風云三號E星空間環境載荷綜合探測技術

沈國紅 黃聰 張鵬飛 張效信 王金華 李佳薇 宗位國 張珅毅 張賢國 孫越強 楊勇 張煥新 鄒鴻 王勁東 孫瑩 白超平 田崢

北京大學學報(自然科學版) 第60卷 第1期 2024年1月

Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 60, No. 1 (Jan. 2024)

10.13209/j.0479-8023.2023.096

國家自然科學基金(41931073)和國家重點研發計劃(2021YFA0718600)資助

2023–01–29;

2023–02–28

風云三號E星空間環境載荷綜合探測技術

沈國紅1,2,?黃聰3,4張鵬飛5張效信3,4王金華5李佳薇3,4宗位國3,4張珅毅1,2張賢國1,2孫越強1,2楊勇5張煥新1,2鄒鴻6王勁東1,2孫瑩1,2白超平1,2田崢1,2

1.中國科學院國家空間科學中心, 北京 100190; 2.北京市空間環境探測重點實驗室, 北京 100190; 3.中國氣象局國家衛星氣象中心北京市空間天氣重點實驗室, 北京 100081; 4.許健民氣象衛星創新中心, 北京 100081; 5.上海衛星工程研究所, 上海 201109; 6.北京大學地球與空間科學學院, 北京 00871; ? E-mail: shgh@nssc.ac.cn

針對中國風云三號衛星運行的低地球太陽同步軌道, 開展空間環境及粒子輻射效應監測, 提出基于空間環境監測器Ⅱ型載荷的綜合探測技術。在各載荷技術指標的地面研制過程中, 通過標準放射源、等效信號源、粒子加速器和標準磁場等不同方式進行標定和實驗驗證。結果表明, 多方向全能譜粒子探測的能量范圍為 30keV～300MeV, 精度優于 10%; 磁場強度測量范圍為?65023～+65023nT, 精度優于 0.73nT; 電位探測范圍為?32.4～+23.7kV, 靈敏度優于 10V; 輻射劑量探測范圍為 0～3×104rad(Si), 靈敏度優于 8.3rad(Si)。通過空間環境監測器Ⅱ型載荷對衛星運行軌道上的粒子輻射環境、原位磁場矢量變化、輻射劑量累積以及衛星表面電位變化等進行觀測, 可以為航天活動、衛星設計、空間科學研究及空間天氣預警預報業務提供必要的數據支撐。

空間環境; 粒子探測; 電位探測; 輻射劑量; 磁場探測

風云三號(FY-3)氣象衛星是實現全球、全天候、多光譜、三維、定量遙感的我國第二代極軌氣象衛星系列, 包括 01 批、02 批、03 批和已規劃的04 吉林農業大學批共 4 個批次。其中, 03 批將瞄準氣象衛星國際發展的先進水平, 實現我國第二代極軌氣象衛星的多星組網業務化, 帶動我國氣象衛星應用進入成熟發展階段[1–4]。

空間環境監測器Ⅱ型(SEM-Ⅱ)載荷是 FY-3E 星(03 批第一顆衛星)搭載的遙感儀器之一, 由高能粒子探測器、中能質子探測器、中能電子探測器、輻射劑量儀、磁強計和電位探測器 6 種空間環境探測載荷組成。FY-3E 星于 2021 年 7 月 5 日成功發射上天, SEM-Ⅱ主要用于對衛星運行軌道上的粒子輻射環境、輻射劑量累積、原位磁場矢量變化以及衛星表面電位變化等開展綜合探測, 為航天器在軌運行提供安全保障, 對無線通信、導航定位[5–8]、中高緯地區飛機和地面電網等系統的正常運行也具有重要意義, 并為空間天氣和氣象研究[9–12]等提供重要的科學數據。

1 應用目標

空間環境指距地面幾十公里直到太陽的廣闊空間的物理狀態及變化, 其組成要素一般包括太陽電磁輻射、帶電粒子輻射、等離子體、軌道大氣和微流星體等[13]。風云三號衛星的運行軌道為 836km近極地太陽同步軌道, 該軌道遭遇的粒子輻射主要來源于輻射帶、銀河宇宙線和偶發的太陽粒子事件等[14]。

圍繞地球存在高能帶電粒子束縛的區域稱為輻射帶, 包括外輻射帶和內輻射帶。外輻射帶主要是高能電子輻射, 其在赤道面的高度范圍為 3～9Re (Re 為地球半徑), 1 MeV 以上的電子通量最大值出現在約 4Re 處。內輻射帶主要是高能質子, 其在赤道面的高度范圍為 1.1～3.3Re。由于地球自轉軸與地磁軸之間存在偏角, 使得內輻射帶在南大西洋區的高度降低到 200km 左右, 即南大西洋異常區(south atlantic anomaly, SAA)。風云三號衛星在經過南大西洋異常區時受到輻射帶質子和電子的輻射[15–16]。

銀河宇宙線指產生于太陽系外銀河系的高能帶電粒子。銀河宇宙線的成分包含電子(約 2%)和元素周期表中所有元素的原子核(約 98%)。原子核以質子(約 87%)和粒子(約 12%)粒子為主, 重核數只占約 1%。銀河宇宙線的能量范圍非常寬, 低至幾十 MeV, 高達 1014MeV[17]。

太陽劇烈活動時, 出現耀斑爆發或日冕物質拋射, 伴隨大量高能帶電粒子噴射。高能帶電粒子包括電子、質子和重離子。太陽高能粒子事件的發生具有隨機性, 太陽活動高年的發生頻次高, 太陽活動低年的發生頻次低, 發射粒子的成分、強度和能譜等與太陽活動區的位置、磁場結構以及大氣成分等有關, 在飛抵地球過程中還受到太陽磁場和地球磁場的影響[18–21]。

在遠離地球的行星際空間, 銀河宇宙射線的粒子分布是各向同性的。但是, 當帶電粒子進入地球磁場的作用范圍之后, 受地球磁場的影響發生強烈偏轉, 呈現空間分布上的不均勻性和入射方向上的各向異性, 即存在地磁效應[22]。此外, 地球磁場也影響粒子的空間分布, 空間各點的磁場強度和方向各不相同, 存在不同的磁剛度閾值。由于地球磁場的作用, 從行星空間進入地球磁層空間的帶電粒子剛度不同, 穿過地球大氣層的厚度也不同。

空間粒子的輻射環境對航天器的安全運行產生各種損害, 導致艙內外設備異常, 甚至整個航天器失效, 也會危害航天員的生命健康以及各類出艙活動, 并且對空間天氣和空間科學研究等產生重大影 響[23–24]。航天器在軌運行時, 遭受的典型粒子輻射效應有單粒子、輻射劑量以及航天器表面或內部的充放電等多種效應。單粒子效應主要由高能質子和重離子造成, 航天器在軌運行時, 它們會改變航天器上各類電子設備的微電子器件狀態, 導致設備發生異?；蚬收? 造成單粒子事件。輻射劑量效應主要由高能質子、電子和重離子造成, 它們既能產生電離作用, 又能產生位移作用[25]。當航天器材料或器件接受的輻射劑量達到一定的量值時, 就會造成航天器材料變性及元器件失效。航天器表面或內部的充放電效應主要由高能電子引起, 電子與航天器相互作用會引起航天器充電, 當航天器充電到一定程度時, 所產生的電磁輻射會干擾航天器上各種電器設備的正常工作, 甚至使航天器失效[26]。

本文針對風云三號衛星運行軌道空間環境的上述特點, 提出 FY-3E 星空間環境監測器Ⅱ型載荷的主要應用目標是開展衛星運行軌道空間環境及粒子輻射效應監測, 提高空間天氣監測預警業務能力, 滿足空間天氣預報和保障服務的需求。具體內容 如下。

1)形成我國第二代極軌氣象衛星空間環境監測網。風云三號(03 批)衛星將實現我國第二代極軌氣象衛星的多星組網業務化, 空間環境監測器是我國低軌空間環境監測網的重要組成部分。

2)開展空間環境的實時監測, 服務于空間天氣預報業務, 為空間天氣預報提供重要的空間環境數據, 在政府決策、防災減災、經濟社會發展以及國家安全和國防建設中發揮重要作用。

3)服務于工程應用。一是支持航天器的工程設計, 利用空間環境載荷探測數據, 為航天器工程防護設計提供支持; 二是保障航天器在軌飛控管理和故障排除, 在輻射環境發生明顯變化時, 需調整飛控計劃, 增加衛星跟蹤弧段, 并準備異常事件處理預案; 三是支持航天器異常情況分析, 為衛星的在軌異常情況提供空間環境效應分析服務, 支持衛星異常情況的原因定位。

4)應用于科學研究。風云三號(03 批)衛星上的空間環境監測器包括從低能到高能的全能譜測量, 測量方向和投擲角也更加精細, 基于長期觀測和豐富的科學數據, 有望在地球輻射帶的長期演化、波粒相互作用以及磁層動力學耦合機制等的研究上獲得突破。同時, 這些數據是我國自主研發的輻射帶模型所必須的數據, 可以完善我國的 LEO 軌道粒子輻射模型。

2 技術指標

FY-3E 星搭載的空間環境監測器Ⅱ型原位探測載荷用于探測衛星運行軌道上粒子輻射環境、磁場矢量變化、儀器的輻射劑量累積以及衛星表面電位變化情況, 為航天活動、衛星設計、空間科學研究及空間天氣預警預報業務提供必要的數據支撐, 其主要技術指標見表 1～6。

表1 粒子探測器指標

表2 輻射劑量指標

表3 電位探測指標

表4 磁場探測指標

表5 采樣率要求

表6 靈敏度要求

3 載荷技術

如圖 1 所示, FY-3E衛星空間環境綜合探測載荷包括 6 種探測載荷以及一臺共用的環境遠置單元(RTU)。6 種探測載荷分別為三方向高能粒子探測器、多向中能質子探測器、多向中能電子探測器、電位探測器、輻射劑量儀和磁強計。高能粒子探測器包括 3 個獨立的高能電子質子探頭和一個共用的電子學箱; 中能質子探測器包括兩個探頭, 其中一個探頭是與電子學箱一體化設計; 中能電子探測器包括兩個探頭, 其中一個探頭是與電子學箱一體化設計; 電位探測器包括 4 個電位探頭和一個電子學箱, 其中兩個絕對電位探頭是與電子學箱一體化設計; 磁強計包括 6 個探頭和一個電子學箱; 輻射劑量儀包括 3 個探頭和一個電子學箱。上述各探測器的測量數據由各自的電子學箱進行采集和處理, 并與 RTU 連接進行數據傳遞, 最后由 RTU 通過衛星總線, 統一將所有數據下傳。

3.1 高能粒子探測

高能帶電粒子是影響航天器安全的重要因素之一, 是空間環境警報和預報的重要內容。FY-3E 星高能粒子探測器對軌道空間中高能電子和高能質子的能譜、方向以及強度等時空分布特征進行實時 監測。

高能粒子探測器由高能質子探測和高能電子探測兩部分組成, 能夠實現 3 個正交方向粒子種類(電子或質子)、能量(電子: 0.15～5.7MeV; 質子: 3～300MeV)和通量的探測。

如圖 2 所示, FY-3E 衛星高能粒子探測器包括 3個方向的高能粒子探頭和一個共用的電子學箱, 每個高能粒子探頭均包含高能質子探頭和高能電子探頭兩種組件。3 個探頭分別安裝在 FY-3E 衛星 3 個相互垂直的面上, 探測視場的指向分別為朝天向(?)、衛星后退向(?)和垂直軌道的背陽面(+), 從而實現對衛星 3 個正交方向(,和)上高能粒子的測量。各探頭通過衛星內部穿艙電纜與電子學箱連接, 統一由電子學箱內數據處理單元對各探頭的輸出信號進行采集及處理。

如圖 3 所示, 高能電子探測和質子探測均用多片硅半導體探測器組成望遠鏡系統, 均采用脈沖幅度分析法。通過分析入射粒子在各自探頭的不同半導體探測器內沉積能量產生的脈沖信號幅度, 即可判斷高能粒子的種類及能量, 同時配合符合與反符合方法, 實現高能質子寬能譜的探測[27]。

半導體探測器測量系統是整個儀器測量的關鍵部分, 采用多片半導體硅疊加組成望遠鏡的形式對高能粒子的能譜進行測量。通過分析測量系統中每片傳感器的信號幅度, 結合合理的邏輯工作方式, 確定空間粒子的能譜[27–28]。

圖1 空間環境監測器Ⅱ型系統配置

左: 電子學箱; 中: +Y向探頭和?Z向探頭; 右: ?X向探頭

圖3高能粒子探測器望遠鏡系統示意圖

圖4 高能粒子探頭結構示意圖

左: 中能質子探測器1; 右: 中能質子探測器2

圖6 “小孔成像”單元剖面示意圖

如圖 4 所示, 在高能粒子探測器各探頭組件的外部增加了準直結構[29], 以便限制儀器的探測視場, 同時利用準直結構的屏蔽作用降低了斜入射粒子(高能質子和電子)的干擾比率。結合準直儀限定的視場以及儀器的實際尺寸和屏蔽條件, 利用蒙特卡洛模擬仿真的方法, 可得到儀器最后的幾何因子, 作為后期數據處理的依據。準直器系統的作用有兩個方面, 一是通過準直系統形成合適的探測視場, 確定探頭的幾何因子[30]; 二是提供一定的屏蔽條件, 阻止從側面斜入射的粒子對傳感器的干擾。除此之外, 在高能質子探頭準直器系統內還包含偏轉磁鐵[31], 用于偏轉入射到準直儀內的電子。

3.2 中能質子探測

中能帶電粒子是空間中變化最明顯的參量, 尤其是空間環境擾動引起的粒子沉降。中能質子探測器技術上采用類似 Polar 衛星上 IPS“小孔成像”的探測方案, 設計兩個正交的探測視場為 180°的探頭單機, 可以實現 3 個正交方向中能質子能量(30keV～ 5MeV)和通量的探測。

如圖 5 所示, 中能質子探測器由兩個按照正交方向安裝的探頭單機組成。中能質子探測器 2 中, 將探頭與電子學箱進行一體化設計; 中能質子探測器 1 中, 通過穿艙電纜連接到中能質子探測器 2, 由電子學箱對其輸出信號進行采集處理。

如圖 6 所示, 兩臺中能質子探測器的探頭部分均由 3 組“小孔成像”單元組成, 呈扇形排列, 每個單元都包含 3 組半導體傳感器, 共用一個入射窗口, 實現 3 個方向的測量。每組傳感器形成的張角為20°, 因此每個“小孔成像”單元的探測張角為 60°, 3個探頭形成 0～180°的全投擲角測量。

中能質子探測器采用硅半導體傳感器組, 對不同投擲角的中能質子進行測量, 并增設反符合探測器來消除高能粒子的干擾, 其基本原理與高能粒子探測器相同。為避免干擾, 探測器還采取磁偏轉、屏蔽和反符合等手段來排除其他種類的粒子以及測量范圍以外的質子。

3.3 中能電子探測

中能電子探測器采用類似 Polar 和 Cluster 衛星的“針孔”技術結合“位置靈敏探測器”的方法來測量中能電子在不同方向的分布, 即投擲角分布[32–34]。如圖 7 所示, 中能電子探測器設計兩個正交的探測視場為 180°的探頭單機, 可實現 3 個正交方向中能電子能量(30～600keV)和通量的探測。

每臺中能電子探測器由 3 個相同的傳感器單元組成, 每個單元包括一個“針孔”系統和一個三像素線陣列位置靈敏探測器。針孔和每個線陣列探測器可探測來自 20°張角的入射粒子, 因此每個探頭單元可以覆蓋 60°張角范圍, 3 個探頭單元組成的探測器探頭就可以覆蓋 180°的張角范圍。

在每個方向, 每個線陣列單元硅半導體探測器都可以測量中能電子能譜, 通過脈沖高度分析方法, 完成 30～400keV 能量范圍中指數分布的 8 個能道(energy channel), 實現對中能電子的能譜測量。

中能電子探測器各探頭采用針孔相機加低噪聲位置靈敏探測器, 實現對中能電子的多方向能譜測量, 其結構如圖 8 所示。從圖 8(a)可以看到, 每個探頭單元有一個等效屏蔽殼, 在一個側面開一個“針孔”。屏蔽殼內部放置一個三單元硅半導體探測器線陣列。每個探測器單元與“針孔”構成一個 20°張角, 因此每個探測器單元可以覆蓋 60°張角范圍, 3 個探測器單元可以實現 180°張角范圍的覆蓋(圖8(b))。

3.4 輻射劑量探測

空間帶電粒子輻射環境對衛星及其設備產生輻照效應。FY-3E 衛星配置 3 臺輻射劑量儀, 可同時監測衛星星體內多點輻射劑量的實時變化, 有助于探究衛星內部輻射劑量的分布, 為衛星平臺及星載設備的在軌故障分析以及定位等提供佐證。

FY-3E 星輻射劑量儀分別安裝在衛星的 3 個相互垂直面上, 從而實現 3 個正交方向輻射總劑量(0～3×104rad (Si))的測量。3 個劑量探頭通過衛星內部穿艙電纜與電子學箱連接, 由電子學箱對它們輸出的信號進行處理。圖 9 為 FY-3E 衛星輻射劑量儀照片。

輻射劑量儀的探測方案采用 RADFET 技術, 直接探測空間輻照的累積劑量[35]。輻射劑量儀傳感器的基本結構如圖 10 所示, n 型硅襯底(Si)與柵極之間的 SiO2絕緣層為輻射敏感區域。SiO2的一個重要特性是內部存在空穴“陷阱”, 在 SiO2與 Si 的界面處“陷阱”濃度更高。SiO2被輻照后, 電離產生電子–空穴對, 部分空穴被 SiO2內空穴“陷阱”俘獲, 導致PMOS 傳感器的電性能發生變化, 電性能變化的幅度與輻照劑量有關。

3.5 電位探測

空間的等離子體環境導致衛星整體帶電。衛星一般采取等電位設計, 在空間環境擾動的時候, 由于材料不同和方向差異, 衛星表面局部會出現短時間的電位差異。充電電位監測有助于研究衛星表面和星體內部的充電, 為衛星異常診斷提供數據, 為后續工程中的改進設計提供建議, 為地面試驗研究提供依據。

圖7 中能電子探測器照片

如圖 11 所示, FY-3E 星電位探測器由兩個表面電位傳感器和一臺絕對電位探測器組成。兩個表面電位傳感器完全相同, 安裝在衛星表面不同位置, 可用于測量向陽面和背陽面的衛星表面差異電位(?3000～300V)。為絕對電位探測器設計離子和電子兩種傳感器, 分別用于測量衛星表面負的絕對電位和正的絕對電位。電位探測器上各傳感器共用一套位于絕對電位探測器內的電子學箱, 通過穿艙電纜連接傳遞信號。

表面電位探測技術的基本原理如圖 12 所示。差異充電探測器由石英玻璃試樣、電子線路處理系統及儀器結構件組成, 探頭外層由石英玻璃片構成, 內層為圓形鍍金片, 連接芯線引出。玻璃片的外層和內層可等效成一個電容 Cs, 其值由材料特性決定。石英玻璃與衛星結構地之間連接一分壓電容C1, 當石英玻璃(模擬衛星蒙皮表面)充電時, 通過測量電容 C1 兩端的電壓值, 可以獲得石英玻璃表面的充電電位值, 即衛星表面差異電位。

(a) 單個探測單元截面, 探測范圍為60°, S1, S2和S3為3個陣列探測器; (b) 3個探測單元構成的探頭

圖9 輻射劑量儀照片

圖10 PMOS傳感器的基本結構示意圖

左: 表面電位探測器; 右: 絕對電位探測器

圖12 表面電位傳感器電原理示意圖

絕對電位傳感器主要用來測量衛星的表面電位。受空間等離子體和太陽光照影響, 衛星表面通常帶電。充電后的衛星表面與空間等離子體(可以認為是絕對零電位)之間有電勢差。若衛星平臺表面帶正電, 將對離子減速, 對電子加速; 若衛星平臺表面帶負電, 將對離子加速, 對電子減速。

絕對電位的探測采用國際通用的等離子體能譜反演技術[36–37]。如圖 13 所示, 電位傳感器通過測量空間等離子體(電子/離子)能譜的改變來反演衛星表面絕對電位的大小和極性。絕對電位探測部分包括離子傳感器、電子傳感器和配套的電子學線路。

3.6 磁場探測

磁場環境是影響空間帶電粒子分布和擾動的主要根源之一, 磁場數據(磁場探測范圍、采樣率等)是分析空間環境(特別是帶電粒子)以及空間環境警報和預報的基礎數據, 研究粒子的運動和擴散需要磁場監測的配合。

如圖 14 所示, FY-3E 星磁強計由兩個磁通門探頭、4 個巨磁阻探頭以及磁場電控箱組成。根據風云三號衛星的軌道高度和應用要求, 磁強計的測量范圍設計為±65000nT, 在軌測量精度為 1nT。探測器安裝在衛星艙外, 電控箱安裝于載荷艙內。磁通門探頭測量空間環境磁場矢量信息, 巨磁阻探頭基于多點測量數據反演方法, 對空間不同位置的磁場進行探測, 區分空間磁場和衛星平臺引起的磁場擾動。

磁通門探頭由三軸磁通門傳感器和電子線路組成。磁通門傳感器包含 3 個正交分布的磁通門傳感器, 分別探測空間磁場 3 個對應分量上的磁場強度和方向。每個磁通門傳感器內部由 3 個線圈構成線圈系統: 激勵線圈內部為高導磁率材料制成的磁芯, 交變激勵電源作用在激勵線圈內部產生交流磁場, 使內部磁芯反復飽和, 起到調制外部磁場信息的作用; 信號線圈是一個螺線管, 其作用是感應能夠反映螺線管軸線方向磁場強度的電信號; 反饋線圈的作用是產生反饋場, 使探測器內部保持穩定的零磁場環境。為了避免傳感器之間的相互串擾, 3 個傳感器采用相互正交垂直的方式排布在探測器內, 分別測量空間環境磁場 3 個正交方向分量的強度和方向[38]。

圖13 絕對電位傳感器探測原理示意圖(剖面視圖)

左上: 磁場電控箱; 左下: 磁通門探頭; 右: 巨磁阻探頭

巨磁阻是一種量子力學效應, 巨磁阻探頭的傳感器是基于巨磁阻效應。對于鐵、鈷、鎳及其合金等強磁性金屬, 當外加磁場平行于磁體內部磁化方向時, 電阻幾乎不隨外加磁場變化; 當外加磁場偏離金屬的內磁化方向時, 此類金屬的電阻將減小, 這就是強磁金屬的各向異性巨磁阻效應。巨磁阻傳感器主要由鐵磁材料(如鎳鐵導磁合金)制成, 這種鎳鐵合金磁膜的電阻性隨磁場的變化而變化, 通常組成惠斯通電橋來感應外界磁場[39]。

圖15 環境遠置單元(RTU)內部結構及信息流示意圖

3.7 數據管理系統

除上述 6 種探測器外, FY-3E星空間環境監測器Ⅱ型還設置一臺共用的環境遠置單元(RTU), 其基本功能及信息流程如圖 15 所示。它是各探測載荷的數據和控制中樞, 采用主、備雙機冗余備份設計, 同時由衛星平臺配電控制, 實現 RTU 系統冷備份, 以便提高分系統的可靠性。RTU 的主要功能如下: 1)與衛星平臺的 1553B 總線通信接口, 實現系統校時、指令執行和轉發以及遙測參數下行等; 2)各探測載荷配電控制接口, 實現各單機一次電源配電控制; 3)與各載荷單機溫度、電源檢測、電位信號和劑量遙測模擬量接口, 實現各單機模擬量的輸出采集; 4)與各載荷單機異步 422 接口, 各載荷單機發送廣播時間碼, 轉發內部指令及數據注入指令, 接收各載荷科學數據包; 5)與衛星平臺的同步 422 接口, 實現對各單機科學數據的打包轉發。

4 實驗結果

FY-3E 星空間環境監測器Ⅱ型正樣產品研制完成后, 為精確地給出各載荷實際實現的探測指標并進行驗證, 對各載荷的任務指標開展地面標定實驗。中、高能粒子探測載荷標定測試項目包括能量范圍、能量分辨率、測量精度和靈敏度等, 輻射劑量和電位探測器的標定項目有量程范圍、靈敏度和定標精度等, 磁強計開展了磁場量程范圍、靈敏度和定標精度等實驗。

由于不同載荷測量的物理量不同, 因此采用不同的標定方式。對粒子探測器定標時, 在地面加速器束流條件不滿足的情況下, 采用標準放射源、等效信號源定標以及與仿真分析相結合等方式。表 7列出各載荷采用的主要標定方式和實驗結果, 具體方法、流程及相關實驗數據等可查閱文獻[40–42], 本文不詳述。

表7 FY-3E星空間環境探測載荷標定方式及結果

地面標定實驗結果表明, 空間環境監測器Ⅱ型各載荷滿足任務指標要求。其中, 輻射劑量探測易受溫度影響[43], 利用地面標定結果對在軌探測數據進行分析處理時, 需要進行溫度修正, 方法是通過在軌實測的 RADFET 傳感器閾值電壓數據和環境溫度數據, 得到該傳感器的閾值電壓與溫度變化之間的關系曲線, 從而去除 RADFET 溫度效應給空間輻射劑量探測帶來的影響, 計算出各時刻 RADFET傳感器僅受空間輻射影響產生的閾值電壓, 并最終由定標曲線得到空間輻射的累積劑量。

5 結論

本研究針對我國第二代極軌氣象衛星系列中風云三號衛星在軌運行遭遇的空間環境, 提出空間環境載荷綜合探測技術, 并在 E 星上安裝空間環境監測器Ⅱ型載荷, 開展粒子輻射環境、原位磁場矢量變化、輻射劑量累積及衛星表面電位等綜合測量, 首次在國內極軌氣象衛星上實現多方向全能譜(30eV～300MeV)的粒子探測, 并首次在國內低軌衛星上實現無伸桿磁場矢量探測。在地面研制過程中, 載荷的性能指標經過各種標定實驗的考核驗證, 發射上天后也獲取了大量空間環境探測數據, 并應用于衛星的業務運行和在軌管理分析, 有效地推進了我國空間環境及空間天氣研究的發展。

[1] 咸迪. 風云三號E星——黎明星. 衛星應用, 2022(1): 70

[2] 何錫玉, 蔡夕方, 朱亞平, 等. 我國風云極軌氣象衛星及應用進展. 氣象科技進展, 2021, 11(1): 34–39

[3] Zhang P, Xu Z, Guan M, et al. Progress of fengyun meteorological satellites since 2020. 空間科學學報, 2022, 42(4): 724–732

[4] 高浩, 唐世浩, 韓秀珍. 風云氣象衛星發展及其應用. 科技導報, 2021, 39(15): 9–22

[5] Ivan S D, Paolo C, Luciano I. The BepiColombo solar conjunction experiments revisited. Classical and Quan-tum Gravity, 2021, 38(5): 055002

[6] Turyshev S G, Toth V T. The pioneer anomaly. Living Reviews in Relativity, 2010, 13(4): doi: 10.12942/lrr-2010-4

[7] Jordan A F, Madrid G A, Pease G E. Effects of major errors sources on planetary spacecraft navigation accu-racies. Journal of Spacecraft and Rockets, 2012, 9(3): 196–204

[8] Asmar S W, Armstrong J W, Iess L, et al. Spacecraft doppler tracking: noise budget and accuracy achie-vable in precision radio science observations. Radio Science, 2005, 40(2): RS2001.1–RS2001.9

[9] Nagai T. “Space weather forecast”: prediction of rela-tivistic electron intensity at synchronous orbit. Geo-physical Research Letters, 1988, 15(5): 425–428

[10] Miyoshi Y, Kataoka R. Flux enhancement of the outer radiation belt electrons after the arrival of stream interaction regions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2008, 113(A3): doi: 10.1029/2007JA 012506

[11] Marubashi K. The space weather forecast program. Space Science Reviews, 1989, 51(1/2): 197–214

[12] 王春琴, 張鑫, 張立國, 等. 地球同步軌道系列衛星自主空間輻射環境監測及應用. 上海航天, 2017, 34(4): 85–95

[13] 葉宗海, 都亨. 中國的空間環境研究, 地球物理學報, 1997, 40(增刊1): 429–441

[14] Bühler P, Desorgher L, Zehnder A, et al. Observations of the low earth orbit radiation environment from Mir. Radiation Measurement, 1996, 26(6): 917–921

[15] KoshⅡshi H. Space radiation environment in low earth orbit during influences from solar and geomagnetic events in December 2006. Advances in Space Re-search, 2014, 53(2): 233–236

[16] 樂貴明, 葉宗海. 低高度內輻射帶高能質子空間分布位形的研究. 空間科學學報, 2003, 23(4): 278–285

[17] 薛炳森. 輻射帶高能粒子通量演化與宇宙線強度的相關特性分析. 中國科學: 地球科學, 2012, 42(7): 1063–1068

[18] Lazutin L L, Kuznetsov S N, Podorol’skⅡ A N. Dyna-mics of the radiation belt formed by solar protons during magnetic storms. Geomagn Aeron, 2007, 47(2): 175–184

[19] 樂貴明, 王鴻雁, 白鐵男. 太陽質子事件與太陽耀斑的關系. 空間科學學報, 2018, 38(4): 437–443

[20] Qin Murong, Zhang Xianguo, Ni Binbin, et al. Solar cycle variations of trapped proton flux in the inner radiation belt. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2014, 119(12): 9658–9669

[21] 陳貴福, 葉宗海, 朱光武, 等. 太陽質子事件期間內輻射帶質子通量的變化. 地球物理學報, 1993, 36(4): 428–433

[22] 樂貴明, 葉宗海, 周國成. 地磁長期變化引起的低高度衛星軌道輻射帶粒子環境的變化. 空間科學學報, 2001, 21(3): 238–245

[23] 馮彥君, 華更新, 劉淑芬. 航天電子抗輻射研究綜述. 宇航學報, 2007, 28(5): 1071–1080

[24] 薛玉雄, 楊生勝, 把得東, 等. 空間輻射環境誘發航天器故障或異常分析. 真空與低溫, 2012, 18(2): 63–70

[25] 楊曉超, 王世金, 王月, 等. 太陽同步軌道空間粒子輻射劑量探測與研究. 宇航學報, 2008, 29(1): 357–361

[26] 王碧云. 近地軌道大型航天器的環境充電. 上海航天, 1995(2): 42–47

[27] 葉宗海. 空間粒子輻射探測技術. 北京: 科學出版社, 1986

[28] 焦維新. 空間探測. 北京: 北京大學出版社, 2002

[29] 侯東輝, 張珅毅, 張效信, 等. 空間高能電子探測器準直儀的設計研究. 真空科學與技術學報, 2020, 40(10): 965–970

[30] 張珅毅, 張賢國, 王春琴, 等. 風云三號衛星空間高能質子探測器的幾何因子計算. 中國科學: 地球科學, 2014, 44(11): 2479–2486

[31] 張珅毅, 王世金. 星載粒子探測器中的偏轉磁鐵設計研究. 地球物理學報, 2007, 50(3): 684–690

[32] Wilken B, Axford W I, Daglis I, et al. RAPID: the imaging energetic particle spectrometer on cluster. Space Sci Rev, 1997, 79: 399–473

[33] Blake J B, Fennell J F, Friesen L M, et al. CEPPAD. Space Science Reviews, 1995, 71: 531–562

[34] 鄒鴻, 宗秋剛, 陳鴻飛, 等. 基于小孔成像技術的中能電子成像譜儀及其空間觀測結果. 航天器環境工程, 2018, 35(4): 307–314

[35] 孫瑩, 張斌全, 張效信, 等. 星載輻照劑量深度分布探測儀設計. 空間科學學報, 2021, 41(5): 793–799

[36] 孔令高, 張愛兵, 王世金, 等. 螢火一號火星探測器離子分析器設計和仿真技術, 上海航天, 2013, 30 (4): 164–168

[37] 孔令高, 蘇斌, 關燚炳, 等. 行星等離子體探測技術. 地球與行星物理論評, 2021, 52(5): 459–472

[38] 李磊, 王勁東, 周斌, 等. 磁通門磁強計在深空探測中的應用深空探測學報, 2017, 4(6): 529–534

[39] 于向前, 李嘉巍, 肖池階, 等. 用于空間科學研究的基于磁阻傳感器的矢量磁強計. 北京大學學報(自然科學版), 2023, 59(4): 609–616

[40] Zhang Huanxin, Zhang Xiaoxin, Wang Jinhua, et al. Design and development of medium energy proton detector onboard FY-3E satellite. Aerospace, 2023, 10(3): doi: 10.3390/AEROSPACE10030321

[41] Shen Guohong, Zhang Xiaoxin, Wang Jinhua, et al. Development and calibration of a three-directional high-energy particle detector for FY-3E satellite. Ae-rospace, 2023, 10(2): doi: 10.3390/AEROSPACE100 20173

[42] Sun Ying, Zhang Binquan, Zhang Xiaoxin, et al. Radi-ation dose detection on FY-4B satellite. Aerospace, 2023, 10(4): doi: 10.3390/AEROSPACE10040325

[43] Giulio B, Federico F, Gennaro T, et al. Effects of bias and temperature on the dose-rate sensitivity of 65-nm CMOS transistors. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2021, 68(5): 573–580

Comprehensive Detection Payload Technology for Space Environment of FY-3E Satellite

SHEN Guohong1,2,?, HUANG Cong3,4, ZHANG Pengfei5, ZHANG Xiaoxin3,4, WANG Jinhua5, LI Jiawei3,4, ZONG Weiguo3,4, ZHANG Shenyi1,2, ZHANG Xianguo1,2, SUN Yueqiang1,2, YANG Yong5, ZHANG Huanxin1,2, ZOU Hong6, WANG Jindong1,2, SUN Ying1,2, BAI Chaoping1,2, TIAN Zheng1,2

1. National Space Science Center, Chinese Academy of Science, Beijing 100190; 2. Beijing Key Laboratory of Space Environment Exploration, Beijing 100190; 3. Key Laboratory of Space Weather, National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081; 4. Innovation Center for FengYun Meteorological Satellite (FYSIC), Beijing 100081; 5. Shanghai Institute of Satellites Engineering, Shanghai 201109; 6. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871;? E-mail: shgh@nssc.ac.cn

To monitor the space environment and its effects in the low-Earth sun-synchronous orbit of China’s FY-3 satellite, a comprehensive detection technology based on the type Ⅱ loads of the space environment monitor is proposed. In the process of ground development, various technical indicators of the space environment compre-hensive detection payload have been calibrated and experimentally verified by different methods such as standard radiation source, equivalent signal source, particle accelerator and standard magnetic field. The results show that the multi-direction full-spectrum particle detection achieves an energy range of 30 keV–300 MeV, with the accuracy of ≤10%. The magnetic field detection realizes the measurement range of ?65023–+65023 nT, with the accuracy of ≤0.73 nT. The potential detection realizes the measurement range of ?32.4–+23.7 kV, with the sensitivity of ≤10V. The detection of radiation dose realizes the measurement range of 0–3×104rad (Si), with the sensitivity of ≤8.3 rad (Si). Through comprehensive observation of particle radiation environment, change of in-situ magnetic field vector, radiation dose accumulation and change of satellite surface potential in satellite operation orbit, the space environ-ment monitor provides necessary data support for space activities, satellite design, space science research and space weather early warning and prediction.

space environment; particle detection; potential detection; radiation dose; magnetic field detection