基于空间辐射环境角度的在轨卫星风险分析及核保建议

郭幸 刘艺童

摘  要：近年随着卫星产业的不断发展，保险公司承保的在轨卫星数量逐渐增多，但卫星风险研究未有相应的发展。鉴于空间辐射环境是造成卫星在轨故障的主要原因之一，本文基于空间辐射环境因素（主要是空间高能带电粒子），分析了卫星轨道、空间天气及抗辐射设计对卫星在轨风险的影响，对卫星在轨保险核保提出了针对性的建议，为航天保险提供技术支持。

关键词：在轨卫星  空间辐射环境  带电粒子  在轨风险  核保

中图分类号：V443                              文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）10（a）-0016-06

Abstract： In recent years， with the continuous development of the satellite industry， the number of in-orbit satellites insured by insurance companies has gradually increased， but satellite risk research has not developed accordingly. In view of the fact that space radiation environment is one of the main causes of satellite orbit failures this paper analyzes the influence of satellite orbit， space weather and anti-radiation design on the risk of on–orbit satellite based on the space radiation environment factors （mainly high-energy charged particles in space）. Finally targeted suggestions on the underwriting of on-orbit satellite insurance are put forward for insurance companies to provide technical support for aerospace insurance.

Key Words： On-orbit satellite; Space radiation environment; Charged particles; On-orbit risk; Underwriting

經过几十年的发展，全球卫星产业规模持续扩张，已成为带动全球航天经济增长的重要引擎。艾瑞咨询发布的2019年《中国商业航天发展研究报告》显示，从2012—2017年，全球卫星发射数量持续增长，特别是小卫星数量，增长了16倍;中国发射的航天器入轨数量在2018年也成倍增长。

随着发射卫星的增多，在轨卫星出现的故障也逐渐增多，航天保险模式呈现新的发展趋势。目前我国已经是一个航天大国，航天保险市场在承保能力上也可以比肩欧美，但在风险评估、核保报价能力等方面与国际航天保险市场存在着一定差距。

目前国内保险公司核保人在进行在轨卫星核保时首先考虑卫星平台和载荷的技术风险，其次考虑损失定义和保障期间等保险条件的设置，但对在轨卫星运行的空间辐射环境考虑较少，而国内外统计数据表明，空间辐射环境特别是宇宙带电粒子辐射是引起卫星故障异常的主要原因之一，可能造成很大损失，如2010年5月4日高能电子诱发的深层充放电效应导致银河-15卫星发生故障，相关业务转向银河-12卫星;2003年10月万圣节太阳风暴中，太阳质子事件导致46颗通信卫星发生异常，日本先进地球观测卫星-2完全失效。

鉴于空间辐射环境特别是宇宙带电粒子辐射为在轨卫星很大风险因素，并且至今尚未有文章对这方面风险进行论述，本文将对空间环境中带电粒子辐射造成的在轨卫星风险进行分析，并就卫星在轨保险核保提出针对性的建议。

1  空间环境带电粒子辐射简介

卫星在轨运行期间，遭受的空间环境带电粒子辐射主要来自于宇宙射线，包括银河宇宙射线、太阳辐射和地球辐射带。

银河宇宙射线大部分为质子和重离子，但高能重离子的通量比质子通量低几个量级。能量低于1 GeV 的银河宇宙射线粒子通量受到太阳活动周期的影响，在太阳活动极大年，通量小;在太阳活动极小年， 通量大。另外，在赤道附近地磁磁场线平行于地球表面， 大部分带电粒子被地磁场所偏转，银河宇宙射线粒子通量最小;而在地磁场的南北极，由于磁场线垂直于地球表面，高纬度的银河宇宙射线粒子就能沿着磁力线进入两极，因此该区域银河宇宙射线粒子辐射通量最大。

与卫星故障相关的太阳辐射主要是太阳耀斑和日冕物质抛射（ CME） 。太阳耀斑射线中绝大部分是质子（占90 %以上），故称为太阳质子事件，持续时间较短，约几个小时。日冕质量喷射具有较大的质子通量， 持续时间较长，约几天。日冕喷射的等粒子体质量要远高于太阳耀斑发射的质量。太阳活动周期大约7 ～14 年，平均11 年。

地球内辐射带和外辐射带内存在着大量被地磁场捕获的高能带电粒子，主要是电子和质子。内辐射带距地面中心高度为3000 km～1 re （re 为地球半径）左右，南北纬40°以内，主要是捕获质子，峰值范围150～250 MeV;南大西洋异常区（SAA）辐射带粒子密度更高，200km高度即有高能质子存在;在两极地区由于磁力线的聚积作用， 极区高能粒子的通量也较大。外辐射带中心位置高度约3.5～5re，南北纬55°～70°以内，主要捕获高能电子，能量最大可达到10MeV。外辐射带的电子通量比内辐射带高一个数量级。

2  空间环境带电粒子辐射对在轨卫星造成的损失效应

空间环境带电粒子辐射对在轨卫星产生的损失效应主要为总剂量效应、单粒子效应和充放电效应。

2.1 总剂量效应

总剂量效应包括电离总剂量效应和位移损失效应，该效应对电子元器件和材料的损伤并非是瞬时产生的，而是经过通过时间积累逐步形成的。

电离总剂量效应是带电粒子在半导体器件内产生电子空穴对，形成氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷，从而导致电参数发生漂移，引起器件功能失效。一般半导体器件均受电离总剂量的辐射影响。

位移损失效应为入射粒子与半导体中周期性晶格原子发生碰撞，形成空位-间隙对缺陷，造成位移损伤，会导致半导体的器件参数退化或永久性失效。敏感元器件主要有双极晶体管和太阳能电池、CCD、CMOS 图像传感器、光耦、LED 等光电器件。

2.2 单粒子效应

单粒子效应是空间单个高能质子和重离子穿越单元电路敏感区时，产生的电子-空穴对被器件内部的电场收集，引起器件存储、输出的变化，可分为单粒子翻转（SEU）、单粒子锁定（SEL）、单粒子烧毁（SEB）、单粒子栅击穿（SEGR）、单粒子瞬态效应（SET）等多种类型。主要影响SRAM、PROM、EEPROM、Flash、DSP、FPGA、数据总线等大规模集成单路以及A/D、D/A、DC/DC、功率MOS 管、运放等模拟或数模混合电路。

1990年9月3日，中国“风云一号B”气象卫星发射入轨后，星载计算机集成电路多次出现单粒子翻转现象，集成电路“0”“1”颠倒，卫星仅在轨工作165天即宣告失效。

2.3 充放电效应

充放电效应分为表面充电和内部深层充电，表面充电是能量不能穿透卫星表面的等离子体与运行中的卫星相互作用，在卫星表面积累电荷的现象。内部充电是空间带有足够能量的带电粒子穿过卫星表面，在介质内传输生成一个层间电荷结构的过程。

1998年5月19日，美国银河-4通信卫星发生故障失效，造成4千万传呼业务中断，调查结果显示为卫星内部充电导致失效。

3  基于空间辐射环境的在轨卫星风险分析

在轨卫星辐射风险与卫星轨道、保险期空间天气情况及卫星抗辐射性能等相关，具体分析如下。

3.1 卫星轨道

不同空间区域具有不同的空间环境，卫星所受的辐射风险也不同，与卫星所在轨道息息相关。

张晓芳[6]等对来自美国国家地球物理数据中心（以下简称“NGDC”）1963-1994年的卫星故障数据以及中國7颗低轨卫星和12颗同步卫星（以下简称“CHN”）的故障资料进行了研究，包括低轨道（LEO，100～1000km）、中轨道（MEO，1000～20000km）和高轨道（GEO，20000km以上）卫星。统计结果显示主要故障类型为单粒子翻转（SEU）、表面充电效应（ESD）、内部深层充电所引发的电磁脉冲（ECEMP），同时出现了6例无线电波干扰事件（RFI），剩余为未知故障（UNK），如图1所示：由图1可见，高轨道（GEO）无论是故障种类还是故障数量都高于中轨道和低轨道，包括3个故障种类（SEU、ESD和ECEMP）;低轨道（LEO）主要是SEU;而中轨道（MEO）则有许多未知原因的故障事故。

本文将对3种轨道（GEO、MEO和LEO）卫星风险分别分析如下。

3.1.1 高轨道（GEO）卫星风险

高轨道卫星位于外辐射带边缘，在空间环境平静情况下，高能电子和高能质子的通量都不高。根据风云二号卫星[8]空间环境监测器的探测，太阳和地磁宁静时，电子通量为10～2×102/cm2·s·sr，质子通量为6×102～8×103/cm2·s·sr，但高能质子一段时间才偶有计数。

然而太阳爆发性活动使得高轨道区域出现大量高能质子（>10MeV），在风云二号卫星上观测到太阳活动峰年间多起太阳质子事件，质子通量超过10pfu。这些高能质子通过辐射剂量效应、单粒子效应等对航天飞行任务以及卫星上搭载的敏感元器件造成损害，在NGDC卫星[6]上观测到多起SEU故障。

另外，根据孙毅[7]等的研究，与同倾角的LEO、MEO 相比，GEO轨道受太阳质子引起的位移损伤最为严重，大约是同倾角MEO的5倍，这是由于轨道高度较高，地磁屏蔽的作用减弱，使得在轨卫星遭遇更高通量的太阳质子，因此GEO轨道上的卫星辐射剂量风险也很高。

由于卫星表面材料几何形状、介电常数和所受光照不同，向光面和背光面两侧会产生电位差。在地磁亚暴期间，当该电位差达到或超过表面材料击穿阈值后，便会导致表面充电（ ESD）。典型地磁亚暴每几个小时发生一次，在GEO 轨道可能产生数十千伏的带电电压，因此GEO轨道上的卫星ESD风险很高。

在地磁活跃特别是大磁暴期间，GEO轨道上高能电子（>2MeV）通量在几小时到几天的时间内出现好几个量级的增强变化，这些高能电子会穿透卫星屏蔽，沉积在卫星内部介质上，导致深层充电出现，而在长时间高通量后还可能会产生放电损害，因此GEO轨道上的卫星内部充电风险也非常高。

因此，由于高轨道（GEO）卫星处于外辐射带外，直接受地磁活动和太阳活动影响，单粒子效应、总剂量效应和充放电效应风险均较高。

3.1.2 中轨道（GEO）卫星风险

中轨道（GEO）卫星运行在地球外辐射带内，根据冯彦君[4]等提供的数据，外辐射带内高能质子通量相对小，而高能电子通量相对大。

目前代表性的中轨道卫星为通信或导航卫星，高度约为10000km或20000km，倾角约55°，在该区域内目前观测到高通量的高能电子。中国北斗卫星上的高能电子探测数据[10]表明，在外辐射带中心处0.5～0.6MeV的电子通量可达1.92×106/cm2·s·sr，而且高能电子通量随时间变化明显，可相差3个量级。根据王子凤[11]等的研究，目前常用的22000km高度、倾角约55°的卫星，一个轨道周期需2次进出外辐射带，导致高能电子通量剧烈变化，则该类轨道内部充电风险比GEO高。

另外，根据孙毅[7]等的数值模拟研究，低倾角的中轨道卫星处于地磁捕获的外辐射带，质子能量很低，故位移损伤相对较小，但高倾角的中轨道接近两极地区，地磁屏蔽作用较小，在太阳质子事件发生时，可能遭遇更高通量的太阳质子，故位移损失剂量较大。

因此，中轨道（MEO）卫星位于外辐射带，卫星内部充电风险高;对于高倾角的卫星，由于接近两极地区，位移损失剂量大，总剂量风险也较高。

3.1.3 低轨道（LEO）卫星风险

低轨道卫星处于地球内辐射带内，而内辐射带主要是捕获质子，故低轨卫星最主要风险为单粒子事件和总剂量效应。

轨道高度小于600km，且倾角小于40°的卫星，轨道基本不进入南大西洋异常区（SAA），面临的辐射较为温和。

当轨道高度为600～1000km时，卫星进入内辐射带下边界，很有可能经过南大西洋异常区（SAA），遭遇内辐射带高能质子和高能电子。根据美国国家海洋大气局发射的系列极轨太阳同步低高度气象观测卫星第五代NOAA-15到NOAA-19 的粒子探测器数据[13]，高通量高能质子与高能电子主要分布在南、北辐射带与南大西洋异常区（SAA），这个区域也是单粒子故障多发区域。

关于低轨道与位移损失剂量的关系，根据孙毅[7]等的研究，因为内辐射带内地磁捕获质子是导致位移损伤的主要因素，故轨道高度较低、倾角较小的LEO 基本不受太阳质子的影响;高度低、倾角大的极地轨道穿越南大西洋负磁异常区（SAA）和地磁南北极区，因地磁捕获质子和太阳质子引起的位移损伤要严重很多。

因此，低轨道（LEO）卫星位于内辐射带，主要风险为单粒子效应和总剂量效应，且风险高发区域为倾角大的极地轨道和穿越南大西洋异常区（SAA）的轨道。

3.2 空间天气状况

大量分析表明恶劣空间天气会导致卫星故障，而高轨道卫星处于地球辐射带边缘或辐射带外，受空间天气影响更大，本文对太阳质子事件、磁暴和相对论电子增强事件进行分析。

根据张晓芳[6]等对来自NGDC（1963-1994年）和CHN（2004-2012年）的卫星故障数据与空间天气关系的研究，空间天气对卫星故障影响有如下规律。

（1）卫星故障呈现太阳活动周期性。

太阳活动峰年相应的太阳质子事件和磁暴发生频率较高，低轨道单粒子事件明显高于其他时段;并且在太阳活动爆发后，因高能粒子注入极区，高地磁场区也成为单粒子效应频发区。

高轨道卫星单粒子效应受太阳质子事件影响相对较大，NGDC卫星上超过1/3的单粒子效应故障发生前后72h发生了太阳质子事件。

太阳活动谷年附近，高能电子通量高，卫星内部充电风险高。

（2）磁暴能导致所有类型的卫星故障。

数据显示大部分的卫星故障前后72h地磁活动达到了磁暴水平，包括NGDC卫星中97.6%的低轨道单粒子故障、87.2%的同步轨道单粒子故障、93.6%的表面充电效应和88.4%的内部充电效应，而且大部分发生在中级（包含）以上磁暴事件期间。

（3）强相对论电子事件易引发卫星充放电效应。

强相对论电子事件在距离太阳活动谷年前两年左右和春秋分发生率最高，在太阳活动峰年附近发生率较低。强相对论电子事件引发的高能电子通量导致相应的卫星表面充电效应和内部深层充电，因此卫星充放电效应具有季节性，在春秋分点附近明显。

因此，卫星故障风险与保险期间空间天气的情况有关，在太阳活动峰年相应的太阳质子事件和磁暴发生频率较高，低轨卫星（包括极地卫星）和高轨卫星的单粒子效应显著;磁暴会带来高通量电子，中高轨卫星表面充电效应发生频率高;在太阳活动谷年和春秋分季节，强相对论电子事件发生频率高，会导致中高轨卫星发生充放电效应故障。

3.3 抗辐射设计

由于卫星处于复杂的空间环境下，为提高卫星可靠性，都设计了一定的抗辐射措施，这些措施有效降低在轨卫星的风险。

对于低轨卫星，单粒子效应和总剂量效应风险相对较高，卫星设计的抗辐射指标反映出卫星抗辐射风险能力。根据张洪伟[12]等的研究，在不考虑太阳峰年影响，设计裕度为2，且卫星设计寿命为10年，铝屏蔽厚度为3mm的情况下，抗辐射指标如表1。

对于中高轨道卫星和极地卫星，抗辐射指标有所不同，孙毅[14]等对不同轨道位移损失剂量进行了数值模拟分析，计算出等效3mm铝屏蔽下不同寿命期的位移损失剂量，其中极地轨道、倾角55°的中轨道和高轨道，8年寿命期的位移损失剂量分别达到1.52×1010p/m2、2.69×1010p/m2和2.83×1010p/m2。

對于中高轨道卫星，高电子通量引发的卫星充放电效应风险较高，故卫星防静电设计也非常关键。目前采用主要有两种方法：被动防护和主动电位控制方法。被动防护包括卫星结构设计、介质材料和厚度选择、介质接地方式等;主动电位控制方法是通过粒子发射装置喷射带电粒子降低卫星整星结构和表面电位，将静电电位控制在安全水平的方法，我国地球探测双星中“探测1 号”采用的就是主动控制方法。

4  结论与核保建议

空间环境中带电粒子辐射造成的在轨卫星故障主要包括总剂量效应、单粒子效应和充放电效应，在轨卫星风险与卫星轨道设计、保险期间空间天气状况以及卫星抗辐射设计有关，主要结论如下：

（1）高轨道（GEO）卫星处于外辐射带外，直接受地磁活动和太阳活动影响，单粒子效应、总剂量效应和充放电效应风险均较高。

（2）中轨道（MEO）卫星位于外辐射带，高能电子通量高，卫星内部充电风险高;对于高倾角的卫星，由于接近两极地区，位移损失剂量大，总剂量风险也较高。

（3）低轨道（LEO）卫星位于内辐射带，主要风险为单粒子效应和总剂量效应，风险高发区域为倾角大的极地轨道和穿越南大西洋异常区（SAA）的轨道。

（4）卫星故障呈现太阳活动周期性，在太阳活动峰年，太阳质子事件和磁暴易发，卫星单粒子效应风险高;而在太阳活动谷年附近和春秋分，强相对论电子事件发生率高，高能电子通量高，卫星内部充电风险高。

（5）为应对复杂的空间环境，现代卫星都设计了一定的抗辐射措施，这些抗辐射措施在一定程度降低了卫星在轨风险。

考虑以上的分析结论，保险公司在进行在轨卫星核保时，建议考虑以下因素：

（1）卫星所处轨道高度及形状。高轨道卫星（GEO）直接受地磁活动和太阳活动影响，单粒子效应、总剂量效应及充放电效应三者风险均较大，而中轨道主要风险是充放电效应，若中轨道位于外辐射带边缘且需在一个周期内多次进出外辐射带，则内部充电风险更高;低轨道主要风险是单粒子效应，极地轨道和穿越南大西洋异常区（SAA）的轨道风险较高。

（2）保险期间空间天气情况。卫星故障呈现太阳活动周期性，而太阳活动周期为11a。若中高轨卫星寿命期跨越太阳谷年，强相对论电子事件发生概率较高，则充放电风险高。

（3）卫星抗辐射设计与卫星轨道和卫星寿命期空间天气情况匹配情况。对于寿命长的低轨卫星，需要考虑相应抗辐射指标;对于中高轨卫星，卫星充放电防护设计水平是很重要参考因素。

由于空间辐射环境复杂，且带电粒子辐射造成卫星故障的机理研究还不是很成熟，建议保险公司收集卫星故障数据，建立在轨卫星赔案数据库，在该数据库基础上建立在轨卫星风险评估模型，指导前端核保和承保后端风控，全面提升在轨卫星风险管理水平。

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