我国空间环境及效应研究新需求与发展对策思考

王 健，郭 康，李 媛，高 欣，冯展祖，王亚龙

（1.兰州空间技术物理研究所，兰州 730000；2.中国航天科技集团有限公司，北京 100048；3.北京卫星制造厂有限公司，北京 100094）

0 引言

空间环境是指影响人类活动的、距地面几十km高度以上直至太阳的广阔空间内的环境，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，其中含有各种成分的带电粒子和中性粒子、各个波段的电磁辐射、电磁场、微流星体和空间碎片等，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。

空间各种环境因素对在轨航天器的安全运行以及航天员的身体健康构成严重威胁，同时对依赖于天基手段的人类活动造成不同程度的影响。例如，一次太阳爆发事件输出的能量可能使得地球空间环境状态发生剧烈变化，引发灾害性空间环境事件，如太阳质子事件、高能电子暴等，严重影响航天、航空、通信等行业技术系统，造成重大损失。据统计，航天器约40%的在轨故障是由空间环境引起的[1]。因此，认识空间环境不仅是人类对自身生存空间认知的需要，也是以航天器为依托的经济活动及科技活动的安全保障基础。

空间环境科学探测与空间环境工程密切相关、相互促进：空间科学卫星有明确的研究目的，为实现科学目标而设计的科学探测载荷的探测结果可以满足空间环境建模、空间天气预报等业务需求，促进空间环境经验模型的建立、地面环境评估技术与航天器环境防护技术的发展；同时，通过空间环境工程实施，可以保障空间环境科学探测活动的安全与可靠性。

本文通过调研各国在空间环境领域的政策、计划、研究成果及发展趋势，对比、分析、总结存在的差距，总结我国空间环境工程长期发展的关键技术和亟需解决的瓶颈技术，提出我国空间环境领域可持续发展路线和相应对策建议，旨在为我国航天发展战略从“认识空间、进入空间”向“利用空间、控制空间”转变提供必要的支撑。

1 空间环境领域政策和技术发展趋势

1.1 空间环境领域相关政策

空间环境研究作为和人类生存发展密切相关、能够引领密集技术创新的前沿交叉学科，在国家科技发展中发挥的作用越来越重要，成为世界强国高度重视和争相支持的重要学科领域。政府支持的空间探索活动的科学内涵开始逐步增加，对空间环境研究的投入在航天领域研究总投入中的占比逐年提高。

美国政府认为，鉴于可靠的太空资产对国防和经济安全的重要性与日俱增，构建能提高国家乃至国际间对空间天气事件潜在灾害影响的保护、减缓、响应和恢复能力的战略至关重要。2014 年11 月，由美国国家科学技术委员会组织跨部门成立了“空间天气观测、研究与减缓”小组，对应对空间天气事件的战略与行动计划进行研究，并于2015 年10 月发布《国家空间天气战略》（National Space Weather Strategy，简称《战略》）与《国家空间天气行动计划》（National Space Weather Action Plan，简称《行动计划》）[2-3]。这2 份文件详述极端空间天气事件对国家关键基础设施的潜在危害，并就空间环境探测研究、产品服务与影响应对等提出战略目标和行动计划。

空间环境带来的安全威胁是人类利用太空资源的重要障碍。2020 年加拿大等国联合出版了《太空安全索引》，将太空安全描述为“能够安全、可持续地进入和利用太空资源，避免受到来自深空环境的威胁”；《中华人民共和国国家安全法》（2015 年）阐述了太空安全相关内容：“国家坚持和平利用外层空间，增强安全进出、科学考察开发利用的能力，加强国际合作，维护我国在外层空间的活动、资产和其他利益的安全。”因此，空间环境工程的技术发展是保障未来国家太空安全的技术基础之一。

1.2 空间环境领域技术发展趋势

1）商业航天及空间4.0 发展趋势

2016 年欧空局召开的部长级会议提出“空间4.0 时代”的概念[4]，形成了《为欧洲统一的空间战略迈向空间4.0 时代》的决议。“空间4.0”是一种互动式的、商业化、国际化的模式，有助于回应未来人类社会发展的多种需求。近年来，美国以SpaceX 公司为代表的商业航天公司的快速发展很好地诠释了“空间4.0”对于未来航天发展的划时代意义。中国亦积极布局商业航天领域的技术发展规划与建设，改变传统航天产业格局，形成传统国有大型航天机构与股份制商业航天公司良好的竞争与互补发展局面，推动航天技术发展与创新进入快车道。

2）一体化的空间环境技术发展趋势

过去的航天发展主要是面向对象任务的发展模式，根据任务组织总体技术、分系统指标及产品保证技术，型号任务更偏重于研制，产品化能力较差。一体化的空间环境技术发展趋势要求空间技术的主体提升，通过空间技术的一体化设计使航天器达到空间环境的使用要求，未来实现搭积木式空间技术发展路线，进一步提高应对空间环境的保障能力。

通过对国内外的研究现状进行深入分析发现，未来“天地一体化空间环境及效应研究”将成为空间环境工程技术的发展趋势，即：应用先进的微纳技术开发小型化空间环境探测及效应监测载荷，在未来发射的覆盖不同轨道、多种类型的航天器上进行搭载，实现真实空间环境下的原位测量，并将空间获取数据与地面理论研究、模拟试验、仿真分析等数据融合共享，从而达到拓展空间环境认识、系统地研究空间环境与航天器相互作用以及有效利用空间环境资源的目的，以全面提升空间环境科学与应用技术水平，为空间科学、空间技术和空间应用提供有力的支撑。

3）“更高”“更远”的空间探索发展趋势

深空探测是航天领域的一个制高点，无论从技术难度、规模还是科学贡献来看，其都处于前沿位置。中国一直大力支持深空探测，未来的深空探测计划拟在2030 年之前实现火星采样返回，后续还准备进行太阳系边际探测。太阳距离地球约1.5 亿km（1 AU），而我国计划于2049 年实现“双百”目标，即在新中国成立100 年之际，完成100 AU（150 亿km）远的深空探测。此外，深空探测还包括近地小天体探测等任务。

2 我国空间环境及效应技术发展需求分析

空间环境及效应技术作为航天工程的基础支撑技术之一，其主要技术及基础为环境模型及数据、可靠性数据、空间环境及效应评估技术（试验标准及规范、环境及效应预示）、地面试验平台、防护技术及防护产品等。对我国空间环境领域技术发展需求的简要分析如下：

1）长期在轨空间环境效应技术发展需求

随着航天商业化的发展，无论是军事、科学研究还是商业任务都越来越依赖于空间系统。而高性能设备和系统的应用要求更多采用空间环境综合管理技术[5]，例如，使用耐辐射组件，进行专门的屏蔽和系统冗余设计，开展临界性分析和故障模式分析，实现环境效应减缓和规避等。为了满足这一新趋势需求，需要充分利用长期以来在空间环境效应、模拟试验方面积累的技术基础，提前策划并注意跟随国家产业发展趋势，为未来航天产业化的可持续发展奠定坚实基础。

随着我国航天技术的发展，航天器性能不断提高，大量的先进技术及高性能新材料、新器件得到应用。而这些采用先进技术的高性能航天器对空间环境更加敏感，其空间环境适应性研究将成为重要的考量，对空间环境效应研究提出新挑战，迫切需要开展相关的地面评价和防护技术研究。一方面，要加快空间环境地面模拟试验平台的建设，加速相关基础理论和关键技术的研究；另一方面，空间环境因素多，空间环境效应研究面向的对象多，因此在一些专项领域还应加强专门平台和基础设施建设，如针对新型电子元器件的辐射效应研究平台和设备仍需加强。

当前我国所处的外部环境对航天等高技术行业影响较大，在空间环境技术领域，相关软件缺乏自主知识产权，加之耐空间环境的高等级材料、器件的短缺，对空间环境效应的评估及航天器在轨寿命的保障构成更大压力。

2）天地一体化空间环境探测及应用技术发展需求

美国的空间环境探测具有明确的科学目标牵引，探测计划完备、持续时间长、覆盖范围广，探测数据的综合利用水平高。空间环境探测覆盖LEO、MEO、HEO、GEO 及深空环境，具备对带电粒子、等离子体、电磁场、中性大气、大气辐射、极光、全球大气温/湿度、灾害性天气监测及预报、全球气候变化等环境的综合监测能力。拥有自主的各类空间环境模型[6-11]，并且部分模型对全世界开放。建立了空间环境及效应有关的数据管理系统，在体系保障下对数据进行分级分层次的开放和系统应用。相比而言，我国的空间环境探测数据来源均位于LEO，对于中、高轨道空间环境仅在“北斗”一期中进行了少量探测，其探测数据根本无法满足对全空间环境进行研究的要求。虽然通过科学卫星和业务卫星的搭载，在部分轨道开展了带电粒子环境、等离子体环境、单粒子效应、辐射剂量等监测工作，还开展了月球形貌、月球尘埃、月球表面物质成分等深空环境探测，但是探测载荷大多功能单一，仅能探测高能带电粒子及某类效应，难以实现较宽范围空间辐射效应监测功能。此外国内的空间探测载荷技术长期处在跟踪研究的水平，没有形成技术体系，且载荷的性能指标和探测精度与国外产品存在差距，产品种类单一，未实现工程化、系列化，且新技术应用和转化不足。此外，国内尚无数据共享机制，数据综合应用水平低：一方面，在轨数据少，主要集中在军方或研制方手中；另一方面，地面试验研究数据分散于各高校和研究所，研究缺乏系统性，试验设备和装置的标准化不足，加之空间环境十分复杂（环境因素多，环境参数的范围大），地面模拟方法多样，模拟试验的等效性、加速倍率等差异较大，难以实现试验条件与参数标准化，影响了数据的共享和利用。同时，由于体系缺失，在轨数据和地面数据得不到充分的共享、融合和分析，已有数据的作用和价值没有得到充足的发挥，至今仍未建立起自主适用的空间环境模型。

3）“更高”“更远”的空间科学任务带来的“乏数据”轨道空间环境技术需求

随着我国航天探测领域的不断拓展，已发展到从深空至超低轨道整个空间。而我国的空间环境效应研究目前仍主要集中在典型地球轨道范围，在超低轨道、机动变轨、辐射带槽区等范围内的环境效应研究工作虽已取得一定进展，但距离满足我国航天技术发展的需求还有较大差距。

未来对深空如木星、太阳边际等的探测，以及对行星及其卫星进行密集和更长时间的科学观测都需要对有关环境进行深入分析。例如：以太阳、水星探测为代表的极端高温环境、高紫外线辐照、极高通量密度的高能质子辐射环境[12-15]；以火星探测为代表的多尘环境 （巨大而漫长的风暴）、中等强度光照条件、低温条件、低辐射环境[16-20]；以木星系、土星系探测为代表的低光照强度、低温环境、高能电子辐射环境、微流星环境等[21-26]。

根据已有深空探测器的经验，各个行星及其卫星的空间环境差异较大[27-30]。具有全球磁场的行星，当其偶极子磁矩足够大时有可能存在辐射带，在粒子到达行星大气层顶部之前阻止太阳风的流动，辐射带内的粒子将失去其碰撞产生的能量[31-33]。众所周知，木星、土星和天王星具有高能辐射环境，研究人员认为这些环境类似于地球俘获的辐射带[34-35]。探测数据显示，火星也有辐射环境，火星、土星和天王星的辐射环境强度远低于地球，不会对电子设备构成威胁，而木星的辐射环境比地球的要强烈得多。因此，航天器的任务规划中应针对木星的俘获区域予以足够的关注，包括对其辐射环境的详细定义。例如，必须对能量＞100 MeV 的电子进行建模以进行准确的剂量计算，而木卫一（Io）上的火山活动会注入氧气和硫离子，从而构成显著的单粒子效应危害[36-38]。

相对于地球空间环境，深空探测场景中的环境数据相对缺乏，例如，相对数据较丰的木星辐射数据，NASA“伽利略”任务使用的基线辐射环境模型是Divine-Garrett（D-G）模型[39]，其数据基础来源于20 世纪70 年代的“先驱者10 号/11 号”以及“旅行者一号/二号”的飞越任务；基于“伽利略”任务中高能粒子探测器（EPD）的捕获电子数据，NASA 开发了伽利略临时电子环境（GIRE）模型[40-41]。然而，这些模型只基于少量的轨道探测数据建立，因而存在较大不确定性。

3 空间环境及效应技术发展要点

经过几十年的发展，我国在空间环境工程领域取得了巨大成就，一系列重要成果成功应用于航天器的研制过程中，对航天器的在轨可靠性给予了有力支撑；但仍有很多领域和方向有待进一步发展。根据近年来国内外空间环境工程技术的发展趋势与需求，本文提出我国未来空间环境领域需要采取自主创新、集成创新、引进消化吸收再创新的技术发展路径，要点如下：

课堂教学中教师可以利用平台针对某个知识点或者一节课的所有知识点，做一次课堂检测，由于平台可以同步看到学生的答题情况，汇总统计答题的结果，这样教师就能够根据随堂练习的反馈结果及时把握学生的掌握情况，及时对学生进行分层式的个性化指导，也便于后面教学内容的调整。

1）空间辐射环境危害综合监测技术

空间辐射环境危害综合监测技术是通过不同环境与效应探测模块对高能粒子的响应特征表现的监测，实现辐射效应的综合诊断和预警，并根据相应的应急预案进行处理。该项技术可应用于中轨、高轨卫星预警载荷，能够直接反映辐射环境危害程度，是航天器故障诊断和预警的重要手段，可实现航天器在轨故障的快速监测与定位。为应对粒子诱发的辐射效应危害，国外研发出的多功能、一体化空间环境危害监测器有：美国紧凑型空间环境异常监测器，ESA 标准辐射环境监测器，法国空间环境监测器等。国内未来为拓展探测对象及提升探测器功能、性能，需要通过采用模块化设计创新思路，形成实时探测微电子芯片辐射效应及表面、深层充电效应监测能力；集成多类环境效应功能模块，形成多功能一体化空间环境危害监测能力；针对不同卫星平台装备应用，形成空间环境危害综合感知网络，具备甄别环境破坏和人为干扰危害的监测能力。

2）新型高性能器件辐射效应及加固技术

高性能智能数据处理系统可应用于遥感等实时、智能处理应用场景。随着机器深度学习技术的逐步成熟，智能卫星处理系统将会采用多核CPU+多核GPU 等高性能计算平台，在大数据、云计算技术的支持下，为卫星智能图像、多传感器数据实时处理提供技术支撑。因此，基于高性能智能数据处理系统的空间辐射效应研究成为一个全新的领域，为了加快智能数据处理系统在空间的应用，需要掌握其辐射效应特征规律与加固技术。美国高性能空间飞行计算（HPSC）项目基于ARM 处理器架构下一代抗辐射多核处理器，将在专用航天飞行计算机及飞行子系统中使用。赛灵思（Xilinx）全新20 nm抗辐射XQRKU060 FPGA 提供无限在轨重组能力，数字信号处理（DSP）效能提升10 倍，实现了高效能机器学习功能的首次空间应用，为星上即时处理提供神经网路推论加速[42]。国内科研院所在国产SoC 多核处理器辐射加固技术上也取得了大量成果，尚需在高性能多核SoC 系统辐射损伤特征机理、表征方法及仿真方面开展深入研究，进行高性能多核SoC 系统的辐射效应芯片级、系统级加固设计与验证，积极推进实现高性能多核抗辐射SoC 系统的空间在轨应用验证。

3）基于机器学习的辐射效应智能检测与纠错技术

机器学习可应用于新一代高性能星载信号处理平台的单粒子效应监测与纠错领域，其本质是对数据分类的过程，从单粒子翻转效应（SEU）角度看就是利用模型预测一个bit 是否正确，并通过数据翻转使其恢复正确值。随着CMOS 芯片技术的发展，对于新型纳米器件，主要辐射损伤因素已不是单粒子锁定（SEL）等硬错误，而是单粒子翻转（包括多位、多字节翻转等）、单粒子瞬态（SET）效应等。此外，超大规模纳米集成电路的单粒子效应异常复杂，很难掌握其辐射特征与机理，因此基于机器学习的单粒子效应纠错技术通过模型训练发现并纠正翻转错误成为新的研究热点，结合系统级单粒子效应加固设计方法，有望解决超大规模集成电路空间应用受单粒子效应制约的问题。2014 年Hooten首次使用机器学习分析SET 数据[43]。2019 年Patel使用二维线性判别模型，结合电离辐射效应光谱图，正确分类了振荡器和锁相环电路的工作电压与总剂量关系，可用于电子器件的原位健康监测[44]。2021 年Loveless 采用K 最邻近分类算法k-NN 正确分类了锁相环电路的单粒子瞬态[45]。2022 年Ildefonso 在美国海军项目支持下研究了基于机器学习减缓射频电路系统单粒子效应的方法，结果表明机器学习对受单粒子瞬态影响的数据是否发生翻转现象的分辨准确率可达99.2%[46]。

我国的智能纠错研究有待提高，需要基于现有的大量单粒子效应试验数据开展机器训练研究，建立辐射效应机器学习模型；开展适应于器件资源需求的模型优化研究，建立超大规模器件辐射效应机器学习训练模型，研制兼容辐射效应机器学习的宇航级智能系统。

4）空间环境效应系统级仿真分析软件

5）空间环境效应矩阵数据库

国外空间环境效应试验研究已有较为长期而丰厚的积累。我国空间环境效应地面模拟实验研究虽然受到相关航天部门和单位的重视，高校、科研院所也开展了一定的研究，但由此得到的空间环境效应地面模拟数据相对分散。针对这样的现状，需要全面收集、整理和提炼各环境试验数据，建立航天用、商用基于试验数据质量分析的电子元器件辐射效应数据库；利用大科学工程综合环境模拟试验装置等开展协同效应研究，建立空间环境全因素数据库和器件/系统应用环境的完备数据体系，结合在轨实验数据，分析各个维度下的数据内涵信息，提炼普适性规律，并建立综合效应试验分析方法。

4 发展对策思考及措施建议

针对我国空间环境工程领域相关技术发展需求分析，应该首先建立空间环境工程相关技术的体系化发展思路，首先是现有发展成果的固化：无论是空间环境探测数据、评估技术、标准、规范以及防护技术手段，我们均有一定的积累，部分领域技术已较完善，亟需在这些积累基础上，加强顶层设计，使空间环境技术成为一个完善的体系，以支持我国空间技术发展，同时借助航天事业的快速发展机遇，不断完善空间环境技术。

国内外航天实践表明空间环境与航天器的相互作用是影响航天器在轨安全、可靠运行的重要因素。伴随着航天活动的持续深入开展，空间环境与航天器的相互作用将是永恒的研究主题。过去几十年，地面开展的单因素或多因素空间环境效应研究，为航天器研制和运行提供了有力保障，积累了大量的数据，但地面研究只能在材料、器件和部组件层面开展，不能对系统的空间环境适应性和可靠性给出有效评价。

通过对国内外的研究现状进行深入分析后，对于我国空间环境及效应研究，本文提出基于天地一体化的空间环境及效应研究新思路，即：应用先进的微纳技术、商业宇航产品设计技术等开发小型化、低成本空间环境探测及效应监测载荷，在未来发射的覆盖不同轨道、多种类型的航天器上进行搭载，实现真实空间环境下的原位测量，并将空间获取数据与地面理论研究、模拟试验、仿真分析等数据融合共享形成大数据，从而拓展空间环境认识，系统地研究空间环境与航天器相互作用和有效利用空间环境资源，全面提升我国空间环境科学与应用技术水平，为空间科学、空间技术和空间应用提供有力的支撑，如图1 所示。

图1 基于天地一体化的空间环境及效应研究新思路Fig.1 A new approach to the study of space-ground integrated space environment and effects

1）加强空间环境探测及空间环境效应感知理论与技术基础研究

从空间环境探测对象和目标层面讲，要求既开展宏观大尺度的空间物理层面的空间环境现象研究和探测，又特别要加强空间各种环境因素的精准探测和动态探测。

从探测技术上讲，要求加强空间环境与效应理论研究，设计新型在轨空间环境探测与环境效应感知探测器和试验平台，以便获得集成化、小型化和高通量的探测能力，实现大参数范围、高精度的环境因素探测。

从国内各领域已落实的航天器规划来看，“十四五”及后续，将有数百颗航天器运行于各空间轨道，空间环境探测在不同空间位置的布局、探测内容的丰富、探测时间的持续稳定，将助力我国空间环境探测技术的新飞跃，使空间环境探测有条件进入全面应用阶段。随着科学认识的不断发展和微电子、新型材料等基础技术的发展，空间大尺度探测和精细探测的目标都趋于明确，探测设备也逐步向轻小型化、长寿命、高可靠、高集成度方向发展，载荷种类和功能在不断增加，而重量和功耗逐步减小。

2）持续开展天地一体化的空间环境效应理论与技术研究

近年来在互动式的、商业化、国际化的航天发展趋势下，更多主体参与进入空间任务的提出、设计、实施环节，需要天地一体化的空间环境效应理论与技术支持，加强空间环境地面和在轨模拟试验研究，获取规范、系统的材料/器件空间环境效应数据，为空间环境与效应大数据平台提供持续的数据支持，并保证这些数据在多元化的空间任务参与者之间实现有效、可靠和商业化的传递，从而促进空间任务一体化的设计。

由于历史原因，直到空间环境地面模拟大科学平台建设，前期研究的平台主要以工程评价为主。因此，要加快空间环境地面模拟大科学平台的建设，加速相关基础理论和关键技术的研究，支持空间环境效应相关技术由型号保障向产业化保障转变，为快速发展的空间科学、航天技术、空间环境与效应跨越式发展提供支撑。

3）建设国家级空间环境与效应数据平台

深挖现有空间环境探测与效应数据，推进相关空间环境与效应的软件和模型的开发建立，并进行持续、有序的空间环境与效应数据的补充，建设空间环境与效应数据共享平台，制定数据共享指导原则，为数据的高效利用提供便利条件。针对电子元器件，建议尽快制定规范的研判依据、建立航天不同领域的基于试验数据质量分析技术的电子元器件辐射效应数据库，一方面可以全面地收集可能影响实验数据的过程信息，另一方面可以作为研判和检索的依据，对于保证质量并在一定程度上提高使用商用元器件卫星系统的可靠性具有重要意义。借鉴国际上在这方面的经验，在这种国家级的数据平台上，不断优化空间环境与效应模型，形成大量可工程实践的在轨行为评价软件，建立数字化空间环境与效应研究与评价系统。由此，将空间环境地面模拟与效应研究、在轨搭载实验研究和环境效应计算机仿真研究相结合，成为本领域科学研究和工程评价的三驾马车，三者相辅相成，互相补充，不可或缺。

4）实施我国自主的前沿创新空间环境领域科学发展计划

制定具前沿性、探索性和原始创新性的空间科学计划，积极开展空间科学探测活动，拓展人类的认知领域，牵引和带动航天和相关高技术的快速发展，为国家安全、科技进步提供支撑和保障；同时，通过大批创造性的发明和技术应用，为国家经济社会发展、人类生活质量改善提供源源不断的创新活力。随着我国航天器技术的高速发展，仅仅依靠原有的地面研究模式将无法解决新材料、新器件、新技术和新载荷带来的问题，亟需利用天基资源平台系统开展空间环境效应及对应空间环境的原位探测和在轨实验等研究，践行“地面研究—真实空间研究—再地面研究”的发展思路。

5 结束语

通过实施空间环境工程相关的科学问题与工程技术研究，解决涉及的重大基础性科学技术问题，利用商业航天等大规模的卫星系统，获得海量的空间环境及效应原位监测数据，与地面积累数据进行比较和融合，建立产业化的大数据平台，并实现在卫星设计部门、研制部门与航天原材料、元器件供应商等航天产业链参与者之间的数据共享，构建全国范围内一体化的空间环境工程相关的辐射效应数据、环境模型、设计标准、评价规范及标准。围绕构建空间环境体系的目标，坚持需求牵引和创新驱动，推动空间环境技术发展和应用、工程技术优化与提升。