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.      

辐射带高能电子通量波动与地磁暴警报

地球磁场捕获带电粒子形成辐射带,地磁场的扰动将导致带电粒子通量的变化.根据磁暴期间外辐射带高能电子通量起伏和波动的特点及规律,利用GOES卫星实时发布的5min分辨率高能电子微分通量数据,构建了高能电子通量波动指数,并分析了该指数与地磁活动的关系.结果表明,所提出的高能电子通量波动指数与地磁事件有很好的相关性,能起到地磁暴发生的指示剂作用,相对于目前空间环境业务化预报过程中广泛使用的3hKp指数,高能电子通量波动指数能更早地警报地磁暴的发生,是潜在有效的地磁暴警报辅助手段,能为空间环境预报中的地磁暴实时警报提供重要参考.      

哨声模合声波与地球同步轨道高能电子通量增强事件事例研究

局部加速机制是磁暴期间地球外辐射带高能电子通量增强事件发生的重要原 因. 此加速机制需要两个基本条件, 一是存在种子电子, 二是存在能与种子 电子产生共振的加速波动, 包括哨声模合声波. 通过对2004-2006年 Pi1地磁脉动持续时间与种子电子通量的相关性分析, 更明确提出Pi1地磁脉 动的持续时间可以作为种子电子通量的指示剂. 通过对三个磁暴事例地球同 步轨道的种子电子通量、高能电子通量及哨声模合声波变化情况的分析, 发 现在高能电子通量较强的事例中, 均观测到较高的种子电子通量和较强的 哨声模合声波, 这在一定程度上验证了哨声模合声波对种子电子的回旋加速 机制, 且合声波强度与高能电子通量有正的相关性.      

FY-3A卫星星内辐射剂量评估与分析

对FY-3A卫星近四年的辐射剂量数据进行分析,结果表明,在1 mm铝的等效屏蔽厚度下,星内辐射剂量存在显著的方向性差异,+Y向剂量增长变化显著大于+Z向.深入分析剂量变化与带电粒子辐射关系后发现,太阳质子事件期间的高能质子增长不会对辐射剂量增长变化产生显著影响;而高能电子是剂量增长变化的主要贡献者,其中扰动导致的高能电子通量强增长是使得辐射剂量显著增加的主要原因,并显著影响到卫星+Y向.进一步与工程常用SPENVIS剂量计算结果的对比表明,实测能更好地反映剂量动态变化和方向差异.综上,实测剂量数据对于同类工程星内器件的合理布局和工程防护设计具有一定指导和参考价值.     

地球同步轨道高能电子增强事件预报方法

分析了地球同步轨道高能电子通量增强事件的发生规律及其与太阳风和行星际磁场参数的关系，并在此基础上建立了基于人工神经网络的高能电子增强事件模式，经实测数据检验，预报模式可以对未来1天的高能电子通量进行预报，误差为8．2％，达到了较高水平．     

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.     

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.      

第21～24太阳周4类空间天气事件爆发特征统计分析

对第21～24太阳周不同等级的太阳X射线耀斑事件、太阳质子事件、地磁暴事件及高能电子增强事件的爆发频次特征进行统计,结果表明:太阳周耀斑爆发的总数量与该太阳周的黑子数峰值呈正比,耀斑总数、X级耀斑事件数与峰值的相关系数分别为0.974,0.997;太阳质子事件主要发生在峰年前后1～2年,约占总发生次数的80%,峰值通量大于10pfu （1 pfu=1 cm-2·sr-1·s-1）的质子事件中,84%伴有耀斑爆发,并且主要伴随M或X级耀斑,少量伴随C级耀斑,峰值通量大于1000pfu的质子事件中,98%伴随M或X级耀斑,并且以X级耀斑为主;第21,22,23和24太阳周发生地磁暴最频繁的时间分别在1982,1991,2003年和2015年,分别滞后黑子数峰值时间3年、2年、2年和1年;72%的高能电子增强事件发生在太阳周下降期,24%的高能电子增强事件发生在太阳周上升期.      

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．     

A comparison of two different types of geosynchronous satellite measurements during the 1989 solar proton events.

The proton telescope aboard the GOES-7 satellite continuously records the proton flux at geosynchronous orbit, and therefore provides a direct measurement of the energetic protons arriving during solar energetic particle (SEP) events. Microelectronic devices are susceptible to single event upset (SEU) caused by both energetic protons and galactic cosmic ray (GCR) ions. Some devices are so sensitive that their upsets can be used as a dosimetric indicator of a high fluence of particles. The 93L422 1K SRAM is one such device. Eight of them are on the TDRS-1 satellite in geosynchronous orbit, and collectively they had been experiencing 1-2 upset/day due to the GCR background. During the large SEP events of 1989 the upset rate increased dramatically, up to about 250 for the week of 19 Oct, due to the arrival of the SEP protons. Using the GOES proton spectra, the proton-induced SEU cross section curve for the 93L422 and the shielding distribution around the 93L422, the calculated upsets based on the GOES satellite data compared well against the log of measured upsets on TDRS-1.     

FY-3A卫星与NOOA系列卫星高能带电粒子实测结果的比较

FY-3A卫星是运行于830 km高度的太阳同步轨道气象卫星,其搭载的空间环境监测器可观测3～300 MeV的高能质子和0.15～5.70 MeV的高能电子.FY-3A卫星在轨工作期间,太阳活动处于由谷年向峰年过渡期,空间环境非常平静,探测结果显示3～300 MeV的高能质子分布主要集中在南大西洋辐射带异常区,0.15～5.70 MeV的高能电子分布区域除南大西洋异常区外,还分布在南北两极高纬区域.FY-3A与NOAA卫星测量结果反映出带电粒子强度及分布区域随投掷角变化的空间各向异性特征.本文在充分考虑了带电粒子时间、空间分布差异以及比对探测器之间自身设计差异的前提下,经过归一化处理后,首次对两颗卫星同期探测结果进行相关性分析,验证了两颗卫星相同时空条件下高能带电粒子通量分布的一致性;说明FY-3A空间环境监测器不仅具备空间带电粒子辐射监测能力,且探测结果有效可靠,可用作辐射带环境数据源的组成部分,为发展新的模型,深入研究辐射带高能粒子的分布、起源和传输等提供新的观测依据.     

FY-3A卫星与NOAA系列卫星高能带电粒子实测结果的比较

FY-3A卫星是运行于830 km高度的太阳同步轨道气象卫星, 其搭载的空间环境监测器可观测3~300 MeV的高能质子和0.15~5.70 MeV的高能电子. FY-3A卫星在轨工作期间, 太阳活动处于由谷年向峰年过渡期, 空间环境非常平静, 探测结果显示3~300 MeV的高能质子分布主要集中在南大西洋辐射带异常区, 0.15~5.70 MeV的高能电子分布区域除南大西洋异常区外, 还分布在南北两极高纬区域. FY-3A与NOAA卫星测量结果反映出带电粒子强度及分布区域随投掷角变化的空间各向异性特征. 本文在充分考虑了带电粒子时间、空间分布差异以及比对探测器之间自身设计差异的前提下, 经过归一化处理后, 首次对两颗卫星同期探测结果进行相关性分析, 验证了两颗卫星相同时空条件下高能带电粒子通量分布的一致性; 说明FY-3A空间环境监测器不仅具备空间带电粒子辐射监测能力, 且探测结果有效可靠, 可用作辐射带环境数据源的组成部分, 为发展新的模型, 深入研究辐射带高能粒子的分布、起源和传输等提供新的观测依据.      

X-ray, γ-emission and energetic particles in near-Earth space as measured by CORONAS-F satellite: From maximum to minimum of the last solar cycle

The Russian solar observatory CORONAS-F was launched into a circular orbit on July 31, 2001 and operated until December 12, 2005. Two main aims of this experiment were: (1) simultaneous study of solar hard X-ray and γ-ray emission and charged solar energetic particles, (2) detailed investigation of how solar energetic particles influence the near-Earth space environment. The CORONAS-F satellite orbit allows one to measure both solar energetic particle dynamics and variations of the solar particle boundary penetration as well as relativistic electrons of the Earth’s outer radiation belt during and after magnetic storms. We have found that significant enhancements of relativistic electron flux in the outer radiation belt were observed not only during strong magnetic storms near solar maximum but also after weak storms caused by high speed solar wind streams. Relativistic electrons of the Earth’s outer radiation belt cause volumetric ionization in the microcircuits of spacecraft causing them to malfunction, and solar energetic particles form an important source of radiation damage in near-Earth space. Therefore, the present results and future research in relativistic electron flux dynamics are very important.     

星载半导体电子探测器关于辐射带电子探测的一些结果

本文给出了我国卫星上半导体电子探测器的一些探测结果。通过对数据的分析,得到了内辐射带中心区电子通量的典型值,大于0.5MeV和1.0MeV两个能档的全向通量分别为1.9×108和6.7×107ele./s·cm2.同时也给出了在典型轨道上电子通量随时间的变化剖面。此外,还得到了同步高度上述两个能档电子的全向通量分别为20.43×106和4.25×105ele./s·cm2.同时也给出了观测到的同步高度外辐射带电子的日变化。结果与国外观测资料基本相符。      

2010年4月地球同步轨道相对论电子增强事件分析

为研究2010年4月地球同步轨道相对论电子通量异常增强事件的原因, 选取了2004-2010年之间高速太阳风下7个类似事件进行对比分析. 探讨了多种可能导致此次异常事件的太阳风和地磁条件. 结果表明, 较弱的磁暴使得相对论电子高通量区域更接近同步轨道, 此外, 哨声波加速很可能在2010年4月地球同步轨道相对论电子通量异常增强事件中起到重要作用. 磁暴强度与种子电子的注入深度密切相关, 表现为Dst指数曲线的形态与能量为30～100keV的电子高通量区域的下边缘高度吻合. 能量为30～100keV电子的注入深度影响了能量大于300keV的电子出现的磁层区域. 此事件中, 由于磁暴相对较弱, 种子电子向内磁层注入的深度较浅, 更靠近同步轨道区域, 这使得相对论电子大量出现的区域也靠近同步轨道, 最终导致同步轨道相对论电子通量异常增强. 另外, 2010年4月地球同步轨道相对论电子通量异常增强事件中, 高强度的亚暴提供了充足的种子电子并加强了波粒相互作用, 这也是相对论电子增强的必要条件.      

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。