SAA域选划对天基探测卫星影响简析

李宗耀, 张科科,2, 胡海鹰, 盛 蕾

（1.中国科学院 上海微小卫星工程中心，上海 201203；2.中国科学院大学，北京 100039）

SAA域选划对天基探测卫星影响简析

李宗耀1, 张科科1,2, 胡海鹰1, 盛 蕾1

（1.中国科学院 上海微小卫星工程中心，上海 201203；2.中国科学院大学，北京 100039）

通过仿真计算南大西洋异常区（SAA）高能粒子的通量与能量，分析不同通量阈值与能量阈值对SAA空间分布的影响，并以科学实验卫星为研究对象，对其历经SAA的时间百分比进行连续24 h和6个月的统计，获得了SAA对卫星常规运行的工作时间影响。结果表明：在50 MeV能量阈值条件下，500 cm-2⋅s-1较100 cm-2⋅s-1通量阈值对SAA空间分布的影响范围在纬度上相差约23.35%，经度上相差约27.06%，历经SAA时间上缩短约48.0%；在100 cm-2⋅s-1通量阈值条件下，150 MeV较50 MeV能量阈值对SAA空间分布的影响范围在纬度上相差约13.86%，经度上相差约17.29%，历经SAA时间上缩短约31.7%。

南大西洋异常区；天基观测；高能质子；时间百分比

0 引言

南大西洋异常区（South Atlantic Anomaly, SAA）的中心位置位于西经45°、南纬30°，由于地磁弱，其上空出现了范∙艾伦辐射带凹陷，从而导致空间高能粒子在该区域聚集，是航天器异常或故障的高发区[1-2]。低轨卫星特别是携带高灵敏度有效载荷的卫星飞经SAA时，高能粒子将以表面充电、单粒子翻转等形式对星上的微电子元件、功能材料、光学器件等造成辐射损伤[1-5]，甚至导致仪器的损坏。如“哈勃”太空望远镜（HST）、美国“中段空间试验”（MSX）卫星和加拿大“蓝宝石”（Sapphire）微小卫星等在历经SAA时尽管采取了关闭镜盖、载荷断电、软件算法修正、CCD退火处理等手段，但还是遭受到SAA高能粒子不同程度的辐射损伤[1,6-8]。美国NASA和欧洲ESA等机构针对空间高能辐射环境开展了多年的研究，并初步建立了空间辐射环境模型，开展了空间高能粒子分布计算的在线服务。例如 ESA 的SPENVIS[5,9]软件可以计算空间高能粒子分布。尽管如此，在卫星方案制定和研制初期，如何开展SAA中的粒子辐射对卫星的影响评估，制定合理有效的规避策略，事关卫星的在轨工作效率。

我国2013年7月发射的科学实验卫星，运行于670 km高度的晨昏太阳同步轨道，倾角97°。星上装载的高灵敏度相机，在历经SAA时受到了大量高能粒子辐射的影响，拍摄的图像中出现大量白色亮点、亮斑和亮线等，导致探测图像背景噪声异常增加，与恒星背景混杂在一起，不仅影响空间碎片目标的识别和定位，还会降低探测相机的性能、寿命和任务的探测效率[1]。

本文基于SAA的高能粒子分布规律和试验卫星约束条件，通过仿真分析SAA的边界选划方法，给出卫星历经SAA时受影响的程度（用时间百分比表示），为提高卫星在轨工作效率及辅助地面预估研判飞越SAA的影响提供数据支撑。

1 SAA高能粒子影响空间大小分析

SAA中的高能粒子主要包括高能质子、高能电子和少量的高能量宇宙射线粒子等[10-13]，其中高能质子的能量范围在0.1～400 MeV甚至更大[3]，在空间分布上则主要集中在南大西洋上空；高能电子的能量在1 MeV以下，遍布整个南北极区与大西洋上空。在进行低地球轨道卫星的空间辐射评估时，通常以能承受的辐射总剂量（主要受空间高能粒子通量大小的影响）来衡量考虑，而忽略空间高能粒子的短时轰击效应（主要受空间高能粒子能量大小的影响）。本文使用SPENVIS[5]计算工具，调用NASA的辐射带电子通量模型AE-9[2-3]和质子通量模型AP-9[2,14]，对空间高能粒子辐射环境进行仿真计算，以得到高能粒子的分布，并根据试验卫星自身约束条件，开展SAA高能粒子辐射通量和能量分布估算。

1.1 SAA高能质子辐射通量估算

卫星的 CCD类有效载荷在设计选用元器件时，须考虑其辐射总剂量指标，它是衡量在轨工作能力的重要因素之一。“哈勃”太空望远镜可利用在轨图像中有效强宇宙线事件反推评估高能粒子通量大小[7]，并根据该方法，估算了试验卫星在1600 ms积分时间下遭受＞50 MeV的高能粒子通量约为500 cm-2⋅ s-1。

SAA的空间粒子分布（以高能粒子辐射通量和能量衡量）在不同的高度、地理位置各不相同。

本文定义了试验卫星相机的高能粒子通量阈值——经机壳防护后相机能够承受高能粒子轰击而其性能又不会有明显降低（单幅图像的热像元数目增幅小于20%）的高能粒子通量（以下简称通量阈值）作为评价的主要因素之一。考虑试验卫星相机的防护措施，以50 MeV高能质子能量作为输入条件，仿真计算得到 100、200、300、500 cm-2⋅s-1的通量阈值下所对应的SAA空间分布边界，如图1所示；各阈值对应的地理分布范围如表1所示。可以看到：SAA的空间分布边界随着通量阈值的增加而递减，若设定在50 MeV、100 cm-2⋅s-1条件下计算得到的 SAA分布边界大小作为基础边界，在50 MeV、500 cm-2⋅s-1条件下的SAA分布边界的纬度相对缩小了23.35%，经度相对缩小了27.06%。

图1 能量为50 MeV以及不同通量阈值条件下SAA空间分布Fig.1 The SAA spatial distribution for different flux thresholds at 50 MeV

表1 质子能量为50 MeV以及不同通量阈值条件下的SAA空间分布边界Table 1 The SAA spatial distribution boundary for different flux thresholds at 50 MeV

1.2 SAA高能质子能量估算

与通量阈值的定义类似，本文也定义了 CCD相机的质子能量阈值。应用SPENVIS计算不同能量阈值对应的SAA粒子空间分布。设定高能质子辐射通量阈值为100 cm-2⋅s-1时，选择50、70、100、150 MeV分别作为高能质子能量阈值进行研究。仿真计算得到的SAA质子空间分布如图2所示，各阈值对应的地理分布范围如表2所示。对比表中数据可以发现：随着能量阈值的增加，SAA空间分布边界向中心区域缩小，且各个方向的缩小程度不同，南部和东部缩小相比北部和西部较为明显，在纬度上的缩小程度较经度上来得大。若设定在50 MeV、100 cm-2⋅s-1条件下计算得到的SAA分布边界作为基础边界，在150 MeV、100 cm-2⋅s-1条件下的SAA分布边界在纬度上相对缩小了13.86%，经度上相对缩小了17.29%。

图2 通量为100 cm-2⋅s-1以及不同能量阈值条件下SAA空间分布Fig.2 The SAA spatial distribution for different energy thresholds at 100 cm-2⋅s-1

表2 通量为100 cm-2⋅s-1，不同能量阈值对应的SAA空间分布边界Table 2 The SAA spatial distribution boundary for different energy thresholds at 100 cm-2⋅s-1

2 历经SAA时间统计

如上文分析，SAA的空间分布与高能粒子通量和能量的大小相关。低地球轨道航天器各结构表面抗高能粒子辐射的能力不同，将导致其受SAA空间分布边界的影响也不同。特别是对高灵敏度的有效载荷，不同的抗辐射能力，决定了其受SAA影响范围的大小；而确认规避SAA空间分布的大小差异，则直接影响卫星在轨工作的时序与时间。美国的 MSX卫星在进行在轨空间目标信息收集的地面时序规划时，将24 h内卫星经过SAA的时间与持续时间加入任务表中进行规避[10]。可见，SAA空间分布对卫星历经SAA时间的影响研究可用于卫星的在轨安全、任务时间规划以及工作效率分析。

采用STK软件仿真计算卫星在6个月内通过表1和表2中确定的SAA空间分布的时间占卫星飞行时间的百分比。以天为单位考量SAA短期影响，图3给出了卫星在2014年1月1日24 h历经通量阈值为100 cm-2⋅s-1、能量阈值为50 MeV时所确定的SAA空间分布边界的弧段。圆点代表卫星过南极点时间，方框代表卫星过SAA持续时间。由图可知卫星飞行15圈，其中有9圈历经SAA，从经历弧段的时间长短可以看出：卫星历经SAA的时间各不相同，即在相同的空间分布边界条件下，卫星在同一天不同的时段受到SAA的影响不同。

图3 卫星24 h过SAA区域的弧段Fig.3 The segment of SAA-pass time in 24 hours

以月为单位统计SAA长期影响，在不同的通量阈值定义的SAA空间分布边界条件下，卫星在2014年1月至6月历经SAA的时间占卫星飞行时间的百分比如图4所示。结果表明：在相同的通量阈值条件下，卫星历经SAA的时间百分比基本处在同一数值上，最大差异仅为0.13%，说明相同的区域在时间轴上对卫星的影响基本保持不变；对不同的通量阈值条件下的时间百分比进行比较，差异最大的是500 cm-2⋅s-1下的4.27%和100 cm-2⋅s-1下的8.21%之间，尽管二者的时间百分比差值仅约4%，但历经SAA时间却缩短了48.0%。

图4 卫星经历不同通量阈值定义的SAA空间分布边界时间百分比Fig.4 The SAA-pass time percentage of the satellite for different flux thresholds

通量阈值的大小由CCD相机的抗辐射性能决定，而卫星表面的抗辐射保护则决定了卫星能够承受的高能粒子的能量阈值。在由不同能量阈值确立的SAA空间分布边界条件下，卫星历经SAA的时间百分比如图5所示。能量阈值越高，则SAA空间分布的边界越小，而受SAA影响的时间百分比越低，这与卫星抗高能粒子辐射能力增强的趋势一致。同一能量阈值条件下，历经SAA时间百分比趋于一致，最大差异仅为0.13%；不同能量阈值条件下，差异最大的是150 MeV下的5.60%与50 MeV下的8.21%之间，尽管二者的时间百分比差值仅有2.6%，但历经SAA时间却缩短了约31.7%。

图5 卫星经历不同能量阈值定义的SAA空间分布边界时间百分比Fig.5 The SAA-pass time percentage of the satellite for different energy thresholds

综上分析结果表明，在航天器总体设计之初，提高卫星有效载荷的通量阈值和能量阈值，对于降低SAA的影响和提高在轨任务工作效率具有显著的效果。

3 结束语

本文通过对SAA空间高能粒子的通量与能量的仿真计算，分析了与通量阈值和能量阈值所对应的SAA空间分布对卫星的影响。通过计算科学实验卫星经历这些SAA空间分布的时间百分比，定量地给出了 SAA空间分布对卫星工作时间的影响，对卫星安全评估与任务规划具有指导意义。

本文虽然就SAA空间分布以及对低轨科学试验卫星的影响给出了定量结果，但仍有许多工作需进一步完善，例如：

1）需利用在轨试验数据对SAA空间分布的计量结果进行验证；

2）需利用在轨试验数据开展SAA空间分布三维模型研究。

（References）

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（编辑：肖福根）

The influence of south atlantic anomaly boundary on space-based observation satellite

LI Zongyao1, ZHANG Keke1,2, HU Haiying1, SHENG Lei1
(1.Shanghai Engineering Center for Microsatellites, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201203, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

By simulating the South Atlantic Anomaly (SAA), the ranges of the SAA with different flux thresholds and energy thresholds are obtained.As an example, the time percentage of the space-based observation satellite that passes the SAA region is calculated in 24 consecutive hours and 6 months, and the influence of the SAA field on the operation time is evaluated.The results show that, for the 50 MeV energy threshold, with the maximum influence of the flux threshold on the spatial domain, the latitude difference is about 23.35%, the longitude difference is about 27.06%, and the SAA pass time difference is about 48% between 500 cm-2⋅s-1and 100 cm-2⋅s-1flux thresholds.For the 100 cm-2⋅s-1flux threshold, the latitude difference is about 13.86%, the longitude difference is about 17.29%, and the SAA -pass time difference is about 31.7% between 150 MeV and 50 MeV energy thresholds.

SAA; space-based observation; energetic protons; time percentage

V520.6

：A

：1673-1379(2016)05-0479-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.004

李宗耀（1988—），男，硕士学位，研究方向为卫星总体载荷的研究与设计；E-mail: zyli_microsat@163.com。通信作者：张科科（1980—），男，硕士学位，副研究员，研究方向为微小卫星总体设计；E-mail: 13816686945@139.com。

2016-03-17；

：2016-09-05

中国科学院国防创新基金项目“基于卫星网络的分布式星上自主任务规划研究”（编号：CXJJ-155085）；上海市科学技术委员会扬帆计划“双星编队望远镜卫星的高精度协同智能控制研究” 项目（编号：YF141413600）