地球同步轨道系列卫星自主空间辐射环境监测及应用

王春琴，张 鑫，张立国，张如意，金历群，孙越强，荆 涛，张珅毅，张焕新，沈国红，张效信，李嘉巍，杨晓超，常 峥

(1.中国科学院 国家空间科学中心,北京 100190； 2.天基空间粒子辐射环境探测北京市重点实验室,北京 100190； 3.上海卫星工程研究所,上海 201109； 4.中国气象局 国家空间天气监测预警中心,北京 100081)

地球同步轨道系列卫星自主空间辐射环境监测及应用

王春琴1,2，张 鑫1,2，张立国3，张如意3，金历群3，孙越强1,2，荆 涛1,2，张珅毅1,2，张焕新1,2，沈国红1,2，张效信4，李嘉巍4，杨晓超1,2，常 峥1,2

(1.中国科学院 国家空间科学中心,北京 100190； 2.天基空间粒子辐射环境探测北京市重点实验室,北京 100190； 3.上海卫星工程研究所,上海 201109； 4.中国气象局 国家空间天气监测预警中心,北京 100081)

对地球同步轨道空间辐射环境监测及应用进行了研究。给出了持续开展的国外GOES系列卫星和国内FY-2系列卫星的地球同步轨道空间粒子辐射探测介绍，以及AE8和AP8、AE9和AP9、POLE、FLUMIC等用于地球同步轨道带电粒子辐射环境评估的经验模型发展。我国自主高能带电粒子辐射监测自20世纪90年代中后期开始，FY-2系列卫星上的带电粒子探测仪器经过了两代卫星的技术巩固和第三代卫星的创新发展，实现了更精细的能道划分并拓宽了对带电粒子辐射能谱的探测。介绍了用FY-2系列卫星获得的不同扰动状态下高能电子能谱特性，兆电子伏特级高能电子快速、缓慢增强事件，以及与GOES-13，15卫星联合应用分析高能电子不同地方时动态与太阳质子事件动态演化结果。用FY-2系列卫星获得的观测数据能准确、灵敏反映轨道空间高能带电粒子的动态变化；与GOES系列卫星的同期观测结果比较既反映出相对平静时的趋于一致性，又反映了强扰动下的显著短时局地差异，这为开展该轨道粒子辐射实测数据多星联合分析，发展磁层对扰动响应更全面、更复杂的图像，为带电粒子起源、重新分布、损失机制等深入研究提供了可能。在最新的第一代静止气象卫星FY-4卫星上，带电粒子探测仪器兼顾了能谱和方向的设计，既具备FY-2系列卫星平台高能电子、质子全能谱的探测，又增加了高能电子的多方向探测。目前除GOES系列卫星以外，仅有我国地球同步轨道系列卫星可提供持续的轨道空间粒子辐射环境长期实测记录，数据的长时间积累和信息丰富将促进地球同步轨道空间粒子辐射经验模型向更精细化的方向发展，并推动我国空间粒子辐射环境理论和自主建模研究，更好地服务于我国空间天气监测预警业务。

地球同步轨道； FY-2气象卫星； FY-4气象卫星； 带电粒子探测器； 高能质子； 高能电子； 地磁暴； 太阳质子事件

0 引言

空间粒子辐射环境是影响卫星安全运行的重要环境因素。空间粒子辐射可通过航天器表面充放电效应、深层充放电效应、辐照总电离剂量效应、低剂量率效应、原子位移效应、单粒子效应等威胁航天装备的安全。地球辐射带、太阳能量粒子事件、银河宇宙线和异常宇宙线等是空间粒子辐射的主要源。地球辐射带带电粒子长期存在，而位于外辐射带的带电粒子显著受到太阳活动、地磁扰动等的影响，表现出频繁剧烈的动态变化，其中MeV相对论电子在磁暴时出现的显著增强现象会极大危害航天器安全，可能会造成卫星深层充电，而在长时间高通量后还可能会产生放电损害[1-5]。太阳能量粒子事件源于偶发的太阳爆发性活动，大的太阳能量粒子事件会导致近地空间的带电粒子通量急剧增加，引起非常严重的轨道空间粒子辐射环境变化，并通过辐射剂量效应、单粒子效应等对航天飞行任务以及星上的敏感元器件造成损害[6]。宇宙线是到达地球能量极高的粒子辐射，在地球空间宇宙线通量很低，但由于包含重的高能离子很难被屏蔽，会对所通过的物质产生强电离，对航天器造成强的辐射危害和放射生物学效应。地球同步轨道处于外辐射带边缘，相关研究发现在该轨道出现的典型航天器失效事件均与其周围的带电粒子辐射环境密切相关。美国国家地球物理数据中心对1971年至1986年间39颗地球静止卫星或准静止轨道卫星在轨异常进行统计，发现由空间带电粒子辐射引起的卫星故障占故障总数的70%。在众多带电粒子辐射中，大于10 MeV的高能质子和大于2 MeV高能电子的持续显著增强被认为是造成地球同步轨道区域卫星异常的重要因素[7]。因此，在空间天气业务开展中，地球同步轨道大于10 MeV的高能质子和大于2 MeV高能电子的通量变化常被作为重要的预警参数。

当今航天技术迅速发展，各种新型技术、新型材料和物质在航天装备中得到了应用，空间环境的影响更加多元，而且航天器长寿命发展趋势使空间的影响更为复杂，尤其是突发的恶劣环境。因此，需不断开展对空间粒子辐射更精细和全面的观测，获取粒子辐射能谱、方向等更丰富的信息，深化对带电粒子辐射复杂动态变化的认识，提高对带电粒子辐射动态的准确评估能力，规避或减缓灾害性事件的影响，并为航天工程防护设计标准和规范的制订提供指导与输入。同时，更丰富的带电粒子辐射数据积累将为进一步解决地球磁层物理科学问题提供实测依据。为此，本文对地球同步轨道系列卫星自主空间辐射环境监测及应用进行了研究。

1 地球同步轨道空间粒子辐射探测和经验模型发展

1.1地球同步轨道空间粒子辐射探测发展

地球同步轨道开展空间粒子辐射探测最早可追溯到20世纪70年代，包括LANL系列卫星和GOES系列卫星。随后的如DSP-21，DRTS等诸多地球同步轨道卫星也相继针对轨道空间粒子辐射展开过探测，但仅有GOES系列卫星一直支持了轨道空间粒子辐射观测的持续开展。目前GOES系列卫星空间粒子辐射探测已从GOES-1发展到GOES-16卫星，星上空间粒子辐射探测器由GOES-1到GOES-15卫星的能量粒子探测器(EPS)和高能质子α粒子探测器(HEPAD)发展为GOES-16卫星的磁层粒子探测器(MPS)、重离子探测器(EHIS)、太阳宇宙线质子探测器(SGPS)。GOES-1到GOES-12卫星粒子辐射探测仪器可用于探测0.6～4 MeV电子(EPEAD)、0.74～900 MeV质子(EPEAD)、3.8～500 MeV α粒子(EPS)。GOES-13，15卫星增加了对磁层中低能粒子辐射的监测(MAGED，MAGPD)，可实现80～800 keV的质子和30～600 keV的电子多方向监测。GOES-16卫星是GOES系列的第三代卫星，星上采用了全新的粒子辐射探测仪器，可实现对0.03～30 keV、0.05～4 MeV中低能电子，0.8～12 MeV质子，10～200 MeV/n质子、α粒子，以及更高能量至大于500 MeV质子的探测。我国自20世纪90年代在地球同步轨道卫星FY-2系列卫星上开展了空间粒子辐射的探测，是除GOES系列卫星外，保持持续长周期对轨道空间粒子辐射探测的系列卫星之一。随着卫星任务的进展，粒子探测技术不断得到发展和改进。与GOES系列卫星粒子探测发展相同，我国地球同步轨道粒子探测也逐渐向全能谱、精细化方向发展，不仅为快速、准确的空间天气预警提供持续、可靠的数据资料，而且更丰富的观测数据资料将进一步拓宽促进数据的应用。FY-2系列A，B卫星粒子辐射探测仪器由一台单机实现1道电子(大于1.4 MeV)、4道质子(大于1.1 MeV；3.5～26 MeV；10～26 MeV；26～300 MeV)以及2道重离子(3He，3.5～26 MeV/n；4He，3.5～26 MeV/n)的监测。第二代粒子空间粒子探测器(FY-2C，D，E)增加了对高能电子能道的探测，监测2道高能电子(大于0.35 MeV、大于2.0 MeV)，3道高能质子(10～30，30～100，100～300 MeV)，1道40～120 MeV的α粒子和1道80～240 MeV的重离子Li。自FY-2F星开始，发展了第三代高能带电粒子探测仪器，分别针对高能电子探测和高能质子探测设计了高能电子探测器和高能质子重离子探测器两台单机，拓宽了探测能谱，能道划分更精细。目前，FY-2G卫星已投入在轨工作。后续FY-2系列卫星还会有新的卫星任务，星上将持续采用与FY-2F卫星上一致的高能电子探测器和高能质子重离子探测器开展轨道空间带电粒子辐射监测。另外，2016年底发射的FY-4卫星是我国新一代地球同步轨道静止卫星，其卫星平台改变了原FY-2系列星的高速自旋模式，采用三轴稳定模式，这为带电粒子辐射探测技术发展和探测实现提供了更有利的条件。星上装有全新的带电粒子探测仪器同时兼顾能谱和方向的设计，既具备原FY-2系列卫星平台高能电子、质子全能谱的探测，又增加了高能电子的多方向探测。在该卫星上与粒子探测同时配套有磁场探测、效应探测，将提供更详细、全面的辐射环境数据资料。

1.2经验模型发展

目前，可用于地球同步轨道带电粒子辐射环境评估的经验模型主要有AE8和AP8模型、AE9和AP9模型、POLE模型、FLUMIC模型和JPL模型。

AE8和AP8模型具宽能谱(电子0.04～7 MeV，质子0.1～400 MeV)和宽空间(L=1.2Re～11Re)适用范围，被广泛用于航天工程。此处：Re为地球半径。利用20世纪六七十年代的卫星观测数据，采用经验的数值模拟方法，模拟太阳最大年、最小年的平均辐射带环境，给出太阳活动高年、低年两种时间尺度下的能量电子、质子全向平均粒子通量。利用AE8、AP8模型可简单评估地球同步轨道太阳最大年、最小年高能质子、高能电子的平均全向通量。AP9和AE9模型是AE8和AP8模型的升级版本，引入了低能等离子体模型，可对更宽能量范围的带电粒子辐射通量给出评估，并能提供卫星任务过程中遭遇某种流量水平的发生几率。

POLE模型建模数据来自LANL地球同步轨道卫星带电粒子观测数据，着重考虑了地球同步轨道高能电子环境，数据的时间覆盖范围是1976～2005年，能谱覆盖范围为0.03～5.2 MeV。POLE模型以11年太阳活动周为跨度，以太阳活动低年为零点，以1年为分辨率，以太阳活动最小年为参考时间对不同活动周的年平均通量进行时序平均，给出了一个太阳活动周内不同相位、不同能量高能电子通量水平。IGE-2006(International Geostationary Electron model)发展了POLE模型，加入了LANL卫星等离子体探测器(MPA)的观测数据，将模型覆盖的能量范围向低端扩展至1 keV。在兆电子伏特级的高能部分，增加了日本数据中继试验卫星(DRTS)Standard Dose Monitor(SDOM)的观测数据。与POLE模型建模采用的方法相同，IGE-2006模型以太阳活动最小年为参考时间对不同活动周的年平均通量进行时序平均。

FLUMIC模型是为评估航天器材料内充电开发的电子通量模型。该模型根据1986～2003年美国的GOES卫星的空间粒子辐射环境探测器(SEM)以及1994～1998年英国的STRV-1b卫星的空间粒子辐射环境监测器(REM)的探测结果而建立。FLUMIC模式包含了季节及太阳周期效应，但仅考虑了兆电子伏特级电子极端通量变化。

经验模型反映出构造模型使用的卫星观测数据在观测要素、能量和时间、方向等覆盖并不完全，而且多数模型只能反映大时间尺度的长期变化，不能体现地球同步轨道频繁发生的小时间尺度扰动和地方时变化。

2 FY-2系列卫星粒子辐射探测仪器及应用

2.1FY-2系列卫星粒子辐射探测仪器

FY-2系列卫星最新一代空间粒子辐射探测仪器搭载于FY-2F，G卫星上，两颗卫星分别于2012年1月13日和2014年12月31日发射。星上空间粒子辐射探测仪器相较FY-2A，B，C，D，E卫星空间粒子探测仪器进行了大幅的更改。探测仪器由一台单机改为由高能电子探测器和高能质子重离子探测器两台单机组成(如图1所示)，大幅增加了电子、质子的探测能道。

图1 FY-2F(G)星高能电子探测器和高能质子重离子探测器Fig.1 High energetic electron detector and high energy proton & heavy ion detector of FY-2F (G) satellite

FY-2F(G)星两台仪器均采用经典的望远镜结构设计，其中高能电子探测器使用两组望远镜系统分别用于测量0.2～1.5 MeV和大于1.5 MeV的电子，两组望远镜系统分别包括4片离子注入型半导体传感器，低能端传感器探测张角30°，高能端传感器探测张角40°。高能质子重离子探测器采用由5片半导体传感器组成的望远镜系统进行粒子能谱探测，传感器探测张角40°。望远镜系统均包括准直器、环形永久磁铁、挡光膜和多片半导体探测器。偏转磁场用于偏转电子，减少传感器的辐照损失和电子干扰。

带电粒子测量均采用脉冲幅度分析法，判别粒子的种类和能量。粒子入射至传感器在其中沉积能量并产生自由电子，自由电子数n与粒子沉积能量Ex的大小成正比。这些自由电子被电极收集后经前置放大器和主放大器进行线性放大，转为电压脉冲信号。粒子能量和种类不同，沉积能量有差别，电压脉冲信号的幅值V与Ex呈线性关系。对这个电压脉冲信号进行幅值分析和符合鉴别，然后将相应幅值的信号输入计数器，实现入射粒子能量划分和种类鉴别。入射粒子在传感器中沉积能量不同，通过阈值设置去除从准直仪进入的其他粒子的干扰，传感器侧面和后面进入的粒子通过被动屏蔽防护去除。FY-2F(G)卫星高能电子探测器、高能质子重离子探测器原理分别如图2、3所示。

仪器设计充分考虑了背景粒子的干扰，高能质子重离子探测器和高能电子0.2～1.5 MeV探测器在准直器前端入射窗口处设置一块偏转低能电子的磁铁，用于屏蔽流量较大的低能电子入射对传感器造成干扰，提高了仪器抗背景辐射的能力。自FY-2F卫星开始，粒子辐射探测仪器采用蒙卡模拟仿真对粒子与物质相互作用过程中的能损涨落、弹性散射、分辨率等过程，以及斜入射和穿越粒子等干扰进行了充分考虑，针对不同的通量强度设置不同的几何因子，保证各能道计数均在最合适的范围内，对仪器响应函数的评估更准确[8]。FY-2系列卫星粒子辐射探测仪器和与FY-2F(G)卫星同期的GOES-13、15卫星粒子辐射探测仪器指标见表1。GOES-13(15)卫星粒子辐射探测仪器指标与FY-2F(G)卫星有一定的覆盖，这为了解和认识更详细的粒子动态变化与数据综合应用提供了可能。GOES-13(15)卫星增加了较低能量的电子和质子的能谱与方向探测，且对更高能量的重离子开展了监测，而FY-2F(G)卫星则提供了更详细的大于600 keV电子能谱观测。

图2 FY-2F(G)卫星高能电子探测器原理Fig.2 Principle of high energy electron instrument for FY-2F (G) satellite

图3 FY-2F(G)卫星高能质子重离子探测器原理Fig.3 Principle of high energy proton & heavy ion instrument for FY-2F (G) satellite

表1 FY-2系列卫星与GOES-13(15)星空间粒子辐射监测器探测指标

注：FY-2系列卫星为高速自旋卫星，仪器安装在卫星的腰带部分，观测粒子为近全向通量平均值的时空分布；GOES系列卫星为三轴稳定卫星。

2.2探测应用结果

2.2.1 不同扰动状态下高能电子能谱特性

图4 FY-2G卫星不同扰动状态下200 keV～大于 4 MeV高能电子各道通量时序分布Fig.4 5 min average electrons flux from FY-2G satellite associated with Dst and AE values

由FY-2G卫星获得的2015年200 keV～大于4 MeV不同能道高能电子通量-时序分布，以及对应的AE指数(亚暴活动)和Dst指数时序变化如图4所示。AE指数和Dst指数的起伏变化反映出不同的空间扰动状态。磁暴活动时，Dst<-200 nT为大磁暴；-200 nT

2.2.2 兆电子伏特级高能电子快速、缓慢增强事件

2015年3月17～18日、6月22～23日两次强地磁暴，引发了高能电子通量增强现象，其中大于2 MeV的高能电子峰值通量持续超过深层充电预警阈值103cm-2·s-1·sr-1，构成相对论电子增强事件，大于3 MeV、大于4 MeV的高能电子峰值通量也出现了明显的增长。两起强地磁暴期间600～800 keV、大于2 MeV、大于3 MeV、大于4 MeV高能电子通量随磁暴(Dst指数)的响应变化分别如图5、6所示。受3月磁暴影响，大于2 MeV、大于3 MeV、大于4 MeV高能电子通量表现出持续4 d的较缓慢的增强，即在3月19日电子通量出现增强直至3月22日通量达到峰值。在6月磁暴影响下，2 MeV高能电子通量表现出快速增强，6月24日电子通量出现增强到25日通量达到峰值仅用了1 d的时间。在两起磁暴期间，600～800 keV较低能量的高能电子通量变化进一步证实了较低能量电子与亚暴活动的密切关联，尤其在3月磁暴期间，600～800 keV电子通量并未表现出与兆电子伏特级电子通量相似的主相减少现象，相反其通量不降反升，文献[9]对这一现象给出了详细的解释。大于2 MeV、大于3 MeV和大于4 MeV高能电子通量两种增强现象反映出不同的传输过程，第一种电子通量缓慢增强更为典型和常见，通常源于带电粒子的缓慢扩散过程，而第二种增强的出现则源于伴随磁层压缩的短时、准绝热的传输[10-11]。

2.2.3 与GOES-13，15卫星联合应用分析

带电粒子动态变化主要取决于一系列的参数，如地磁活动、电子能量、空间位置，以及强烈变化的时间要素。FY-2G，GOES-13，GOES-15卫星详细位置信息见表2。表2中：UT为世界时；LT为地方时。GOES卫星为三轴稳定卫星，每颗卫星分别开展沿轨道东西两个方向、投掷角在90°附近的带电粒子方向通量监测；FY-2G卫星采用自旋稳定，探测粒子几乎覆盖全空间，监测数据反映全空间平均带电粒子方向通量。

图5 2015-03-10～2015-03-29期间强磁暴期间 FY-2G卫星高能电子通量响应增强Fig.5 Electrons variations by FY-2G satellite during strong storm from April 10 to 29, 2015

图6 2015-06-15～2015-07-08期间强磁暴期间 FY-2G卫星高能电子通量响应增强Fig.6 Electrons variations by FY-2G satellite during strong storm from June 15 to July 8, 2015

表2 不同卫星位置信息

a)高能电子不同地方时动态

地球同步轨道空间高能电子受地磁场的调制影响地方时分布差异显著，FY-2G，GOES-15，GOES-13三颗卫星在轨定点位置不同，意味着不同卫星在同一时间观测到的电子通量源自不同地方时，当FY-2G卫星观测到局地正午的强高能电子通量分布时，GOES-15，GOES-13卫星同时观测到的则是局地午夜附近较低高能电子通量分布；当不同卫星经过同一地方时的时候，绝对环境可能受到短时扰动的影响已发生改变，意味着FY-2G卫星，与GOES-15，GOES-13卫星记录到相同地方时的电子通量可能会存在不同的表现。通常，靠近日侧地方时，磁场更偶极化，不同卫星记录到的电子通量分布差异相对较小或较稳定；靠近夜侧地方时，磁场被极大拉升，且局地强烈扰动频繁，不同卫星记录到的电子通量分布差异显著加大。三颗卫星2015年6月16～30日观测到的大于2 MeV高能电子通量地方时分布如图7所示。由图7可知：在日侧，三颗卫星观测到的高能电子通量表现出相对稳定的系统偏差；在夜侧，三颗卫星观测到的高能电子通量常表现出很大的差异。当磁层受到强烈压缩，即使在相对稳定地方时午时附近，不同卫星先后经过该地方时位置附近观测到通量也会出现显著的差异(图7中阴影区域)。FY-2G卫星与GOES-13，GOES-15两颗卫星的联合观测显示，GOES两颗卫星最先在接近地方时午时附近观测到电子通量的增强，而FY-2G卫星滞后于GOES卫星超过10 h后到达接近的地方时位置仍观测到了高能电子通量的增强，但在GOES两颗卫星再次到达该地方时附近时电子通量已恢复到扰动影响前水平，因此可初步判读该增强可能持续的时间尺度为10～24 h。

图7 高能电子随地方时通量演化

b)太阳质子事件动态演化

太阳质子通量在磁层中传输取决于截止刚度，GOES-15卫星西向观测的高能质子引导中心位于地球同步轨道外侧，等效于处于其地磁截止的外面，可观测到相对这一截止外部的高能质子，东向观测到的高能质子引导中心位于地球同步轨道内侧，等效于观测到的是内部的高能质子，而FY-2G卫星为高速自转卫星，其观测到的高能质子是内外部高能质子的综合平均[12-14]。太阳能量粒子事件发生期间FY-2G，GOES-15两颗卫星(东向和西向)观测到的4～9 MeV、15～40 MeV高能质子通量时间演化如图8所示。图8显示了在不同太阳风和地磁亚暴活动条件影响下，FY-2G，GOES-15卫星观测到高能质子由于地磁截止不同导致的通量演化差异。低太阳风动压和弱亚暴活动期间，FY-2G卫星观测到的质子通量略低于GOES-15卫星。强太阳风动压将地磁截止向内磁层移动，从而使FY-2G，GOES-15卫星观测到高能质子通量水平基本相当。低太阳风动压和增强的亚暴期间，仍为太阳质子向更低L进入提供了机会，从而使FY-2G观测到的高能质子通量水平基本相当于GOES-15卫星地球同步轨道的截止能量通常为数个兆电子伏特，质子能量越高，其地磁截止越向磁层内深入，因此观测到的不同能量质子通量表现出随能量增强起伏变化逐渐减小的现象。

3 FY-4卫星粒子辐射探测仪器

FY-4卫星空间粒子辐射环境监测系统是我国最新一代的静止轨道空间粒子辐射环境监测系统，包含了高能粒子探测器3台，以及磁强计、辐照剂量仪、充电电位探测器和环境远置单元，共计7台单机21件产品，是目前我国在气象卫星上布局空间粒子辐射环境探测单机数量较多的卫星。高能粒子探测仪器如图9所示。

星上带电粒子探测仪器采用了与FY-2系列卫星完全不同的全新设计。高能粒子探测器由6个望远镜和电子学系统组成，3个望远镜实现低能量(0.4～1.5 MeV)高能电子的探测，1个望远镜实现高能量(大于1.5 MeV)高能电子的探测，2个望远镜实现高能质子(1～4 MeV和4～165 MeV)能谱的探测。高能粒子探测器共有3台，分为A类1台，B类2台。A，B类的区别是高能电子探头间的夹角，A类载荷安装在朝天面，B类载荷安装在+X，-X面(斜面)上。

图8 太阳质子事件演化(FY-2G，GOES-15卫星东向和西向观测结果)Fig.8 Solar proton events evolution observed by FY-2G (west) and GOES-15 (east) satellites

图9 FY-4卫星高能粒子探测器Fig.9 High energy particle instruments of FY-4 satellite

0.4～1.5 MeV电子望远镜由4片厚度均为1 mm的半导体探测器组成，探测视场25°，传感器前加磁场偏转，用于偏转能量低于400 keV的电子。使用4片传感器相加的信号作为幅度分析信号。通过4片传感器信号幅度的和进行能道划分。大于1.5 MeV的望远镜由4片厚度均为1 mm的半导体探测器组成，探测视场60°。1～4 MeV质子望远镜由2片半导体探测器组成，探测视场为40°，传感器前加磁场偏转，用于偏转能量低于1 MeV的电子。4～165 MeV质子望远镜，由4片传感器均为1 mm的半导体探测器组成，前3片信号叠加在一起，探测视场为60°，传感器前面加磁场偏转能量低于1 MeV的电子。每个望远镜的模拟电路相互独立，分别实现对每个传感器中的脉冲信号进行处理。探测的基本原理与FY-2系列卫星带电粒子探测仪器相同，通过幅度分析法，配合符合与反符合技术实现粒子成份和能谱的鉴别，同时采用了磁场偏转和多层屏蔽去除背景粒子的干扰。高能粒子探测仪器原理如图10所示。

对高能粒子探测器首次用国家空间科学中心建设的中高能电子测试系统进行了全能谱电子定标。与GOES-13(15)以及第三代GOES-16卫星带电粒子辐射探测相比，FY-4卫星粒子观测较GOES-13(15)卫星提供了更丰富的粒子能谱、方向信息；与GOES-16卫星粒子探测仪器比较，尚缺少对中低能和极高能带电粒子的探测。不同仪器性能指标见表3。

4 结束语

现阶段我国自主空间粒子辐射探测能灵敏反映轨道空间粒子辐射通量的变化过程及其能谱分布，观测数据可支持轨道粒子环境的评估。与同类GOES-13、15不同卫星观测数据联合应用发现了轨道空间带电粒子对扰动响应更加复杂的图像，可为今后深入研究带电粒子起源、重新分布、损失机制等提供新的可能。同时不同卫星观测数据联合分析结果可用于指导今后的数据同化应用，为多卫星观测数据一致使用提供必要的参考。

图10 FY-4卫星高能粒子探测器原理Fig.10 Principle of high energy particle instrument of FY-4 satellite

卫星FY-4GOES-13(15)GOES-16探测要素及仪器高能粒子探测器(高能电子)E1,0.4～0.5;E2,0.5～0.6;E3,0.6～0.8;E4,0.8～1.0;E5,1.0～1.2;E6,1.2～1.5;E7,1.5～2.0;E8,2.0～4.0;E9,>2.00.4～1.5MeV电子,9个方向,其中赤道面内5个方向(-Z向、-Z向偏±X向45°、±X向),子午面内6个方向(+X向、+X偏+Y向30°、+X偏+Y向60°、-X向、-X偏-Y向30°、-X偏-Y向60°),以上±X向为共用;1.5～4.0MeV,3个方向,包括卫星的飞行方向、飞行反方向和朝天向(+X偏+Y向30°、-X偏-Y向30°、-Z向)高能粒子探测器(高能质子)P1,1～2MeV;P2,2～4MeV;P3,4～9MeV;P4,9～15MeV;P5,15～40MeV;P6,40～80MeV;P7,80～165MeV;P8,>165MeV至少3个方向,其中包括卫星的飞行方向、飞行反方向和朝天向(+X偏+Y向30°、-X偏-Y向30°、-Z向);P1～P2视场角为40°,P3～P8视场角为60°中高能电子(单方向)(EPEAD/MAGED)EPEADE1,>0.6MeV;E2,>2.0MeV;E3,>4.0MeVMAGED(9个方向)30～50keV;50～100keV;100～200keV;200～350keV;350～600keVEPEAD(单方向)P1,0.8～4MeV;P2,4～9MeV;P3,9～15MeV;P4,15～40MeV;P5,40～80MeV;P6,80～165MeV;P7,165～500MeV;He:4～>3400MeVMAGPD(9个方向)P1,80～110keV;P2,110～170keV;P3,170～250keV;P4,250～350keV;P5,350～800keV低能、中高能电子MPS-LO:0.03～30keV,12个方向;MPS-HI:0.05～4MeV,10道,5个方向低能、中能质子MPS-LO:0.03～30keV,15道,12个方向;MPS-HI:0.8～12MeV,7道,11个方向高能质子重离子EHIS:10～200MeV/n,5道对数划分,单方向

我国自主地球同步轨道系列卫星已积累了超过10年的连续高能带电粒子观测数据资料，记录了高能带电粒子尤其是兆电子伏特级电子的长时间周期的动态，已有的探测数据有很好的一致性，可支持空间天气经验建模应用，改进能量粒子的预报。

本文给出的是FY-2系列卫星粒子探测仪器的部分结果。在最新的FY-4系列星上，带电粒子探测在能谱和方向观测等均有突破，并有配套的磁场观测和效应监测，获得的观测内容将更丰富、精细，探测数据将为空间粒子辐射效应研究提供重要数据，更好地支持开展航天活动危害评估，同时还将为地球辐射带分布和变化、太阳能量粒子事件等重要空间物理问题研究提供重要的基础数据。

致谢感谢国家气象局提供了FY-2G卫星高能带电粒子实时接收数据、Kyoto大学WDC地磁台站公布的实时Dst指数、NOAA/GOES公布的高能粒子通量资料。感谢ACE/SWEPAM公布的太阳风等离子体、磁场资料。

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SpaceRadiationEnvironmentObservationsandApplicationsBasedonGEOSatellites

WANGChun-qin1,2，ZHANGXin1,2，ZHANGLi-guo3，ZHANGRu-yi3，JINLi-qun3，SUNYue-qiang1,2，JINGTao1,2，ZHANGShen-yi1,2，ZHANGHuan-xin1,2，SHENGuo-hong1,2，ZHANGXiao-xin4，LIJia-wei4，YANGXiao-chao1,2，CHANGZheng1,2

(1. National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing100190, China;2. Beijing Key Laboratory of Space Environment Exploration, Beijing100190, China;3. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai201109, China;4. National Center for Space Weather, China Meteorological Adminstration, Beijing100081, China)

The space radiation environment observations and applications based on GEO satellites were studied in this paper. The GEO space particles radiation detection by GOES series satellites in abroad and FY-2series satellites in domestic continuously were presented, and so were the developments of the experience models using for space radiation evaluation of GEO energy electrons which were AE8/AP8, AE9/AP9, POLE, FLUMIC and others. The FY-2series satellites are the principal observational platforms for covering dynamic weather events and the near-earth space environment in China since90’s of the last century. Three generations of high energy particle detectors have been developed and carried on the satellites to provide continuous and simultaneous monitoring of the geosynchronous energetic particle environment. The characteristics of high energy electrons spectrum under various disturbance states, the fast and slow enhanced events of high energy electrons with MeV level obtained by FY-2series satellites were introduced. The high energy electrons evolution and solar proton events evolution were analyzed united by FY-2satellite and GOES-13and GOES-15satellites. The observation data obtained by FY-2series satellites can present the dynamic changes of GEO space high energy particles accurately and sensitively. Compared with results of GOES series satellites in the same period, it can not only gain the consistency in the relative calm period but also obtain the obvious short local difference in strong disturbance period. This provides a possibility to analyze the data of GEO particles radiation joint with multi-satellites, develop complete and complex magnetosphere pictures response to the disturbance and study of electronic particles sourcing, redistribution and loss mechanism. On the three-axis stabilized FY-4satellite which was launched in2016, the newest particle instruments are carried and can realize particle detections from multi-directions. All the observations can provide abundant and accurate information of particle dynamics. At the present time, there are only GOES series satellites and FY series satellites can provide continuous records of long term GEO space particle radiation environment. The data accumulation and information abundance will promote the model development for forecast service and space science research in China, which can provide better service of space weather forecast and warning.

geosynchronous orbit (GEO); FY-2meteorological satellite; FY-4meteorological satellite; particle instrument; high energy protons; high energy electrons; geomagnetic storm; solar proton event

1006-1630(2017)04-0085-11

2017-06-08；

：2017-06-28

国家自然科学基金资助(11603028，41404149)

王春琴(1978—)，女，博士，副研究员，主要从事自主空间环境探测仪器带电粒子观测数据的处理分析。

P353.7；P414.4

：ADOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.04.011