导航卫星受地球外辐射带影响仿真分析

蒋 虎,胡海鹰,龚文斌

(1.上海微小卫星工程中心,上海 200050;2.中科院上海微系统与信息技术研究所,上海 200050)

0 引 言

考虑到覆盖范围广的特点,目前,国际上导航卫星所选取的轨道通常是中高轨道。比如美国的GPS导航系统,卫星轨道高度是20 200 km左右;俄罗斯GLONASS导航系统,卫星高度为:19 100 km左右;欧盟的GALILEO导航系统,卫星高度为23 000 km左右;中国的北斗一号导航系统,卫星高度为35 786 km;中国的北斗二号COMPASS导航系统[1],采用了多样化的卫星高度和卫星倾角,即采用了混合星座形式,卫星高度分别为20 000多km,36 000 km,轨道倾角为55°或0°,由于导航系统的卫星处于中高轨道,该空间区域受到地球外辐射带影响，因此,考察该区域的空间环境将对导航卫星抗辐射设计提供一定的参考作用，文中,针对外辐射带对20 000多公里和36 000 km轨道高度区域的空间环境进行了仿真分析。

1 地球辐射带

太阳发出的带电粒子被地球磁场俘获,并被束缚在离地表一定距离的空间区域,形成若干条带电粒子带， 这一现象被发现于上世纪中叶。 美国科学家范艾伦在上世纪中叶根据“探险者”的观测资料首先证实了内辐射带的存在,并给出了内辐射带结构和范围,同时发现内辐射带外面还有另一条带电粒子带,即外辐射带，它们被称为内范艾伦带和外范艾伦带[2]，如图1所示,地球内外辐射带对称于地球赤道排列。内辐射带的中心约在1.5个地球半径,范围限于磁纬±之间。外辐射带位于地面上空约2～3个地球半径处,厚度约为6 000 km,范围可延伸到磁纬50°～60°.

1992年年初,美国和俄罗斯科学家发现了分布在地球内外辐射带之间的第三辐射带,该辐射带由反常宇宙线构成,大部分成分是丢失一个电子的氧离子。

图1 地球辐射带示意图[2]

2 中高轨道空间辐射仿真分析

导航卫星的工作寿命一般都比较长,以北斗一代卫星为例,一般为8年左右,北斗二代卫星寿命要求更高,将达到10年,甚至更长，以10年寿命为例,对中高轨道的空间环境进行仿真,主要集中在电子、质子通量及其累积的辐射剂量等指标给出仿真结果。

1)中轨道电子、质子分布、累计辐射剂量仿真如图2、3、4所示。

图2 20 000多km高度轨道电子积分/微分通量分布

图3 200 00多km高度轨道质子积分/微分通量分布

图4 10年内20 000多km高度轨道辐射剂量

2)高轨道电子、质子分布、累计辐射剂量仿真,如图5、6、7所示。

图5 36 000 km高度轨道电子积分/微分通量分布

图6 36 000 km高度轨道质子积分/微分通量分布

从以上仿真结果来看,对于中轨道空间辐射而言,当屏蔽厚度大于9 mm,再增加屏蔽厚度的方法对辐射隔离不再敏感。对于高轨道空间辐射而言,当屏蔽厚度大于7 mm,再增加屏蔽厚度方法对隔离辐射已经不再敏感。可见,仅从辐射加固角度来说,在卫星设计时(10年寿命为例),对于中轨道卫星屏蔽厚度区间取[8，9]为宜, 对于高轨道卫星屏蔽厚度区间取[6，7]为宜,厚度单位:mm.

图7 10年内36 000 km高度轨道辐射剂量

3 结束语

从仿真结果来看,中轨道空间辐射环境相对恶劣些,高轨道空间环境相对较缓和;由于仿真结果是受太阳活动周期影响的,即因考察的年份而异的,因此在卫星设计时,应根据卫星发射年份、卫星寿命、卫星轨道参数等指标来有针对性地进行空间环境特性仿真分析,而不能简单地对照相关参考资料简单地判断卫星的空间环境情况.

[1]董成喜,王 健,张馨予.卫星导航系统频率轨道资源利用方案分析[C]//The 2ndChina Satellite Navigation Conference,2011.

[2]百度百科.范艾伦辐射带[EB/OL][2014-03-11]..