空间环境探测技术的发展现状与趋势

+ 王晓海 空间电子信息技术研究院 空间微波技术重点实验室

空间环境探测技术的发展现状与趋势

+ 王晓海 空间电子信息技术研究院 空间微波技术重点实验室

本文首先介绍了空间环境的基本含义，总结了空间环境的类型与特点，简单阐述了空间环境探测的主要内容和空间环境探测设备的基本情况，重点探讨分析了空间环境探测的发展现状与趋势，最后建议我国应加强对空间环境探测技术的研究探索，促进空间环境探测技术的快速发展。

空间环境 环境因素 空间环境探测 效应监测

1 引言

在人类智慧与科学技术的发展历程中，人类迫切希望认识和了解自己赖以生存的地球以外的世界，探索、观测、分析空间环境各个要素的组成、分布和变化规律，研究宇宙起源、发展及变化规律，对月球及火星等深空环境进行科学探测与研究，研究对空间环境具有重大影响的天体活动规律。随着航天事业的发展，人类活动空间不断向外太空延伸。空间环境正在越来越显著地影响着人类的各种生产、生活，成为除陆地、海洋和大气外的人类生存的第四环境。

空间环境是指日地空间对人类活动构成影响的所有环境因素，包括各种成分的带电粒子、中性粒子、各个波段的电磁辐射、电磁场、微流星体和空间碎片等。空间环境是卫星、飞船和空间站等航天器的运行环境，也是导航、定位、通信等卫星业务的路径环境。它所涵盖的区域包括地球高层大气、电离层、磁层、行星际空间以及太阳活动区域。空间环境中的各种效应对在轨航天器的安全运行以及航天员的身体健康构成了严重的威胁，同时对依赖于天基手段的人类活动造成了不同程度的影响。

图1 典型空间环境因素及其效应

探测空间环境，了解空间环境不仅是航天活动的重要科学目的，也是航天器安全保障的需要。由于变化的空间环境可能对航天活动和技术系统造成重大影响，因此，有必要全面开展空间环境探测与研究，了解和掌握空间环境的一般状况和变化情况，保障以航天器为依托的经济活动及科技活动的安全。空间环境探测不仅是人类对自身生存空间认知的需要，也是人类进入空间确保空间系统安全的需要。

图2 地球空间环境

2 空间环境的类型与特点

2.1 空间环境的类型

与航天器运行有关的空间环境可分为中性环境、等离子体环境、辐射环境和宏观颗粒环境4种类型。中性环境包括航天器周围的气体和从航天器表面材料释放出来的气体。因航天器的轨道不同，它们所经历的等离子体环境有很大差别。低地球轨道所处的环境为冷的、稠密的电离层等离子体，而地球同步轨道所处的环境是稀薄的、受亚暴直接影响的等离子体。电磁辐射环境包括太阳的电磁辐射和来自太阳、银河系以及辐射带的带电粒子。宏观颗粒环境包括微流星体和空间碎片。

2.2 空间环境的特点

空间环境具有以下特点：①受太阳辐射变化的直接影响；②受太阳风与行星际磁场的影响；③受地磁活动的直接影响：④变化的时间尺度范围宽，从几分钟到11年；⑤与航天器发生相互作用；⑥会使航天器以及通信系统产生各种效应；⑦受来自低层大气一些物理过程的影响，如声重波与雷电；⑧受人类活动的影响，如空间碎片的数量。

3 空间环境探测主要内容

空间环境探测的主要内容包括：空间环境扰动源的监测、空间环境状态及其变化监测、空间环境对人类活动的影响监测3个方面。

3.1 空间环境扰动源的监测

空间环境扰动的主要源头是太阳大气活动。太阳日冕物质抛射、高速太阳风、冻结在太阳风中的行星际磁场、行星际激波等是诱发地球磁层暴，进而产生热层暴的主要原因，而太阳耀斑等高能爆发活动，是地球电离层暴、太阳高能粒子等事件的源头。因此太阳耀斑、日冕物质抛射、太阳风、行星际磁场等是空间环境扰动源必须监测的内容。为了将扰动预报的时间提前，也需要对太阳大气活动的先兆现象进行监测，如太阳活动区、冕洞等的位置、结构和演化等。

上述太阳大气活动的可见光、射电波段监测主要在地面进行。天基遥感监测主要集中在远紫外、极紫外、X射线波段，为避免地球大气杂散光影响，也安排天基太阳日冕的可见光监测。现场监测主要针对太阳抛射的各种带电粒子、太阳风等离子体，以及行星际磁场等的监测。

3.2 空间环境状态及其变化监测

空间环境这里主要指人类活动最多的空间区域环境，它包括磁层、电离层和中高层大气。而深空环境的保障在我国目前还难以考虑，本文不做讨论。地球空问环境从监测对象分，包括：带电粒子、等离子体、中性粒子和电磁场。适宜以现场监测为主，遥感监测为辅。

带电粒子主要监测磁层和辐射带的捕获粒子，也监测来自太阳和宇宙的粒子。种类包括电子、质子和重离子成分，能量从eV到GeV，要求多方向监测。等离子体监测主要包括电子和离子的密度和温度等。中性粒子主要进行中高层大气的中性粒子密度、成分和风场的监测。电磁场的监测以磁场、电场监测为主，电磁波监测为辅。

遥感和路径监测主要是对中高层大气、电离层进行监测。包括大气温度、密度、成分、风场、气辉、高层闪电、电子密度总量、电子密度剖面等。

3.3 空间环境对人类活动影响的监测

空间环境对人类活动的影响范围较广。目前我国比较关注的是影响航天器和航天员安全的环境效应、影响通信导航定位等的电离层效应等。

以航天器、航天员安全为核心的空间环境效应主要包括辐射剂量效应、航天器表面及深层充放电效应、各种原因诱发的舱内瞬态电磁脉冲干扰效应、器件的单粒子效应、空间原子氧的剥蚀效应、航天器气体污染效应、空间碎片的碰撞效应和沙蚀效应等。

以影响通信、导航定位等的电离层效应，包括电离层的闪烁、法拉第旋转、信号相位和幅度漂移、信号失锁。

以保障服务为目的的天基空间环境监测，不同于以科学研究为目的的空间物理探测，最主要区别是空间环境监测需要连续性和长期稳定性。地面气象的连续稳定监测已得到广泛认可，天基空间环境监测也需要保持连续性和长期稳定性。

4 空间环境探测设备概况

空间环境探测设备分为天基和地基两大部分。天基空间环境探测设备是以卫星、飞船和空间站等航天器作为探测平台，对日地空间中带电粒子、中性粒子、等离子体、电磁场、电磁波等空间环境要素进行直接探测和遥感探测的设备。

天基空间环境探测设备种类繁多，从探测对象和工作原理可分为带电粒子探测设备、等离子体探测设备、中性大气探测设备、电磁辐射探测设备、电磁场及其波动探测设备以及空间环境效应探测设备等。根据探测区域不同可分为太阳大气活动探测设备、行星际探测设备、磁层探测设备、电离层探测设备、中高层大气探测设备、空间碎片监测设备和空间环境效应探测设备等。

太阳大气活动探测设备主要针对日面高能电磁辐射和日冕可见光进行探测。探测仪器具体包括太阳紫外流量计、太阳X射线探测器等高能电磁辐射流量和能谱类探测仪器，太阳紫外成像仪、太阳X射线成像仪、太阳分光日冕仪等成像类探测仪器以及太阳磁像仪等。

行星际探测设备主要针对太阳风、行星际磁场、太阳能量粒子事件、日冕物质抛射事件等进行探测。探测仪器具体包括太阳风等离子体探测仪、磁通门磁强计、太阳宇宙射线探测器、太阳能量粒子探测器、日冕物质抛射白光成像仪等。

磁层探测设备主要针对磁层中带电粒子和场进行探测。其中，带电粒子探测仪器具体包括高能质子探测器、高能电子探测器、宇宙射线成份探测器、中能/低能离子成份探测器、低能电子探测器、等离子体探测器等；磁场、电场和低频电磁波动类探测仪器具体包括磁通门磁强计、空间电场仪、电子漂移计、低频电磁波探测器等。此外，中性原子成像仪、极紫外成像仪等仪器用于对地球环电流和等离子体层进行成像探测。

电离层探测设备主要针对电离层中的等离子体密度、温度、漂移速度、总电子浓度和电子浓度剖面等进行探测。探测仪器具体包括电子/离子探针、质谱探针、光谱仪、磁力仪等。

中高层大气探测设备主要针对中高层大气密度、成份、风场和发光现象进行探测。探测仪器具体包括大气密度探测器、大气成份探测器、气辉探测器、紫外辐射探测器、法布罗意干涉仪等，而远紫外成像仪、X射线成像仪等用于极光卵的成像监测。

空间碎片探测设备主要针对太空中的微小碎片和微流星体等进行探测。探测仪器具体包括半导体探测器、压电薄膜探测器、等离子体探测器等。

空间环境效应探测设备主要针对辐射剂量效应、单粒子效应、充电效应、原子氧剥蚀效应等一系列环境效应进行监测和试验。探测仪器具体包括各种辐射剂量仪、线性能量传输谱探测器、单粒子事件试验仪、航天器表面电位探测器、深层充电探测器、舱内电磁脉冲探测器、原子氧剥蚀探测器、污染气体探测器等。

5 空间环境探测发展现状

20世纪60年代，空间活动刚刚起步，人类对空间环境的严酷性认识不足，对空间特殊环境及其效应不了解，航天器在轨故障率很高。随着空间活动的不断深入，人们逐步认识到空间环境是导致航天器在轨故障、早期失效的重要原因，并斥巨资建立了许多大型空间模拟器和动力学环境设备，同时对电子、质子、原子氧、紫外、电离层等离子体、微流星和空间碎片、污染等特殊环境及其效应开展了广泛的研究，以满足不同轨道航天器长寿命、高可靠的需求。随着空间环境及其效应研究日益受到重视，航天器在轨故障显著减少。

美国、欧洲等航天技术发达的国家都建立了完善的航天器空间环境工程研究体系，特别是建立了空间环境监测卫星体系，监测空间环境并发布监测、预警报告。收集的空间环境数据不但作为空间天气预报、警报的输入条件，也促进了空间环境模型的完善，有力地保障了在轨航天器的安全，最大限度地发挥航天系统的效能。

目前，专门的空间环境业务卫星应该说还不存在。对空间环境的监测主要是通过专门的空间环境研究卫星和在通用业务卫星上搭载空间环境监测设备两种方式实现的。许多空间环境研究卫星在实现科学目标的同时，形成了一定的业务能力，在常规的空间天气业务中起着重要的作用。空间环境的探测范围最初集中在地球附近轨道空间，随着人类探索太空空间范围的扩大，探测范围已逐渐扩大到日地行星际空间、日球空间，乃至太阳系之外。但就目前情况来说，空间环境探测还主要集中在日地空间。对空间环境的探测大致可以分为太阳／太阳风、地球磁层、热层／电离层几个区域。

科学卫星有明确的研究目的，但许多卫星为了实现科学目标而设计的科学探测载荷的探测结果同样可以满足空间环境建模、空间天气预报等业务需求。最为典型的就是美国研制发射的用于研究太阳天体系统的形成及演化过程的ACE（Advanced Composition Explorer）卫星，以及欧盟与美国联合研制发射的用于研究太阳内部结构、日冕及太阳风起源的SOHO（Solar and Hemispheric Observatory）卫星。ACE卫星的实时太阳风与行星际磁场观测数据，以及SOHO卫星的太阳X射线、紫外成像、太阳日冕成像与太阳磁场观测数据是日常空间天气预报、警报的重要数据。最近发射的Solar—B和STEREO（Solar Terrestrial Relations Observatory），能分别对太阳磁场三维结构和日冕物质抛射三维结构进行监测，具有非常重要的业务应用前景。许多空间环境探测卫星在开展空间环境过程研究和物理机制研究的同时，积累了大量长期观测数据，在空间环境经验模式的建立过程中发挥了重大作用。

由于空间环境覆盖面广，各区域相互作用过程复杂，仅靠专门的空间环境卫星很难完全满足专业研究和业务需求。因此，在其他业务卫星上进行搭载探测试验也是空间环境探测的重要手段。美国通过环境卫星GOES（Geostationary Operational Environmental Satellite）和POES（Polar orbiting Operational Environmental Satellite）、军事气象卫星DMSP（Defense Meteorological Satellite Program）、全球导航定位GPS卫星等各种系列卫星开展空间环境搭载探测，积累了大量不同轨道高度的高能粒子、等离子体和大气探测数据，为空间环境模型的建立与改进提供了重要数据基础。其中，GOES卫星上搭载的空间环境监测系统（SEM）能够对太阳X射线，近地空间的高能电子、高能质子及电磁环境进行监测，并将数据实时传送至美国空间天气预报中心（Space Weather Prediction Center,SWPC），直接用于空间天气业务预报。

通过专门的空间环境科学卫星和搭载卫星两种方式，目前已有的业务监测手段主要是通过ACE，SOHO卫星和DMSP，GOES，POES，GPS等卫星系列来实施的。监测对象包括太阳成像、太阳辐射通量、磁场和太阳爆发活动，太阳风等离子体、行星际，磁层粒子和磁场，极光成像等。基本覆盖空间环境主要业务范围，满足空间环境业务探测要素的基本需求。

近年来，随着新计划的实施，有些新的业务能力还将逐步形成。例如，新发射的COSMIC系列卫星和STEREO卫星将具备对电离层和太阳日冕活动监测的能力。欧洲的MetOp计划将增强极区空间环境探测能力，提升POSE卫星产品的数据刷新率。NPOESS（National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System）将替代POES系列和DMSP系列卫星，提供大大优于POES卫星的空间环境监测数据。新一代的GOES卫星将携带太阳极紫外探测仪，带动电离层、热层大气模式的扰动预测能力的提升，从而更好地服务于卫星轨道衰变预测。同时，由于卫星寿命问题和计划的不连续性，有些业务监测也会中断或失去，最典型的就是随着ACE卫星监测能力的丧失，空间天气业务将受到很大的影响。没有该卫星的探测数据，大量模式缺乏输入数据，预报中心的许多预报、警报能力将丧失。而目前除中国的夸父计划外，还没有其他替代ACE卫星的计划。

6 空间环境探测发展趋势

高能带电粒子和高层大气对航天器的安全危害最为严峻，所以未来几年内应将空间环境监测重点放在高能带电粒子辐射探测与高层大气环境监测，另外辅助探测等离子体环境、空间碎片和磁场等。

6.1 带电粒子探测

带电粒子辅射环境是航天器设计、航天员安金最为关心的环境。轨道空间的带电粒子具有区域、方向和能谱分布的特点，并随空间环境扰动变化剧烈。空间粒子辐射的影响与飞行器的构形结构、姿态、器件材料的质量等级、可靠性设计等密切相关。

6.2 轨道大气探测

高层大气在太阳耀斑、地磁暴期间，被高能辐射和带电粒子加热，大气密度会有几倍至几十倍的增加，使航天器轨道下降很快。高层大气的主要成分为原子氧，其强烈的活跃性能，对航天器表面材料、光学镜头、太阳电池均具有一定的剥蚀和污染效应。高层大气探测对航天器的轨道和姿态控制具有意耍的意义，同时对光学仪器和太阳电池的效率下降分析有一定的参考价值。

6.3 等离子体探测

监测轨道空间的等离子体中的电子、离子密度和翻度的空间分布和时间分布。研究电离层等离子体对太阳活动、磁暴、亚暴等空间天气现象的响应特性。电离层中的电子密度和温度是重要的电离层参数，它可导致电磁信号的吸收、闪烁、延迟和法拉第旋转等。

6.4 空间碎片探测

以微小空间碎片和微流星体探测为主，实测轨道空间的微小颗粒的数量和撞击强度。特别监测可能的“阵雨”型空间碎片和微流星体，评估空间碎片撞击风险，确认微小空间碎片的密度分布。

6.5 空间磁场探测

空间磁场也是空间环境重要的物理参数之一，空间磁场直接控制等离子体粒子的运动特性。同时，空间等离子体变化产生的感应磁场为人们研究、监测和预报空间环境变化提供了有用的信息。空间磁场的变化反映出空间环境显著的变化特征。探测航天器经过区域的磁场参数为空间环境研究提供探测数据。

7 结语

空间环境探测对于卫星在轨运行阶段避免风险和进行故障诊断具有直接的作用，还有利于改进空间环境防护措施；另外，随着高性能器件、新型材料和高灵敏度探测器在航天工程中的应用，不可能在设计阶段完全避免空间环境引起的风险，所以空间环境及效应监测成为保障卫星长寿命、高可靠，提高卫星空间环境适应性设计水平的重要环节。

空间环境探测系统对于保证我国各类卫星长期在轨运行，提高我国空间环境适应性设计水平，促进国产高性能芯片和低等级芯片在空问低风险的应用，满足各类应用卫星对提高性能的迫切需求，促进我国空间环境及效应领域的持续发展特别是地面试验方法的改进和仿真分析工具的开发等多方面都具有重要的意义。

因此，建议我国应加强对空间环境探 测技术的研究探索，促进空间环境探测技术的快速发展。

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王晓海（1978.12-），男，硕士研究生/工程师，空间电子信息技术研究院空间微波技术重点实验室。主要从事卫星有效载荷技术情报搜集与研究分析工作。