太空環境對空間信息裝備的影響及對策

劉必鎏，王新波，湯澤瑩，張 頌

(中國人民解放軍32032部隊,北京 100094)

0 引言

隨著空間技術與信息技術的不斷融合發展，太空已成為國家安全與發展利益的戰略“制高點”，空間信息裝備則成為聯合作戰體系的重要支撐。空間信息裝備以空間飛行器為平臺，太空是其主要運行環境。但是，太空并不平靜，存在著各種自然環境因素，也留下了各種人類活動的足跡，將以不同形式和不同方式影響甚至破壞航天系統的應用。因此，必須認真研究太空環境的影響，準確預測太空環境的變化，有效利用太空環境效應，從而增強空間信息裝備對太空環境的適應性，牢牢掌握空間信息主動權。

1 太空環境的構成要素

1.1 空間環境效應

為了反映地球軌道環境所具有的基本特性，可以將空間環境效應分為真空環境、中性粒子環境、等離子體環境、高能粒子環境、微流星體/空間碎片環境等[1]。

1.1.1 真空環境

相對于地球表面而言，太空基本處于真空環境。真空環境效應主要包括壓力差效應，真空放電效應，輻射傳熱效應，真空出氣效應，材料蒸發、升華和分解效應，粘著和冷焊效應以及高層大氣對航天器的阻尼效應[2]。

1.1.2 中性粒子環境

在距地球表面170 km以上，原子氧是太空中殘余大氣的主要成分。這種中性粒子具有極強的活性，既可以通過撞擊的動能對航天器產生氣動阻力、物理濺射等機械作用；也可以通過化學反應腐蝕物體表面(即原子氧剝蝕效應)；還會使航天器外表面產生輝光現象，降低光學設備的探測能力。

1.1.3 等離子體環境

太空環境多數處于等離子體狀態。航天器進入等離子體環境后，由于表面材料導電性的差別，導體和絕緣體將有不同的電位，當電位差達到足夠大時，物體表面會發生電弧放電，可能對航天器形成物理性損傷或電磁干擾。

1.1.4 高能粒子環境

地球軌道環境中的高能帶電粒子主要來自地球俘獲帶、太陽宇宙射線和銀河宇宙射線。高能粒子主要表現為總劑量效應和單粒子效應，它能夠穿過航天器表面進入內部，引起傳輸路徑上的材料發生電離或位移，使材料的整體性質發生改變和性能下降，例如，會降低太陽能電池陣的輸出功率，使光學設備的焦距面形成偽信號，或者使電子信息系統產生軟損傷或硬毀壞。

1.1.5 微流星體/空間碎片環境

微流星體是自然形成的、在星際空間中高速運轉著的固體顆粒；空間碎片則是人類航天活動帶入太空的航天器、助推器、固體火箭燃料粒子等的殘留物。微流星體/空間碎片對航天器的高速撞擊，將改變航天器表面性能，造成撞擊坑、等離子體云效應、動量傳遞、表面穿孔、容器爆炸破裂、結構碎裂等[2]。隨著人類空間活動的增加，空間碎片越來越多，危害航天器的風險也越來越高。

同時，要特別關注空間天氣的影響，這是由太陽磁活動驅動形成的日地空間環境狀態，表現為日地空間中的電磁輻射、帶電粒子、磁場、電場、電流、中性大氣等的激烈變化，深刻影響著航天裝備在軌運行的安全性和可靠性[3]。

1.2 復雜電磁環境

復雜電磁環境是指在一定的空間范圍內，由空域、時域、頻域、能域上分布的數量繁多、樣式復雜、密集重疊、動態交迭的電磁信號構成的電磁環境[4]。太空戰場復雜電磁環境的形成，主要是自然因素，例如，太陽電磁輻射、地磁場電磁輻射、雷電電磁輻射、靜電電磁輻射等自然產生的電磁輻射，以及地球輻射帶、磁層、電離層等自然形成的電磁環境。

人為電磁輻射正日益成為形成太空戰場復雜電磁環境的重要因素。近年來，世界航天活動越來越活躍，根據UCS科學家聯盟的最新數據，截至2018年12月1日，全球在軌運行衛星共1958顆，其中，地球同步軌道衛星558顆，中軌衛星124顆，低軌衛星1230顆，大橢圓軌道衛星45顆。隨著空間技術和信息技術的不斷融合，空間電子信息系統的類型和數量日益增多，電磁頻譜不斷擴展，信號樣式逐步豐富，衛星通信、衛星導航、衛星測控等電磁活動已常態化，這加劇了太空戰場形成信號密集、種類繁雜、對抗激烈、動態多變的復雜電磁環境。

2 太空環境對空間信息裝備的影響分析

2.1 影響航天裝備的在軌運行安全

2.1.1 影響航天器的軌道安全

高層大氣對航天器的阻尼效應，中性粒子、等離子體對航天器碰撞的機械作用以及地球磁場變化等因素都會增加航天器的飛行阻力，這是導致航天器軌道衰變、姿態變化、壽命減少的主要原因。以高層大氣為例，其阻尼效應與大氣密度、航天器垂直運動方向的截面積成正比，是低軌航天器主要的軌道攝動力，將導致航天器的飛行高度不斷下降、軌道收縮直至隕落。同時，高層大氣環境受太陽活動影響，當太陽活動劇烈時，將導致大氣升溫上升，高層大氣密度加大，而且高度越高，受太陽活動影響越大。美國1974年發射的“天空實驗室”，由于在設計階段未充分估計到太陽活動峰年的上述影響，于1979 年初隕落，這比設計壽命至少提前了兩年[5]。2003年的萬圣節太陽風暴事件中，我國“神舟五號”飛船的軌道下降嚴重，后經緊急軌控操作才恢復正常工作。

2.1.2 影響航天器的星體安全

硬毀傷：1)機械毀傷。微流星體/空間碎片對航天器的高速撞擊已成為航天器機械損傷甚至毀壞的重要原因。2009年2月11日，美國的“銥-33”商用通信衛星與俄羅斯已報廢的“宇宙-2251”軍用通信衛星發生碰撞，這是人類歷史上首次完整的在軌衛星相撞事件，引起了各航天大國對空間碰撞事件的高度重視。2)電學毀傷。空間輻照環境中的帶電粒子對航天器的總劑量效應、單粒子效應、充放電效應等，會導致航天器的材料性能改變以及電子元器件被擊穿而失效。2003年10月23日，發射入軌僅10個月的日本極軌觀測衛星“ADEOS-II”在3 min內電池輸出功率從6 kW突然下降到了1 kW，并且衛星所有的功能全部失效，事后調查發現，事故原因是太陽電池陣上的主輸電線纜由于持續的弧光放電而損毀了[6]。

軟損傷：高能帶電粒子不斷轟擊航天器表面，可造成航天器輻射損傷，更高能的粒子可穿過電子器件，在電子信號串中改變數據位，導致儀器發出混亂指令或提供錯誤數據，這就是單粒子效應。據統計，自1971年至1986年，國外發射的39顆同步衛星，由各種原因造成的故障共有1589次，由單粒子效應造成的故障共有621次，約占故障總數的39%[7]。“風云一號”B衛星主控計算機受到高能粒子輻射發生多次單粒子翻轉，最終導致姿態控制系統失效，僅工作了165天。

2.2 制約空間信息裝備的效能發揮

2.2.1 制約衛星載荷的作用效能

除了上述太空環境對航天器的“軟損傷”、“硬毀傷”會造成載荷性能降低或失效外，太空中存在的塵粒污染、氣體污染物、液體污染物和表面無機污染物也會影響載荷的性能。例如，當污染物沉積在光電傳感器的表面，或懸浮其視場內時，將使衛星圖像失真。同時，太陽紫外線輻照還會影響光學表面的反射率與透射率，加速材料老化，進而導致光電器件效能的降低或喪失。

2.2.2 制約天地信道的傳輸性能

太陽風暴等空間災害性天氣會引起電離層的分層結構混亂，從而干擾原本正常的無線電通信：電離層擾動使短波無線電信號被部分或全部吸收，從而導致信號衰落或中斷，預警雷達的可用頻帶也會因電離層突然騷擾而變窄；使衛星導航定位系統的精度下降，GPS衛星導航、定位誤差會因電離層而暴增至幾十米至幾百米，嚴重時甚至造成導航接收機失效，無法提供導航信息；使衛星通信的信噪比下降，誤碼率上升，通信質量下降，嚴重時可能造成衛星通信鏈路中斷[8]。1989年的“魁北克事件”，太陽風暴引發多起航天器運行故障，美國國家氣象衛星一度中斷向用戶發送云圖，海軍4 顆導航衛星被迫提前一年停止服務，軍事系統跟蹤的幾千個空中目標需要重新定位[9]。

2.2.3 制約地面系統的接收性能

太空環境是地面站數據接收天線背景噪聲的重要來源，其中最具代表性的是日凌現象。當衛星處于太陽與地面站之間的連線時，地面站天線在接收衛星下行信號的同時，也收到了直接射入天線的強烈的太陽輻射，使得信噪比大大下降，相對微弱的下行信號可能會被太陽噪聲淹沒，嚴重時甚至引起信號失鎖、鏈路中斷。對于地球同步衛星而言，日凌現象每年都會集中發生兩次，分別在春分和秋分前后連續數天發生，發生日期和持續時間與太陽活動、地面站的地理位置、接收天線大小和工作頻率有關[10]。

2.3 約束空間信息裝備的行動部署

2.3.1 約束作用區域的選擇

太空中不同空域的環境活躍度有所不同，要求空間信息裝備必須合理選擇作用區域、陣位、路線等，盡可能減小太空環境對航天裝備在軌運行安全和作用效能有效發揮的影響。

一要特別關注地球磁場分布的區域差異性。南大西洋輻射異常區位于南美洲東側南大西洋上空，是由于地球的負磁異常引起的，其間內輻射帶的高度明顯降低，最低高度可降至200 km左右，中心區域高能質子的通量是宇宙線背景的數百倍。它是引起低軌道航天器輻射危害嚴重的區域，是帶電粒子誘發的異常或故障的高發區。1991年7月，美國軌道高度為784 km的太陽同步軌道衛星“ERS-1”，在發射數天后，經過南大西洋上空時，因發生單粒子事件將電源燒毀而報廢[11]。

二要特別關注太陽活動影響的空間差異性。太陽風暴引起的某種空間擾動，在地球空間中的不同位置，響應程度有所不同。例如，在太陽質子事件中，由于地磁場的偏轉和屏蔽，不同地磁緯度和不同軌道高度上的高能粒子環境存在很大差異。對于同一軌道平面上運行的衛星，低高度上的高能帶電粒子數目較小；對于在同一高度運行的衛星，極區的高能帶電粒子數目更高[6]。

2.3.2 約束運用時機的選擇

太陽活動是日地空間環境的一個重要控制因素，也是空間環境擾動的源頭。太空活動表現出長時的周期性和短時的突發性，要求空間信息裝備通過空間環境的監測預報，科學選擇運用時機，成功避開太陽風暴等空間惡劣天氣的影響。

太陽風暴的周期性主要體現在太陽活動水平的周期變化。太陽活動水平具有11年左右的周期變化特征，有太陽活動高年和低年之分。通常在太陽活動高年，太陽風暴發生頻次較高，強度大；在太陽活動低年，太陽風暴發生頻次敵，強度相對較弱。美國“哥倫比亞”號航天飛機第1次飛行時，由于太陽風暴突發，造成高層大氣密度大幅度上升，航天飛機遇到的阻力比以前增加15%，幸虧帶有充足的燃料，采取了應急措施，才避免了機毀人亡的事故[12]。

研究還表明，單粒子效應和充/放電效應等誘發航天器在軌異常的主要問題，并非都與大的空間環境擾動(如太陽風爆、地磁暴等)同時發生，而是經常在1～2周時間內電子通量增強事件后才發生[13]。因此，空間信息裝備要深入研究空間環境影響的時序演變，充分利用好時間差，巧選戰機，出敵不意。

3 對策建議

3.1 加強太空環境效應研究

隨著航天器電子信息系統集成度的提高，空間環境效應已成為導致空間信息裝備在軌故障和失效的主要因素。必須加強太空環境效應研究，掌握可減弱空間環境對航天裝備使用影響的相關技術，延長航天裝備的在軌壽命，做好航天裝備保障。

太空環境效應的研究渠道主要包括地面實驗研究和空間飛行實驗研究。地面實驗研究既包括傳統的熱真空、沖擊和振動等例行試驗，還包括電磁輻射、粒子輻射、高速撞擊、原子氧剝蝕等專項試驗[14]。空間飛行實驗通過測量地球軌道空間的真實環境數據以及開展專項空間輻照實驗，研究空間環境對航天器的影響及對策：一是積累環境數據，用于航天器抗輻照能力評估、后續任務的抗輻照加固設計、開展空間環境擾動及其效應研究；二是監測空間粒子輻射環境，為航天器異常情況分析、處理服務；三是實時監測地球軌道空間的電子、質子等高能粒子擾動，警報災難性環境事件，為航天器的飛行控制管理、業務運行提供安全服務。

3.2 改進航天裝備的環境適應性水平

3.2.1 提高航天裝備的設計研制水平

到目前為止，國內外對空間環境效應的防護開展了卓有成效的研究，主要從材料/元器件的選擇、制作工藝、電路/程序設計、屏蔽封裝等方面提出了許多有效的防護措施，大體可以分為硬件加固技術和軟件加固技術兩大類[15]。

3.2.2 提高航天裝備的管理控制水平

錢學森指出：“產品的可靠性是設計出來的、生產出來的、管理出來的。”科學高效的航天器管理控制水平能夠保裝備安全，促戰斗力生成。首先要明確航天裝備適用的空間環境條件，掌握空間環境效應對航天器的影響及其引起異常、故障發生的原因和演變規律，提供航天器在軌運行安全的技術保障；其次，要根據航天裝備的任務需求、運行軌道的高度、在軌服役階段等情況，并結合當前空間環境的活躍度，密切監視航天器在軌狀態，及時排除異常、防止故障演變；最后，要科學管控載荷使用強度(主要是載荷開機次數、時長等)和任務時間，提高航天裝備的安全性和可靠性。

3.3 提高太空環境的情報保障

探測是基礎。空間環境探測是開展空間環境效應研究、遂行太空環境情報保障的基礎，要積極建設發展“天基與地基手段結合、專項型號與搭載試驗并舉、軍用與民用融合發展”的空間環境探測體系。目前，美軍已具備較強的空間環境探測能力，關乎國家安全的空間天氣探測設施和探測產品始終居于軍方控制之下。例如，在太陽觀測方面，美軍擁有分別位于澳大利亞、意大利、馬薩諸塞州、新墨西哥州和夏威夷州等地的太陽地基觀測網，對太陽實施號稱“日不落”式的連續觀測；在電離層探測方面，美軍擁有遍布美國全境和世界主要地區的電離層綜合探測網；在衛星軌道空間天氣探測方面，美軍擁有部署于GPS等系列衛星的天基空間天氣探測網[8]。同時，美軍特別注重空間環境探測及研究成果的業務轉化，例如，美國空軍著名的第55中隊，就是專門從事空間天氣業務的專業力量。

預報是關鍵。雖然人類對空間環境還缺乏全面深入的認識，但是隨著空間環境探測技術的發展，人們通過長期的觀測研究，已經能夠對空間環境影響及變化進行預報。當前開展的空間環境預報主要包括太陽質子事件預報、電離層擾動預報、地磁活動預報、高層大氣參數變化預報以及空間碎片碰撞預報。美國空間環境預報技術的發展已經比較全面，在實時監測多種空間環境參量的基礎上，利用歷史觀測資料建立起來的經驗模式以及物理模式等，發布多種預報產品，例如，每天發布3小時更新的地球物理警報信息、X-ray 事件、射電爆發事件、質子事件、高能電子通量、地磁突然騷擾、磁暴活動、平流層增溫等，未來3 天的包括太陽活動預報、地球物理活動預報等的太陽地球物理預報，未來45 天的Ap與F10.7預報、D區吸收預測等[16]。2003年的萬圣節太陽風暴事件中，NASA準確預報了10月29日有5級大磁暴，提前關閉AQUA、LANDSAT、5TERRA、TOMS、TRMM等5顆衛星上的探測器，使衛星安全度過了危險期[17]。

評估是根本。空間環境探測及預報技術的著眼點和落腳點在于保障航天器的在軌運行安全和空間行動的有力實施。空間信息裝備效能發揮離不開準確、及時、有效的太空環境情報保障。在航天器發射時，選擇合適的發射時間和軌道參數，可以避免空間環境的危害，例如，“神州一號”飛船原定發射時間為北京時間1999年11月18日7∶00，根據空間天氣預報，該時間點正是獅子座流星暴最強的時候，而11月20日流星體通量將回到正常水平，因此建議推遲2天發射，最終使飛船成功避開了流星暴的影響[12]。對于在軌運行的航天器，提前預報空間信息裝備運用期間可能遭遇的惡劣空間天氣的類型、強度、出現和持續時間、影響范圍等，評估太空環境對航天裝備的影響和危害程度，可為空間信息裝備運用的指揮決策提供情報支持：合理安排載荷工作計劃，科學選擇作用空域、路線和時機，巧妙而大膽地利用太空環境，進而充分發揮空間信息裝備的作用效能。

4 結束語

隨著空間技術與信息技術的不斷融合發展，太空已成為國家安全與發展利益的戰略“制高點”，空間信息裝備則成為聯合作戰體系的重要支撐。本文總結了當前太空環境的構成要素，分析了太空環境對空間信息裝備在軌運行安全、行動部署和效能發揮的影響，研究了提高太空環境情報保障的對策方法，有利于增強空間信息裝備對太空環境的適應性。