(wèi)星相機的防護(hù)措施，以50 MeV高能質(zhì)子能量作為輸入條件，仿真計算得到 100、200、300、500 cm-2?s-1的通量閾值下所對應(yīng)的SAA空間分布邊界，如圖1所示；各閾值對應(yīng)的地理分布范圍如表1所示。可以看到：SAA的空間分布邊界隨著通量閾值的增加而遞減，若設(shè)定在50 MeV、100 cm-2?s-1條件下計算得到的 SAA分布邊界大小作為基礎(chǔ)邊界，在50 MeV、500 cm-2?s-1條件下的SAA分布邊界的緯度相對縮小了23.35%，經(jīng)度相對縮小了27.06%。

圖1 能量為50 MeV以及不同通量閾值條件下SAA空間分布Fig.1 The SAA spatial distribution for different flux thresholds at 50 MeV

表1 質(zhì)子能量為50 MeV以及不同通量閾值條件下的SAA空間分布邊界Table 1 The SAA spatial distribution boundary for different flux thresholds at 50 MeV

1.2 SAA高能質(zhì)子能量估算

與通量閾值的定義類似，本文也定義了 CCD相機的質(zhì)子能量閾值。應(yīng)用SPENVIS計算不同能量閾值對應(yīng)的SAA粒子空間分布。設(shè)定高能質(zhì)子輻射通量閾值為100 cm-2?s-1時，選擇50、70、100、150 MeV分別作為高能質(zhì)子能量閾值進(jìn)行研究。仿真計算得到的SAA質(zhì)子空間分布如圖2所示，各閾值對應(yīng)的地理分布范圍如表2所示。對比表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：隨著能量閾值的增加，SAA空間分布邊界向中心區(qū)域縮小，且各個方向的縮小程度不同，南部和東部縮小相比北部和西部較為明顯，在緯度上的縮小程度較經(jīng)度上來得大。若設(shè)定在50 MeV、100 cm-2?s-1條件下計算得到的SAA分布邊界作為基礎(chǔ)邊界，在150 MeV、100 cm-2?s-1條件下的SAA分布邊界在緯度上相對縮小了13.86%，經(jīng)度上相對縮小了17.29%。

圖2 通量為100 cm-2?s-1以及不同能量閾值條件下SAA空間分布Fig.2 The SAA spatial distribution for different energy thresholds at 100 cm-2?s-1

表2 通量為100 cm-2?s-1，不同能量閾值對應(yīng)的SAA空間分布邊界Table 2 The SAA spatial distribution boundary for different energy thresholds at 100 cm-2?s-1

2 歷經(jīng)SAA時間統(tǒng)計

如上文分析，SAA的空間分布與高能粒子通量和能量的大小相關(guān)。低地球軌道航天器各結(jié)構(gòu)表面抗高能粒子輻射的能力不同，將導(dǎo)致其受SAA空間分布邊界的影響也不同。特別是對高靈敏度的有效載荷，不同的抗輻射能力，決定了其受SAA影響范圍的大小；而確認(rèn)規(guī)避SAA空間分布的大小差異，則直接影響衛(wèi)星在軌工作的時序與時間。美國的 MSX衛(wèi)星在進(jìn)行在軌空間目標(biāo)信息收集的地面時序規(guī)劃時，將24 h內(nèi)衛(wèi)星經(jīng)過SAA的時間與持續(xù)時間加入任務(wù)表中進(jìn)行規(guī)避[10]。可見，SAA空間分布對衛(wèi)星歷經(jīng)SAA時間的影響研究可用于衛(wèi)星的在軌安全、任務(wù)時間規(guī)劃以及工作效率分析。

采用STK軟件仿真計算衛(wèi)星在6個月內(nèi)通過表1和表2中確定的SAA空間分布的時間占衛(wèi)星飛行時間的百分比。以天為單位考量SAA短期影響，圖3給出了衛(wèi)星在2014年1月1日24 h歷經(jīng)通量閾值為100 cm-2?s-1、能量閾值為50 MeV時所確定的SAA空間分布邊界的弧段。圓點代表衛(wèi)星過南極點時間，方框代表衛(wèi)星過SAA持續(xù)時間。由圖可知衛(wèi)星飛行15圈，其中有9圈歷經(jīng)SAA，從經(jīng)歷弧段的時間長短可以看出：衛(wèi)星歷經(jīng)SAA的時間各不相同，即在相同的空間分布邊界條件下，衛(wèi)星在同一天不同的時段受到SAA的影響不同。

圖3 衛(wèi)星24 h過SAA區(qū)域的弧段Fig.3 The segment of SAA-pass time in 24 hours

以月為單位統(tǒng)計SAA長期影響，在不同的通量閾值定義的SAA空間分布邊界條件下，衛(wèi)星在2014年1月至6月歷經(jīng)SAA的時間占衛(wèi)星飛行時間的百分比如圖4所示。結(jié)果表明：在相同的通量閾值條件下，衛(wèi)星歷經(jīng)SAA的時間百分比基本處在同一數(shù)值上，最大差異僅為0.13%，說明相同的區(qū)域在時間軸上對衛(wèi)星的影響基本保持不變；對不同的通量閾值條件下的時間百分比進(jìn)行比較，差異最大的是500 cm-2?s-1下的4.27%和100 cm-2?s-1下的8.21%之間，盡管二者的時間百分比差值僅約4%，但歷經(jīng)SAA時間卻縮短了48.0%。

圖4 衛(wèi)星經(jīng)歷不同通量閾值定義的SAA空間分布邊界時間百分比Fig.4 The SAA-pass time percentage of the satellite for different flux thresholds

通量閾值的大小由CCD相機的抗輻射性能決定，而衛(wèi)星表面的抗輻射保護(hù)則決定了衛(wèi)星能夠承受的高能粒子的能量閾值。在由不同能量閾值確立的SAA空間分布邊界條件下，衛(wèi)星歷經(jīng)SAA的時間百分比如圖5所示。能量閾值越高，則SAA空間分布的邊界越小，而受SAA影響的時間百分比越低，這與衛(wèi)星抗高能粒子輻射能力增強的趨勢一致。同一能量閾值條件下，歷經(jīng)SAA時間百分比趨于一致，最大差異僅為0.13%；不同能量閾值條件下，差異最大的是150 MeV下的5.60%與50 MeV下的8.21%之間，盡管二者的時間百分比差值僅有2.6%，但歷經(jīng)SAA時間卻縮短了約31.7%。

圖5 衛(wèi)星經(jīng)歷不同能量閾值定義的SAA空間分布邊界時間百分比Fig.5 The SAA-pass time percentage of the satellite for different energy thresholds

綜上分析結(jié)果表明，在航天器總體設(shè)計之初，提高衛(wèi)星有效載荷的通量閾值和能量閾值，對于降低SAA的影響和提高在軌任務(wù)工作效率具有顯著的效果。

3 結(jié)束語

本文通過對SAA空間高能粒子的通量與能量的仿真計算，分析了與通量閾值和能量閾值所對應(yīng)的SAA空間分布對衛(wèi)星的影響。通過計算科學(xué)實驗衛(wèi)星經(jīng)歷這些SAA空間分布的時間百分比，定量地給出了 SAA空間分布對衛(wèi)星工作時間的影響，對衛(wèi)星安全評估與任務(wù)規(guī)劃具有指導(dǎo)意義。

本文雖然就SAA空間分布以及對低軌科學(xué)試驗衛(wèi)星的影響給出了定量結(jié)果，但仍有許多工作需進(jìn)一步完善，例如：

1）需利用在軌試驗數(shù)據(jù)對SAA空間分布的計量結(jié)果進(jìn)行驗證；

2）需利用在軌試驗數(shù)據(jù)開展SAA空間分布三維模型研究。

（References）

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（編輯：肖福根）

The influence of south atlantic anomaly boundary on space-based observation satellite

LI Zongyao1, ZHANG Keke1,2, HU Haiying1, SHENG Lei1
(1.Shanghai Engineering Center for Microsatellites, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201203, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

By simulating the South Atlantic Anomaly (SAA), the ranges of the SAA with different flux thresholds and energy thresholds are obtained.As an example, the time percentage of the space-based observation satellite that passes the SAA region is calculated in 24 consecutive hours and 6 months, and the influence of the SAA field on the operation time is evaluated.The results show that, for the 50 MeV energy threshold, with the maximum influence of the flux threshold on the spatial domain, the latitude difference is about 23.35%, the longitude difference is about 27.06%, and the SAA pass time difference is about 48% between 500 cm-2?s-1and 100 cm-2?s-1flux thresholds.For the 100 cm-2?s-1flux threshold, the latitude difference is about 13.86%, the longitude difference is about 17.29%, and the SAA -pass time difference is about 31.7% between 150 MeV and 50 MeV energy thresholds.

SAA; space-based observation; energetic protons; time percentage

V520.6

：A

：1673-1379(2016)05-0479-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.004

李宗耀（1988—），男，碩士學(xué)位，研究方向為衛(wèi)星總體載荷的研究與設(shè)計；E-mail: zyli_microsat@163.com。通信作者：張科科（1980—），男，碩士學(xué)位，副研究員，研究方向為微小衛(wèi)星總體設(shè)計；E-mail: 13816686945@139.com。

2016-03-17；

：2016-09-05

中國科學(xué)院國防創(chuàng)新基金項目“基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的分布式星上自主任務(wù)規(guī)劃研究”（編號：CXJJ-155085）；上海市科學(xué)技術(shù)委員會揚帆計劃“雙星編隊望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星的高精度協(xié)同智能控制研究” 項目（編號：YF141413600）