太空环境对空间信息装备的影响及对策

刘必鎏，王新波，汤泽莹，张 颂

(中国人民解放军32032部队,北京 100094)

0 引言

随着空间技术与信息技术的不断融合发展，太空已成为国家安全与发展利益的战略“制高点”，空间信息装备则成为联合作战体系的重要支撑。空间信息装备以空间飞行器为平台，太空是其主要运行环境。但是，太空并不平静，存在着各种自然环境因素，也留下了各种人类活动的足迹，将以不同形式和不同方式影响甚至破坏航天系统的应用。因此，必须认真研究太空环境的影响，准确预测太空环境的变化，有效利用太空环境效应，从而增强空间信息装备对太空环境的适应性，牢牢掌握空间信息主动权。

1 太空环境的构成要素

1.1 空间环境效应

为了反映地球轨道环境所具有的基本特性，可以将空间环境效应分为真空环境、中性粒子环境、等离子体环境、高能粒子环境、微流星体/空间碎片环境等[1]。

1.1.1 真空环境

相对于地球表面而言，太空基本处于真空环境。真空环境效应主要包括压力差效应，真空放电效应，辐射传热效应，真空出气效应，材料蒸发、升华和分解效应，粘着和冷焊效应以及高层大气对航天器的阻尼效应[2]。

1.1.2 中性粒子环境

在距地球表面170 km以上，原子氧是太空中残余大气的主要成分。这种中性粒子具有极强的活性，既可以通过撞击的动能对航天器产生气动阻力、物理溅射等机械作用；也可以通过化学反应腐蚀物体表面(即原子氧剥蚀效应)；还会使航天器外表面产生辉光现象，降低光学设备的探测能力。

1.1.3 等离子体环境

太空环境多数处于等离子体状态。航天器进入等离子体环境后，由于表面材料导电性的差别，导体和绝缘体将有不同的电位，当电位差达到足够大时，物体表面会发生电弧放电，可能对航天器形成物理性损伤或电磁干扰。

1.1.4 高能粒子环境

地球轨道环境中的高能带电粒子主要来自地球俘获带、太阳宇宙射线和银河宇宙射线。高能粒子主要表现为总剂量效应和单粒子效应，它能够穿过航天器表面进入内部，引起传输路径上的材料发生电离或位移，使材料的整体性质发生改变和性能下降，例如，会降低太阳能电池阵的输出功率，使光学设备的焦距面形成伪信号，或者使电子信息系统产生软损伤或硬毁坏。

1.1.5 微流星体/空间碎片环境

微流星体是自然形成的、在星际空间中高速运转着的固体颗粒；空间碎片则是人类航天活动带入太空的航天器、助推器、固体火箭燃料粒子等的残留物。微流星体/空间碎片对航天器的高速撞击，将改变航天器表面性能，造成撞击坑、等离子体云效应、动量传递、表面穿孔、容器爆炸破裂、结构碎裂等[2]。随着人类空间活动的增加，空间碎片越来越多，危害航天器的风险也越来越高。

同时，要特别关注空间天气的影响，这是由太阳磁活动驱动形成的日地空间环境状态，表现为日地空间中的电磁辐射、带电粒子、磁场、电场、电流、中性大气等的激烈变化，深刻影响着航天装备在轨运行的安全性和可靠性[3]。

1.2 复杂电磁环境

复杂电磁环境是指在一定的空间范围内，由空域、时域、频域、能域上分布的数量繁多、样式复杂、密集重叠、动态交迭的电磁信号构成的电磁环境[4]。太空战场复杂电磁环境的形成，主要是自然因素，例如，太阳电磁辐射、地磁场电磁辐射、雷电电磁辐射、静电电磁辐射等自然产生的电磁辐射，以及地球辐射带、磁层、电离层等自然形成的电磁环境。

人为电磁辐射正日益成为形成太空战场复杂电磁环境的重要因素。近年来，世界航天活动越来越活跃，根据UCS科学家联盟的最新数据，截至2018年12月1日，全球在轨运行卫星共1958颗，其中，地球同步轨道卫星558颗，中轨卫星124颗，低轨卫星1230颗，大椭圆轨道卫星45颗。随着空间技术和信息技术的不断融合，空间电子信息系统的类型和数量日益增多，电磁频谱不断扩展，信号样式逐步丰富，卫星通信、卫星导航、卫星测控等电磁活动已常态化，这加剧了太空战场形成信号密集、种类繁杂、对抗激烈、动态多变的复杂电磁环境。

2 太空环境对空间信息装备的影响分析

2.1 影响航天装备的在轨运行安全

2.1.1 影响航天器的轨道安全

高层大气对航天器的阻尼效应，中性粒子、等离子体对航天器碰撞的机械作用以及地球磁场变化等因素都会增加航天器的飞行阻力，这是导致航天器轨道衰变、姿态变化、寿命减少的主要原因。以高层大气为例，其阻尼效应与大气密度、航天器垂直运动方向的截面积成正比，是低轨航天器主要的轨道摄动力，将导致航天器的飞行高度不断下降、轨道收缩直至陨落。同时，高层大气环境受太阳活动影响，当太阳活动剧烈时，将导致大气升温上升，高层大气密度加大，而且高度越高，受太阳活动影响越大。美国1974年发射的“天空实验室”，由于在设计阶段未充分估计到太阳活动峰年的上述影响，于1979 年初陨落，这比设计寿命至少提前了两年[5]。2003年的万圣节太阳风暴事件中，我国“神舟五号”飞船的轨道下降严重，后经紧急轨控操作才恢复正常工作。

2.1.2 影响航天器的星体安全

硬毁伤：1)机械毁伤。微流星体/空间碎片对航天器的高速撞击已成为航天器机械损伤甚至毁坏的重要原因。2009年2月11日，美国的“铱-33”商用通信卫星与俄罗斯已报废的“宇宙-2251”军用通信卫星发生碰撞，这是人类历史上首次完整的在轨卫星相撞事件，引起了各航天大国对空间碰撞事件的高度重视。2)电学毁伤。空间辐照环境中的带电粒子对航天器的总剂量效应、单粒子效应、充放电效应等，会导致航天器的材料性能改变以及电子元器件被击穿而失效。2003年10月23日，发射入轨仅10个月的日本极轨观测卫星“ADEOS-II”在3 min内电池输出功率从6 kW突然下降到了1 kW，并且卫星所有的功能全部失效，事后调查发现，事故原因是太阳电池阵上的主输电线缆由于持续的弧光放电而损毁了[6]。

软损伤：高能带电粒子不断轰击航天器表面，可造成航天器辐射损伤，更高能的粒子可穿过电子器件，在电子信号串中改变数据位，导致仪器发出混乱指令或提供错误数据，这就是单粒子效应。据统计，自1971年至1986年，国外发射的39颗同步卫星，由各种原因造成的故障共有1589次，由单粒子效应造成的故障共有621次，约占故障总数的39%[7]。“风云一号”B卫星主控计算机受到高能粒子辐射发生多次单粒子翻转，最终导致姿态控制系统失效，仅工作了165天。

2.2 制约空间信息装备的效能发挥

2.2.1 制约卫星载荷的作用效能

除了上述太空环境对航天器的“软损伤”、“硬毁伤”会造成载荷性能降低或失效外，太空中存在的尘粒污染、气体污染物、液体污染物和表面无机污染物也会影响载荷的性能。例如，当污染物沉积在光电传感器的表面，或悬浮其视场内时，将使卫星图像失真。同时，太阳紫外线辐照还会影响光学表面的反射率与透射率，加速材料老化，进而导致光电器件效能的降低或丧失。

2.2.2 制约天地信道的传输性能

太阳风暴等空间灾害性天气会引起电离层的分层结构混乱，从而干扰原本正常的无线电通信：电离层扰动使短波无线电信号被部分或全部吸收，从而导致信号衰落或中断，预警雷达的可用频带也会因电离层突然骚扰而变窄；使卫星导航定位系统的精度下降，GPS卫星导航、定位误差会因电离层而暴增至几十米至几百米，严重时甚至造成导航接收机失效，无法提供导航信息；使卫星通信的信噪比下降，误码率上升，通信质量下降，严重时可能造成卫星通信链路中断[8]。1989年的“魁北克事件”，太阳风暴引发多起航天器运行故障，美国国家气象卫星一度中断向用户发送云图，海军4 颗导航卫星被迫提前一年停止服务，军事系统跟踪的几千个空中目标需要重新定位[9]。

2.2.3 制约地面系统的接收性能

太空环境是地面站数据接收天线背景噪声的重要来源，其中最具代表性的是日凌现象。当卫星处于太阳与地面站之间的连线时，地面站天线在接收卫星下行信号的同时，也收到了直接射入天线的强烈的太阳辐射，使得信噪比大大下降，相对微弱的下行信号可能会被太阳噪声淹没，严重时甚至引起信号失锁、链路中断。对于地球同步卫星而言，日凌现象每年都会集中发生两次，分别在春分和秋分前后连续数天发生，发生日期和持续时间与太阳活动、地面站的地理位置、接收天线大小和工作频率有关[10]。

2.3 约束空间信息装备的行动部署

2.3.1 约束作用区域的选择

太空中不同空域的环境活跃度有所不同，要求空间信息装备必须合理选择作用区域、阵位、路线等，尽可能减小太空环境对航天装备在轨运行安全和作用效能有效发挥的影响。

一要特别关注地球磁场分布的区域差异性。南大西洋辐射异常区位于南美洲东侧南大西洋上空，是由于地球的负磁异常引起的，其间内辐射带的高度明显降低，最低高度可降至200 km左右，中心区域高能质子的通量是宇宙线背景的数百倍。它是引起低轨道航天器辐射危害严重的区域，是带电粒子诱发的异常或故障的高发区。1991年7月，美国轨道高度为784 km的太阳同步轨道卫星“ERS-1”，在发射数天后，经过南大西洋上空时，因发生单粒子事件将电源烧毁而报废[11]。

二要特别关注太阳活动影响的空间差异性。太阳风暴引起的某种空间扰动，在地球空间中的不同位置，响应程度有所不同。例如，在太阳质子事件中，由于地磁场的偏转和屏蔽，不同地磁纬度和不同轨道高度上的高能粒子环境存在很大差异。对于同一轨道平面上运行的卫星，低高度上的高能带电粒子数目较小；对于在同一高度运行的卫星，极区的高能带电粒子数目更高[6]。

2.3.2 约束运用时机的选择

太阳活动是日地空间环境的一个重要控制因素，也是空间环境扰动的源头。太空活动表现出长时的周期性和短时的突发性，要求空间信息装备通过空间环境的监测预报，科学选择运用时机，成功避开太阳风暴等空间恶劣天气的影响。

太阳风暴的周期性主要体现在太阳活动水平的周期变化。太阳活动水平具有11年左右的周期变化特征，有太阳活动高年和低年之分。通常在太阳活动高年，太阳风暴发生频次较高，强度大；在太阳活动低年，太阳风暴发生频次敌，强度相对较弱。美国“哥伦比亚”号航天飞机第1次飞行时，由于太阳风暴突发，造成高层大气密度大幅度上升，航天飞机遇到的阻力比以前增加15%，幸亏带有充足的燃料，采取了应急措施，才避免了机毁人亡的事故[12]。

研究还表明，单粒子效应和充/放电效应等诱发航天器在轨异常的主要问题，并非都与大的空间环境扰动(如太阳风爆、地磁暴等)同时发生，而是经常在1～2周时间内电子通量增强事件后才发生[13]。因此，空间信息装备要深入研究空间环境影响的时序演变，充分利用好时间差，巧选战机，出敌不意。

3 对策建议

3.1 加强太空环境效应研究

随着航天器电子信息系统集成度的提高，空间环境效应已成为导致空间信息装备在轨故障和失效的主要因素。必须加强太空环境效应研究，掌握可减弱空间环境对航天装备使用影响的相关技术，延长航天装备的在轨寿命，做好航天装备保障。

太空环境效应的研究渠道主要包括地面实验研究和空间飞行实验研究。地面实验研究既包括传统的热真空、冲击和振动等例行试验，还包括电磁辐射、粒子辐射、高速撞击、原子氧剥蚀等专项试验[14]。空间飞行实验通过测量地球轨道空间的真实环境数据以及开展专项空间辐照实验，研究空间环境对航天器的影响及对策：一是积累环境数据，用于航天器抗辐照能力评估、后续任务的抗辐照加固设计、开展空间环境扰动及其效应研究；二是监测空间粒子辐射环境，为航天器异常情况分析、处理服务；三是实时监测地球轨道空间的电子、质子等高能粒子扰动，警报灾难性环境事件，为航天器的飞行控制管理、业务运行提供安全服务。

3.2 改进航天装备的环境适应性水平

3.2.1 提高航天装备的设计研制水平

到目前为止，国内外对空间环境效应的防护开展了卓有成效的研究，主要从材料/元器件的选择、制作工艺、电路/程序设计、屏蔽封装等方面提出了许多有效的防护措施，大体可以分为硬件加固技术和软件加固技术两大类[15]。

3.2.2 提高航天装备的管理控制水平

钱学森指出：“产品的可靠性是设计出来的、生产出来的、管理出来的。”科学高效的航天器管理控制水平能够保装备安全，促战斗力生成。首先要明确航天装备适用的空间环境条件，掌握空间环境效应对航天器的影响及其引起异常、故障发生的原因和演变规律，提供航天器在轨运行安全的技术保障；其次，要根据航天装备的任务需求、运行轨道的高度、在轨服役阶段等情况，并结合当前空间环境的活跃度，密切监视航天器在轨状态，及时排除异常、防止故障演变；最后，要科学管控载荷使用强度(主要是载荷开机次数、时长等)和任务时间，提高航天装备的安全性和可靠性。

3.3 提高太空环境的情报保障

探测是基础。空间环境探测是开展空间环境效应研究、遂行太空环境情报保障的基础，要积极建设发展“天基与地基手段结合、专项型号与搭载试验并举、军用与民用融合发展”的空间环境探测体系。目前，美军已具备较强的空间环境探测能力，关乎国家安全的空间天气探测设施和探测产品始终居于军方控制之下。例如，在太阳观测方面，美军拥有分别位于澳大利亚、意大利、马萨诸塞州、新墨西哥州和夏威夷州等地的太阳地基观测网，对太阳实施号称“日不落”式的连续观测；在电离层探测方面，美军拥有遍布美国全境和世界主要地区的电离层综合探测网；在卫星轨道空间天气探测方面，美军拥有部署于GPS等系列卫星的天基空间天气探测网[8]。同时，美军特别注重空间环境探测及研究成果的业务转化，例如，美国空军著名的第55中队，就是专门从事空间天气业务的专业力量。

预报是关键。虽然人类对空间环境还缺乏全面深入的认识，但是随着空间环境探测技术的发展，人们通过长期的观测研究，已经能够对空间环境影响及变化进行预报。当前开展的空间环境预报主要包括太阳质子事件预报、电离层扰动预报、地磁活动预报、高层大气参数变化预报以及空间碎片碰撞预报。美国空间环境预报技术的发展已经比较全面，在实时监测多种空间环境参量的基础上，利用历史观测资料建立起来的经验模式以及物理模式等，发布多种预报产品，例如，每天发布3小时更新的地球物理警报信息、X-ray 事件、射电爆发事件、质子事件、高能电子通量、地磁突然骚扰、磁暴活动、平流层增温等，未来3 天的包括太阳活动预报、地球物理活动预报等的太阳地球物理预报，未来45 天的Ap与F10.7预报、D区吸收预测等[16]。2003年的万圣节太阳风暴事件中，NASA准确预报了10月29日有5级大磁暴，提前关闭AQUA、LANDSAT、5TERRA、TOMS、TRMM等5颗卫星上的探测器，使卫星安全度过了危险期[17]。

评估是根本。空间环境探测及预报技术的着眼点和落脚点在于保障航天器的在轨运行安全和空间行动的有力实施。空间信息装备效能发挥离不开准确、及时、有效的太空环境情报保障。在航天器发射时，选择合适的发射时间和轨道参数，可以避免空间环境的危害，例如，“神州一号”飞船原定发射时间为北京时间1999年11月18日7∶00，根据空间天气预报，该时间点正是狮子座流星暴最强的时候，而11月20日流星体通量将回到正常水平，因此建议推迟2天发射，最终使飞船成功避开了流星暴的影响[12]。对于在轨运行的航天器，提前预报空间信息装备运用期间可能遭遇的恶劣空间天气的类型、强度、出现和持续时间、影响范围等，评估太空环境对航天装备的影响和危害程度，可为空间信息装备运用的指挥决策提供情报支持：合理安排载荷工作计划，科学选择作用空域、路线和时机，巧妙而大胆地利用太空环境，进而充分发挥空间信息装备的作用效能。

4 结束语

随着空间技术与信息技术的不断融合发展，太空已成为国家安全与发展利益的战略“制高点”，空间信息装备则成为联合作战体系的重要支撑。本文总结了当前太空环境的构成要素，分析了太空环境对空间信息装备在轨运行安全、行动部署和效能发挥的影响，研究了提高太空环境情报保障的对策方法，有利于增强空间信息装备对太空环境的适应性。