用蒙特卡罗方法研究卫星内部带电问题

由高能电子引起的卫星内部带电，是危害地球同步轨道卫星主要的空间环境效应之一．内部带电的物理机制和相应的卫星设计规范研究，近年来受到国际空间界的高度重视．本文用蒙特卡罗方法，通过模拟高能电子对电介质轰击后在介质中产生电荷沉积，计算了轰击后电介质内部最大电场强度，并进而分析了电介质内部电场与电子能量、屏蔽厚度及介质厚度的关系．该结果对卫星设计有重要参考价值．     

航天器微波部件微放电诱导低气压来源分析

航天器微波部件低气压放电效应是威胁航天器电子设备安全运行的一种特殊效应，而部件材料表面吸附气体脱附后为低气压放电提供了必要的条件。首先对比了微放电与低气压放电的区别，阐述了低气压放电破坏效应的产生根源。通过理论分析与计算，对比了热效应和电子轰击效应对不同键能吸附气体的脱附效率。结果发现，热致脱附主要造成低键能物理吸附气体的解吸附，电子轰击效应可造成高键能的化学吸附气体的解吸附。阐明了由二次电子倍增引起的电子诱导解吸附过程是星载微波部件内低气压环境的主要形成原因。最后讨论了通过部件材料表面处理及提高二次电子倍增阈值的低气压放电效应抑制方法。     

基于多相关器的GPS信号质量监测技术

导航卫星的信号质量是影响系统定位性能的一个关键因素,当卫星自身硬件设备或空间传播信号受到干扰时,会导致卫星信号波形失真,用户接收机的伪码相关器产生的相关峰会产生偏差,造成定位精度下降;情况严重时,会使用户失去定位能力。因此,通过对空间信号的监测可以进一步保障系统的服务性能。文中借鉴现有的信号质量监测技术,对GPS信号失真的原因进行了总结,按照TMA、TMB和TMC完成失真信号的建模,并定性分析了对测距的影响。给出基于多相关器的导航信号质量监测方法,使用上述三种模型验证了该判定方法的有效性。     

地基伪卫星系统多址测距误差的校正算法

相对于卫星导航,地基伪卫星与接收机距离较近,测距中不涉及电离层传播等误差,易实现高精度测距和定位。但由于地基伪卫星位置固定,在信号连续发射模式下伪卫星信号间的多址干扰(MAI)会引起相对恒定的测距误差,针对地基伪卫星系统这一特点,提出一种基于反馈串行干扰抵消(SIC)的测距算法。首先对全部伪卫星信号进行捕获跟踪和功率估计,然后通过串行干扰抵消算法降低强功率伪卫星信号对期望测距信号的干扰,通过反馈模式进一步提高干扰抵消算法的性能。仿真结果表明,该方法可有效改善地基伪卫星系统强远近效应区域内的测距性能,不考虑其他误差下在强远近效应区域内基于码环可将伪卫星测距性能从10 m以上降低到约0.3 m。     

屏蔽材料对木星轨道卫星内部介质充电效应的影响研究

在木星轨道的空间辐射环境中,占主导地位的粒子是能量大于1MeV（甚至高于100MeV）的高能电子,这可能会产生卫星内部介质充电效应。在卫星的防辐射设计中,通常需要一定厚度的材料来屏蔽这些电子,使得进入卫星内部的电子通量达到安全的水平。利用所建立的GEANT4-RIC（radiation induced conductivity）方法,研究了运行于木星轨道的卫星对高能电子的最佳屏蔽材料设计。研究了铝、钛、铁、铜、钽和铅作为卫星屏蔽材料的可能性。研究结果表明,在木星探测任务中,为了减轻卫星内部介质充电效应,高原子序数材料比低原子序数材料在相同质量下提供的屏蔽效果更好。因此,用钛、铁、铜、钽或铅代替地球轨道卫星上常用的屏蔽材料铝,可以节省屏蔽质量。     

由高能电子引发的风云二号C星跳变事件概率分析

通过对地球同步轨道高能电子监测数据(来自GOES)与风云二号卫星跳变事件的对比分析发现, 跳变事件均发生在高能电子增强事件即所谓高能电子暴期间, 因此初步断定, 跳变事件与高能电子引起的卫星介质深层充放电事件有关. 通过对不同通量高能电子增强事件期间所发生的跳变事件发生率进行量化计算, 给出跳变事件发生概率的计算方法, 为卫星在轨运行管理及防护提供参考.      

伪距波动原因中的星体多径因素排除

针对卫星可视弧段内伪距测量异常波动现象，从信号质量监测角度研究了卫星可视弧段内导航信号测距偏差变化问题，确认伪距波动是否由星体多径引起.利用大口径天线跟踪北斗卫星，采用两套采集设备实现了卫星可视弧段内的B1频点信号多次高载噪比采集，根据基于参考波形的测距偏差估计方法分别处理多组采集数据，获得了不同仰角上的测距偏差.在一个仰角下的采集数据，当滤波器带宽远远大于信号带宽时，采样率与下变频器均不同的两套采集设备获得的测距偏差相同，且测距偏差均与相关间距及滤波器带宽有关，但当滤波器带宽超过15MHz后，测距偏差的差异可以忽略.比较不同仰角下的测距偏差，在卫星可视弧段内测距偏差变化很小，因此认为星体多径引起卫星可视弧段内信号质量的变化不是伪距测量异常波动的原因.      

太阳帆板驱动机构内带电效应试验

太阳帆板驱动机构（Solar Array Drive Assembly,SADA）是长寿命、大功率航天器能源系统的关键部件.在空间高能电子环境下,SADA内部会发生静电放电甚至诱发二次放电,导致航天器丧失能源.利用双束加速器建立试验平台,对SADA进行内带电效应试验.试验中高能电子束的电子能量为2MeV,束流密度为5pA·cm-2,模拟SADA工作电压为50~150V,工作电流为0.5~1.5A.试验样品充电电位在辐照5h后达到平衡,形成的电场约为5×106V·m-1.相同工作电流下的放电次数随工作电压增大而明显增加,说明工作电压形成的电场与高能电子沉积形成的电场叠加会增加SADA发生放电的风险.依据试验结果,提出SADA抗内带电设计方案:一是降低SADA介质盘的体电阻率;二是改进导电环结构体的结构设计,降低导电环间电压在介质盘上形成的电场.      

强电磁场真空击穿中的电子束轰击初步研究

当前,抑制强电磁场真空击穿的方法主要是结构改进和工艺处理,对于提高材料耐电子轰击性能来抑制击穿的研究相对较少。文章主要结合Monte-Carlo方法和Bethe能量损失规律,研究了兆电子伏级能量的电子垂直入射金属靶材的能量损失规律。研究表明,材料原子序数和原子密度越小,电子在材料中的有效射程越长,单位体积内沉积的平均能量越低,从而越有利于材料耐受电子束轰击。在此基础上,通过试验比较了铜、不锈钢和钛三种材料耐电子束轰击的性能,在相同的电子束能量下,铜由于密度最高而最容易受到电子束轰击破坏,密度最低的钛材料具有最好的耐电子束轰击性能。进一步的高功率微波（HighPowerMicrowave）试验证实,相对于不锈钢材料,在2.8GW输出微波功率水平下,使用耐电子轰击性能更优的钛材料能够将输出微波脉宽由18ns增加到27ns,由强电磁场真空击穿引起的脉冲缩短明显得到有效抑制。     

几种材料的磁层亚暴环模试验

<正> 一、引言星际空间存在运动着的带电粒子。当太阳风粒子到达地球磁层顶且随着太阳风粒子而来的星际磁场,指向地磁南极时,太阳风中的感应电流产生的附加场使地磁场发生畸变。迎着太阳的一面较为扁平,而背着太阳的一面形成一个很长的磁尾。在磁尾区,太阳风粒子的注入(它们的能量为几十电子伏到几千电子伏)引起了高能粒子的大量增加。这些高能粒子在     

高中低能电子联合辐照电介质薄膜充放电效应

高能(350KeV)-中能(18—30KeV可调)-低能(4—5KeV可调)电子联合辐照聚酯薄膜和特氟隆薄膜,得到与中能电子辐照、高-中能电子联合辐照以及中-低能电子联合辐照不同的结果。实验结果表明,高能电子能诱发电介质薄膜充放电。特氟隆薄膜的三能电子联合辐照实验结果与Coakley和Treadaway的1-100keVdN/dE∝E~(-2)谱电子辐照实验结果以及NASCAP计算机模拟结果符合。得出结论,三能电子联合辐照可较为完善地模拟静止卫星电介质的充放电效应。论证了选用三种能量电子的充分性和必要性。推断出,如果在星食期遇到象1979年4月24日磁层亚暴事件,则静止卫星表面某些电介质局部电位有可能超过SCATHA卫星近期数据给出的和NASCAP计算的-2—-4KV,而且会出现大的放电。     

用蒙特卡罗方法研究质子在航天器内部充电中的作用

介绍了航天器内部充电的基本物理机制, 重点研究了质子在内部充电中的作用. 用蒙特卡罗方法模拟质子在介质中的输运过程, 计算了简化的平板介质在一定通量的粒子环境中的内部充电情况. 结果表明, 介质内部最大电场与入射质子能量有关, 当质子能量达到14 MeV时候, 内部电场最强; 当质子与电子的入射数目相同, 并且材料参数一样时, 质子产生的最大电场大于电子产生的最大电场. 选取2004年7月26日TC-2卫星姿控分系统故障前的质子和电子通量数据, 分别计算了二者可能引起的内部最大电场. 计算结果表明,质子产生的最大电场比电子产生的最大电场小2~4个数量级, 并且远小于击穿电场; 在某些极端情况下, 例如质子产生的电场和电子产生的电场方向一致的时候, 电场的叠加会使局地电场得到加强.      

影响卫星故障的空间天气分析

基于美国国家地球物理数据中心(NGDC) 2384例和中国19颗卫星的263例卫星故障信息, 结合1963-2012年小时平均的多种空间环境数据, 定量分析了三种卫星故障发生期间的空间要素特征, 探讨单粒子锁定(SEU)、表面充电致静电放电(ESD)和内部深层充电所致电子引起的电磁脉冲(ECEMP)与空间天气事件的可能联系, 得出以下主要结论. (1)大部分SEU和ECEMP发生于空间天气平静时, 但在其前后3日内地磁活动达到了磁暴水平, 相对来说比例最大的发生在Dst_min之后第3日 (48～72h). (2) ESD受地磁活动和高能电子通量影响明显. 与磁暴、相对论电子通量增强事件的季节性相对应, 两分点附近ESD和ECEMP的发生率高; 93.6% 的 ESD发生前后72h内地磁活动达到磁暴水平, 故障发生时间均匀分布在 Dst_min前0～48h 和后0～24h; 54.9%的ESD 发生时处于地磁暴期(Dst <-30nT), 以-50～-30nT的小磁暴水平居多; 40.6%的ESD发生于高能电子通量高水平期(≥ 103pfu, 1pfu =1cm-2·s-1·sr-1), 81.9%的ESD发生前后72h 内高能电子通量峰值≥ 103pfu, 发生率最高时段为电子通量峰值前 48～72h. (3)高能电子对中国同步轨道卫星的SEU影响明显, 42.5% 故障发生 时高能电子通量≥ 103pfu, 故障在峰值前48～72h和峰值后48～72h 的发生概率相当, 约为23.0%. (4)同步轨道卫星SEU受太阳质子事件的影响相对较大, 22.5%的中国同步轨道卫星故障发生前后72h内发生了太阳质子事件, 季节性不明显.      

指路明灯--导航卫星

火车汽笛的音调,在驶近的时候会升高,而远离的时候会降低。像这种声源在相对运动中频率变化的现象称为多普勒效应。无线电波同样也有多普勒效应。美国霍普金斯大学利用多普勒效应对苏联第一颗人造卫星进行了跟踪试验,结果发现,当卫星在近地点时信号频率就增加,远地点时信号频率就降低。因为卫星轨道是已知的,所以接收卫星信号的接收机不论处于何方,它的位置都能被测定。这样,卫星就起着全天候北极星     

霍尔推力器分割高偏压电极等离子体放电特性

霍尔推力器通道等离子体与壁面有很强的相互作用,为了降低壁面腐蚀,提高在轨寿命, 针对推力器全通道放电过程建立二维物理模型,采用粒子模拟方法（Particle In Cell）,数值研究了电离区壁面分割高于阳极偏压的低发射石墨电极对推力器放电特性的影响,讨论了放电通道电势、离子数密度、电子温度、电离速率及比冲的变化规律。结果表明：在电离区不同位置分割高偏压电极对等离子体放电特性影响明显,电极位置在电离区前端时,电极偏压高于阳极电压60V时通道内放电等离子体参数几乎不变。而电极位置在电离区末端,电极偏压高于阳极电压18V时就会导致加速区轴向扩张,离子聚焦效果强,电子温度显著升高,电子与壁面相互作用减弱,羽流发散角减小。由此推力器比冲提升约12%,寿命延长,性能提高。     

地球同步轨道高能电子通量预报方法研究

统计分析了GOES卫星测量得到的E > 2MeV能道电子通量与地磁Ap指数及太阳风数据的关系, 构建了基于径向基函数RBF的神经网络模型框架, 对GOES-12卫星所处的地球同步轨道高能电子通量进行提前1天的预报, 其对2008-2010年数据预测的效果较好. 另外, 发现在GOES-12卫星观测的E >2MeV能道高能电子达到108 cm-2·d-1·sr-1以上时, FY-2D卫星的测量数据同时达到108 cm-2·d-1·sr-1以上的比例达到90%左右. 通过对FY-2D卫星E >2MeV能道电子通量与GOES卫星E>2MeV电子通量的相关性分析, 建立了FY-2D卫星高能电子预报模型, 预报结果与实测通量符合较好.      

抢救一颗卫星点亮漫天繁星

正1991年2月14日,除夕。我国第二颗气象卫星——风云一号B星在900公里高度的轨道上运行,经过地球极区和南大西洋上空的带电粒子密集区时,因受空间高能粒子轰击,星上计算机工作紊乱,卫星姿态失控。若不及时抢救,曾向地面源源不断发送高质量气象云图资料的它,将会变成一颗"死星",落成太空多余物。没有烟花,没有春晚,没有团圆饭。风云卫星战线上每一个人的心都为天上的卫星紧紧揪着。     

基于经验模态分解的地球同步轨道高能电子通量预报

在磁暴恢复相期间,大量相对论(高能)电子从磁层的外辐射带渗透到地球同步轨道区.其中> 2 MeV的高能电子能够穿透卫星表面并聚积在材料内部,导致卫星无法正常运行或完全损坏.磁暴期间的高能电子通量变化的非平稳与非线性特征十分明显.通过实验发现,经验模态分解法能够极大地降低高能电子通量非平稳性问题造成的预报影响.以2008-2009年的数据作为训练集,2010-2013年数据作为测试集.结果表明:2010-2013年的预报率约为0.84;在太阳活动较为复杂的2013年,预报率达到0.81.引入经验模态分解后预报效率得到显著提高.     

上游太阳风中高能电子向同步轨道区的传输

通常认为，同步轨道区的电子通量增加是由于磁暴或者上游太阳风高速流的扰动所引起．近来的观测表明，起源于太阳活动的行星际高能电子也是引起同步轨道电子通量增加的重要原因之一．Zhao等在研究2000年7月14日太阳剧烈活动时发现，同步轨道区相对论电子通量巨幅增加时没有观察到上游太阳风高速流的扰动，并且磁暴发生在电子通量事件之后．采用解析磁场模型和实际磁场模型(T96模型)模拟来自太阳的相对论电子在磁尾中的运动特性．计算结果表明，当行星际磁场南向时，进入到磁尾的行星际相对论电子可以从较远的磁尾区域运动到同步轨道区域．这一研究结果从理论上论证了起源于太阳活动的高能电子可以对同步轨道区相对论电子通量的增加产生重要的作用．     

电子束撞击介质表面引发的带电现象分析

现有关于介质微波部件微放电的相关研究多从谐振条件及出射电子产额方面出发分析微放电发生原因及其抑制方法,而很少分析航天器表面电位对于微放电发生的影响。文章对碰撞电子与介质表面相互作用后二次电子发射特性进行综合分析;重点研究了不同介质表面初始电位情况下,恒定能量的电子束流持续轰击介质表面时介质表面电位及电子束流碰撞能量的变化趋势;并对稳定后的电子束流碰撞能量和介质表面电位进行了理论计算,计算结果表明系统平衡状态时的表面电位受初始电子能量及第二临界能量影响有明显改变。此外,文章探究了单一能量及连续能量入射介质表面时表面带电对于二次电子发射的影响,研究表明：带有电位φ的表面会使临界能量发生偏移量-eφ的相对偏移;对于连续能量的入射电子束,介质表面带电会很大程度上改变入射电子束的能量范围,从而影响微放电发生的风险。