CN113158533A - 一种高能质子能谱计算方法及计算系统 - Google Patents
一种高能质子能谱计算方法及计算系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种高能质子能谱计算方法及系统，包括选定一历史时段，获取历史时段的如下历史数据：高能质子能谱、地面宇宙线强度日均值以及高能质子能谱参数；对历史时段内的高能质子能谱进行分析，获得第一关系式；对历史时段的地面宇宙线强度日均值及高能质子能谱参数进行分析，获得第二关系式；在观测时段测量地面宇宙线强度的日均值；根据观测时段测量的地面宇宙线强度的日均值以及第一关系式和第二关系式，获得观测时段的高能质子能谱。上述方法能够准确计算高能质子能谱，为高轨卫星精确计算单粒子事件概率、敏感器件的辐射剂量等提供外部高能粒子环境信息，有利于有针对性地进行防护设计，为卫星设计及运行维护的空间环境保障提供技术支持。
Description
技术领域
本申请涉及空间粒子观测领域，具体涉及高能质子能谱计算方法及计算系统。
背景技术
单粒子事件是威胁在轨卫星安全运行的重要因素，它是高能带电粒子轰击微电子芯片，造成逻辑电路状态改变，从而影响微电子器件正常工作，严重时可引起卫星故障。空间中最多的是高能质子，要评估卫星受高能粒子威胁，既需要准确地获得高能质子的通量和能谱，以及它们在不同太阳活动水平时的特征变化。但要获得高能质子的探测数据需要连续的星载仪器探测，而能量大于300MeV的实时质子通量探测数据更加不易获得。
来自银河系内部源的初级宇宙线的原子核与大气原子相互作用，分裂的核成分将继续与大气相互作用，经过多次的和相互作用，能够到达地面的成分以中子为主，通过地面的中子接收装置就可以记录这些次级中子的通量变化。一般认为，太阳系以外的高能粒子的通量是非常稳定的，到达地球附近的高能宇宙线粒子通量的变化主要是受到了太阳活动的调制。由于地面上探测到的中子的源头是大气层外的宇宙线粒子，因此，地面上探测到的中子通量能够反映地球附近高能粒子的通量的特征。另外，宇宙线中有人类已经探测到的各种元素成分，它们的比例也是稳定的。
宇宙线高能带电粒子轰击轨道上的航天器，会产生一系列物理、化学和生物效应，能引起航天器上材料的变性、微电子设备的故障和宇航人员的辐射损伤。近年来国际航天界普遍关注的单粒子翻转事件已被确认是由高能带电粒子轰击微电子器件产生高密度电离，改变了原有的逻辑状态而产生的，这种“软错误”可造成错误信息和系统运行异常。如果微电子系统的某些部位被粒子击中，还有可能引起锁定，影响航天器的正常运行。这些效应国外已有大量报道。我国的＂实践四号＂已多次记录到了单粒子翻转事件和锁定现象。为此，我们应对航天器采取相应的防护措施和对策，以减少事故的发生。我国的风云一号卫星也曾因为高能粒子引起的单粒子效应而大幅度缩短寿命。
在卫星轨道上，由于没有大气，除了太阳质子事件期间会有大量能量较低的粒子，大部分时间主要威胁卫星安全的还是宇宙线粒子，而宇宙线粒子的组成成分中92％的成分是质子，因此，轨道上的宇宙线质子成为卫星安全的重要原因。目前国内尚没有直接检测高能质子通量的方法及装置，这使得对卫星的防护存在极大的不便。
发明内容
针对高能质子通量测量方面的上述不足，本发明提供一种高能质子能谱计算方法及计算系统。通过分析历史时期的高能质子通量与地面宇宙线强度的关系，获得表征二者关系的稳定公式，根据上述稳定公式，可以根据实时测得的地面宇宙线强度计算对应时刻的高能质子通量，进而获得卫星防护的指导数据。
根据本发明的第一方面，提供一种高能质子能谱计算方法，该方法包括如下步骤：
选定一历史时段，获取所述历史时段的如下历史数据：高能质子能谱、地面宇宙线强度日均值以及高能质子能谱参数；
对所述历史时段内的高能质子能谱进行分析，获得第一关系式；
对所述历史时段的地面宇宙线强度日均值及高能质子能谱参数进行分析，获得第二关系式；
在观测时段测量地面宇宙线强度的日均值；
根据观测时段测量的地面宇宙线强度的日均值以及所述第一关系式和所述第二关系式，获得所述观测时段的高能质子能谱。
可选地，对所述历史时段内的粒子能谱进行分析，获得第一关系式包括：
对所述历史时段内的粒子能谱逐日进行统计分析；
获得每日的高能质子通量与太阳活动水平的负相关关系；
获得每日测得的高能质子各能道日平均道通量与能道的能量的负指数关系；
获得的所述第一关系式为：f＝F0×10-0.0028E (1)，其中，E为能道的能量，单位为MeV，f为能道能量为E的高能质子的微分通量，单位是cm-2s-1sr- 1MeV-1，F0为空间高能质子能谱的关键参数，是与太阳活动相关的常数，单位与f相同。
可选地，对所述历史时段的地面宇宙线强度日均值及高能质谱参数进行分析，获得二者的第二关系式包括：
对所述历史时段内的地面宇宙线强度日均值以及高能质谱参数进行相关性分析，获得所述第二关系式为：F0＝0.000305Fc-3.601 (2)，其中，Fc为所述历史时段内的宇宙线强度日均值，F0为空间高能质子能谱的关键参数，是与太阳活动相关的常数，单位是cm-2s-1sr-1MeV-1。
可选地，根据观测时段测量的地面宇宙线强度的日均值以及所述第一关系式和所述第二关系式，获得所述观测时段的高能粒子通量包括：
将观测时段测量的地面宇宙线强度日均值代入第二关系式，获得高能质谱参数；
将获得的高能质谱参数代入第一关系式，获得所述观测时段的高能质子能谱。
可选地，所述高能质子的能量大于300MeV。
根据本发明的另一方面，提供一种高能质子能谱计算系统，其包括：
数据获取单元，用于获取选定的历史时段的历史数据，所述历史数据包括高能质子能谱、地面宇宙线强度日均值以及高能质子能谱参数；
数据分析单元，用于接收所述数据获取单元获取的所述历史数据，并对所述历史时段内的所述历史数据进行分析；
地面宇宙线观测装置，用于测量地面宇宙线强度的日均值；
计算单元，用于接收所述数据处理单元的分析结构及地面宇宙线的观测结果，并根据所述数据处理单元的处理结果及观测得到的地面宇宙线强度的日均值，获得所述观测时段的高能质子能谱。
可选地，数据分析单元包括：
第一分析单元，用于接收所述历史数据中的高能质子能谱，并高能质子能谱进行分析，获得第一关系式；
第二分析单元，用于接收所述历史数据中的地面宇宙线强度日均值及高能质子能谱参数，对所述历史时段的地面宇宙线强度日均值及高能质子能谱参数进行分析，获得第二关系式。
可选地，所述第一分析单元还配置为：
对所述历史时段内的粒子能谱逐日进行统计分析；
获得每日的高能质子通量与太阳活动水平的负相关关系；
获得每日测得的高能质子各能道日平均道通量与能道的能量的负指数关系；
获得的所述第一关系式为：f＝F0×10-0.0028E (1)，其中，E为能道的能量，单位为MeV，f为能量为E的高能粒子的微分通量，单位是cm-2s-1sr-1MeV-1，F0为空间高能质子能谱的关键参数，是与太阳活动相关的常数，单位与f相同。
可选地，所述第二分析单元还配置为：
对所述历史时段内的地面宇宙线强度日均值以及高能质谱参数进行相关性分析，获得所述第二关系式为：F0＝0.000305Fc-3.601(2)，其中，Fc为所述历史时段内的宇宙线强度日均值，F0为空间高能质子能谱的关键参数，是与太阳活动相关的常数，单位是cm-2s-1sr-1MeV-1。
可选地，所述计算单元还包括：
第一计算单元，用于根据观测时段测量的地面宇宙线强度日均值及所述第二关系式，获得高能质谱参数；
第二计算单元，用于根据获得的高能质谱参数及所述第一关系式，获得所述观测时段的高能粒子能谱。
如上所述，本发明的高能质子能谱计算方法及计算系统，至少具有如下有益效果：
本发明的方法通过对历史时段内的高能质子能谱、地面宇宙线强度日均值以及高能质子能谱参数进行分析，获得了高能质子能谱与太阳活动和能道能量的第一关系式，以及地面宇宙线强度日均值与高能质子能谱参数的第二关系式；在观测时段，将观测到的地面宇宙线强度日均值带入第一关系式和第二关系式，可以得到观测时段的高能质子能谱，由此可以通过地面宇宙线强度实时获得高能质子能谱。本发明的方法简便，获得的高能质子能谱准确率高。有利于卫星运行管理人员及时了解高能质子能谱状况，及时采取相应的应对措施。
本发明的上述方法能够准确地给出高能质子能谱，能够为高轨卫星精确计算单粒子事件概率、敏感器件的辐射剂量等提供外部高能粒子环境信息，有利于有针对性地进行防护设计，达到既能做好卫星防护，又能减少过度防护造成的浪费，为卫星设计及运行维护的空间环境保障提供技术支持。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1显示为本发明实施例一提供的高能质子能谱计算方法的流程图。
图2显示为本发明实施例一中下载观测数据的宇宙线数据时间和格式选择界面。
图3显示为本发明实施例二提供的高能质子能谱计算系统的构成图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本实施例提供一种高能质子能谱计算方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
选定一历史时段，获取所述历史时段的如下历史数据：高能质子能谱、地面宇宙线强度日均值以及高能质子能谱参数；
对所述历史时段内的高能质子能谱进行分析，获得第一关系式；
对所述历史时段的地面宇宙线强度日均值及高能质子能谱参数进行分析，获得第二关系式；
在观测时段测量地面宇宙线强度的日均值；
根据观测时段测量的地面宇宙线强度的日均值以及所述第一关系式和所述第二关系式，获得所述观测时段的高能质子能谱。
为了获得可靠性更高的历史数据，对GOES-13卫星的高能质子进行了数据分析，该卫星的数据一直被作为高能质子的标准数据推荐用户使用。本发明中，重点分析该卫星质子探测器的8、9、10、11能道的高能质子数据，这四个能道的划分如表1所示：
表1本文采用的GOES-13卫星高能质子能道参数
| 序号 | 能道低端(MeV) | 能道高端(MeV) | 能道能量中值(MeV) |
| 8 | 350 | 420 | 385 |
| 9 | 420 | 510 | 465 |
| 10 | 510 | 700 | 605 |
| 11 | 700 | 860 | 780 |
GOES-13卫星高能粒子数据的时间分辨率为5分钟，但由于探测面积小，而高能粒子通量也很小，因此所测得的每个时段的粒子数的涨落很大，为了得到准确的结果，对全天的观测数据进行平均，得到每日各能道的平均通量。
地球同步轨道由于地磁场较弱，100MeV以上的高能质子能够自由到达，因此这个轨道上的卫星受高能质子影响较大，由于美国的GOES卫星在宇宙线高能质子的探测数据精度高且稳定，在定量计算宇宙线高能粒子影响时，通常采用以上数据。在计算宇宙线影响时，经典的能谱形式一般为如下形式：
f(E)＝A·EB
式中，E为粒子能量，单位是MeV；A为常数，单位与f(E)相同，均为cm-2s-1sr-1MeV-1；B为无量纲常数。这种能谱形式是基于多种探测数据的综合结果，分析发现，GOES卫星探测状态连续稳定，更适合作为标准的数据源，而本申请以下分析均是基于GOES卫星历史数据的分析结果。
对GOES卫星历史数据中的粒子能谱逐日进行统计分析，分析发现：1)每日的高能质子通量与太阳活动水平负相关；2)每日测得的高能质子各能道日平均道通量与能道的能量呈负指数关系，得到如下公式(1)：
f＝F0×10-0.0028E (1)
式中，E为能道的能量，单位为MeV，f为能道能量为E的高能质子的微分通量，单位是cm-2s-1sr-1MeV-1，F0为空间高能质子能谱的关键参数，是与太阳活动相关的常数，单位与f相同。
由于空间中来自太阳系外的高能粒子可与大气发生相互作用，所产生的次级粒子可通过地面中子探测器记录，从而使得地面测得的次级中子强度(即地面宇宙线强度)与空间高能质子通量相关。对此，本发明选用芬兰Oulu宇宙线观测站的次级中子通量的日平均值(UT)，与相同时段的高能质子能谱参数F0进行相关分析，得到的统计关系如公式(2)所示：
F0＝0.000305Fc-3.601 (2)
式中，Fc为所述历史时段内的宇宙线强度日均值，F0为高能质谱参数，是与太阳活动相关的常数，单位是cm-2s-1sr-1MeV-1。
获得上述公式(1)和公式(2)之后，在观测时段测量地面宇宙线强度的日均值，并将该观测的日均值代入公式(2)，首先获得空间高能质子能谱的关键参数F0；然后将获得的关键参数F0代入公式(1)，获得观测时段的高能质子能谱。
为了验证本发明的方法获得的高能质子能谱的准确性，本发明针对选定的历史时段的高能质子能谱进行计算并与实际测得的值进行比较。具体如下：
例如本实施例中，选择连续观测时间长，数据实时性好的芬兰Oulu宇宙线台站的数据。首先登陆数据网址：http://cosmicrays.oulu.fi/，进入宇宙线数据时间和格式选择界面，本实施例所述的芬兰Oulu宇宙线台站的宇宙线数据时间和格式选择界面如图2所示。在在图2所示的界面中，选择历史时段的起始时间和结束时间。更优选地，通过时间分辨率选择工具将时间分辨率设定为1天。设定完成后，选择下载文件，并保存宇宙线强度日平均数据。如下表1所示，示出了自Oulu宇宙线台站现在的数据的示例。
表1 Oulu台站宇宙线数据文件示例
Neutron Monitor database query-[OULU,DOMC,DOMB NM detectors]-http：//cosmicrays.oulu.fi/
Station：OULU NEUTRON MONITOR
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1.0019(from 2009-11-01)
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Pressure correction factors：-0.0074(from 1964-01-01)
-0.0074(from 1964-01-01)
Note:start time is adjusted to 00:00,end time to 23:59
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2017.07.08 00:00:00 189.0000000 6152 6662 1010.51
2017.07.09 00:00:00 190.0000000 6219 6642 1008.65
2017.07.10 00:00:00 191.0000000 6315 6658 1006.89
2017.07.11 00:00:00 192.0000000 6281 6609 1006.65
2017.07.12 00:00:00 193.0000000 6789 6639 996.76
2017.07.13 00:00:00 194.0000000 6680 6663 999.43
2017.07.14 00:00:00 195.0000000 6514 6676 1003.09
2017.07.15 00:00:00 196.0000000 6170 6690 1010.68
2017.07.16 00:00:00 197.0000000 6013 6534 1010.94
2017.07.17 00:00:00 198.0000000 6449 6450 999.84
2017.07.18 00:00:00 199.0000000 6547 6512 999.03
2017.07.19 00:00:00 200.0000000 6265 6606 1006.90
2017.07.20 00:00:00 201.0000000 6118 6643 1010.89
CORRECTED FOR EFFICIENCY AND PRESSURE AVERAGE BETWEEN 2017/07/08 00:00-2017/07/20 00:00:6614.15COUNTS/MIN
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如上表1的数据示例所示，第1行显示为“中子监测数据库查询-[OULU,DOMC,DOMBNM监测站]-”，第2行显示为查询网址，第3行显示为“观测站-OULU中子监测站”，第4行显示为“日期列的单位：一年中的第几天”，第5行显示为起始时间和结束时间；第6至第8行显示为每一列的显示说明“列：#1、#2-日期和时间，#3-一年中的第几天，#4、#5-未校正和校正后(经过气压校正)后的计数率[计数/分钟]，#6-大气压[mbar]”；第9至第23行显示为自不同日期开始的有效性校正因子；第24、25行显示为自不同日期开始的压力校正因子；第26行显示为“备注：其实时间设置为00:00，结束时间设置为23:59”；第27行显示为“分辨率：1440分钟(24小时，1天)”；第28至第40行显示为选定时间段的监测数据；第41和42行显示为“自2017/07/08 00:00至2017/07/20 00:00期间校正后的有效性和压力平均值：6614.15计数/分钟”；第43行显示为“数据请求持续时间：0秒钟”；第44行显示为“在0秒中内自第13行生成该页面”。
如上所述，在下载的数据文件中，第四列为观测蚀刻的宇宙线强度日平均值数据，第五列为第四列数据经过气压校正的标准数据，本申请中采用的便是第五列中经过气压校正宇宙线强度日平均值的标准数据。
在本实施例中，选取2017年9月1日及2015年6月15日两天作为观测时段进行高能质子能谱的的计算。
示例1
通过下载Oulu观测得到的2017年9月1日地面宇宙线强度为6553，将该数据代入上述公式(2)，便可计算出空间高能质子能谱的关键参数F0＝0.025。
将上述计算结果F0＝0.025代入公式(1)，得到GOES-13卫星2017年9月1日高能粒子探测能道对应的给出的四个能量点的微分通量，与当天卫星探测结果的对比见表2。
高能质子能谱计算精度的评估中，通常采用的是通量相对误差进行评价，公式为：
式中err为高能质子通量相对误差；f0表示中轨道某卫星某能量的微分通量的观测值，fc为对应时段的对应能量的微分通量计算值。4个能量的微分通量的计算结果的相对误差如表2的最后一行给出。微分通量的单位是：cm-2s-1sr-1MeV-1。
表2 2017年9月1日(UT)高能质子能谱计算结果和误差分析结果
示例2
通过下载Oulu观测得到的2015年6月15日地面宇宙线强度为6130，将该数据代入上述公式(2)，便可计算出空间高能质子能谱的关键参数F0＝0.018。
将上述计算结果F0＝0.018代入公式(1)，得到GOES-13卫星高能粒子探测能道对应的给出的四个能量点在2015年6月15日的微分通量，与当天卫星探测结果的对比见表3。同样计算该观测日期的高能质子能谱的计算值与观测值之间的相对误差，该相对误差如表3的最后一行所示。
表3 2015年6月15日(UT)高能质子能谱计算结果和误差分析结果
| 700-869MeV | 510-700MeV | 420-510MeV | 350-420MeV | |
| 实测值 | 0.000112 | 0.000334 | 0.000862 | 0.00144 |
| 计算值 | 0.000122 | 0.000376 | 0.000926 | 0.00155 |
| 相对误差 | 8.92％ | 12.5％ | 7.42％ | 7.64％ |
有上述表2和表3的结果可以看出，本发明的方法可以计算观测日期的高能质子能谱，并且计算值与实测值的相对误差在可允许的范围内。
为了进一步评价本发明的方法对于在计算特定能道的高能质子能谱时的可靠性，本发明还对观测卫星的特定能量的高能质子能谱进行计算。
本实施例中以2016年1月份为例，对GOES-13卫星的高能质子8、9、10、11能道的高能质子能谱逐日进行计算，并计算2016年1月份的计算值和观测值的平均相对误差。
高能质子能谱计算结果的评估中，采用的是能道通量相对误差进行评价，特定能道的平均相对误差的计算公式为：
式中err为高能质子能谱的相对误差；f0(m)表示卫星某能量的微分通量的观测值，本例中采用GOES-13卫星的高能质子8、9、10、11能道的探测值作为标准观测值(能道参数见表1)；fc(m)为对应时间段的微分通量计算值，m为样本序号。微分通量的单位是：cm-2s-1sr-1MeV-1。各能道的平均相对误差在表4的最后一行给出。
表4 2016年1月份高能质子能谱连续计算结果和误差分析结果
如上表4所示，对不同能道连续计算一个月内的高能质子通量，并计算每个能道的高能质子通量的计算值与实测值这个月的平均相对误差，由误差结果可以确定的是，通过本发明的方法计算得到的高能质子能谱的相对误差保持在允许范围内，本发明的方法可以用于高能质子能谱的实时计算，并且计算结果准确。
本实施例的方法能够通过地面宇宙线强度实时获得高能质子能谱。本发明的方法简便，获得的高能质子能谱准确率高。有利于卫星运行管理人员及时了解高能质子能谱状况，及时采取相应的应对措施。
实施例二
本实施例提供一种高能质子能谱计算系统，该高能质子能谱计算系统用于实施实施例一所述的方法。如图3所示，该高能质子能谱计算系统包括：
数据获取单元，用于获取选定的历史时段的历史数据，所述历史数据包括高能质子能谱、地面宇宙线强度日均值以及高能质子能谱参数；该数据获取单元可以是连接于互联网的计算机，通过该计算机在互联网上获取所需的历史数据。例如，本实施例中通过计算机获取GOES卫星探测的历史数据。
数据分析单元，用于接收所述数据获取单元获取的所述历史数据，并对所述历史时段内的所述历史数据进行分析；
在本实施例中，数据分析单元包括第一分析单元和第二分析单元，第一分析单元用于接收所述历史数据中的高能质子能谱，并高能质子能谱进行分析，获得第一关系式。具体的：对所述历史时段内的粒子能谱逐日进行统计分析；
获得每日的高能质子通量与太阳活动水平的负相关关系；
获得每日测得的高能质子各能道日平均道通量与能道的能量的负指数关系；
获得的所述第一关系式为：f＝F0×10-0.0028E (1)，
其中，E为能道的能量，单位为MeV，f为能量为E的高能粒子的微分通量，单位是cm- 2s-1sr-1MeV-1，F0为高能质谱参数，是与太阳活动相关的常数，单位与f相同。
第二分析单元用于接收所述历史数据中的地面宇宙线强度日均值及高能质子能谱参数，对所述历史时段的地面宇宙线强度日均值及高能质子能谱参数进行分析，获得第二关系式。具体地：对所述历史时段内的地面宇宙线强度日均值以及高能质谱参数进行相关性分析，获得所述第二关系式为：F0＝0.000305Fc-3.601 (2)，
其中，Fc为所述历史时段内的宇宙线强度日均值，F0为高能质谱参数，是与太阳活动相关的常数，单位是cm-2s-1sr-1MeV-1。
地面宇宙线观测装置，用于测量地面宇宙线强度的日均值；地面宇宙线观测装置包括探测卫星以及数据接收及存储装置，通过地面宇宙线观测装置可以获得地面宇宙线强度的实时观测值。
计算单元，用于接收所述数据处理单元的分析结构及地面宇宙线的观测结果，并根据所述数据处理单元的处理结果及观测得到的地面宇宙线强度的日均值，获得所述观测时段的高能质子能谱。本实施例中，计算单元包括第一计算单元和第二计算单元。第一计算单元根据观测时段测量的地面宇宙线强度日均值及所述第二关系式，获得高能质谱参数；第二计算单元根据第一计算单元获得的高能质谱参数及所述第一关系式，获得所述观测时段的高能粒子能谱。
如上所述，本发明的高能质子能谱计算方法及计算系统，至少具有如下有益效果：
本发明的方法通过对历史时段内的高能质子能谱、地面宇宙线强度日均值以及高能质子能谱参数进行分析，获得了高能质子能谱与太阳活动和能道能量的第一关系式，以及地面宇宙线强度日均值与高能质子能谱参数的第二关系式；在观测时段，将观测到的地面宇宙线强度日均值带入第一关系式和第二关系式，可以得到观测时段的高能质子能谱，由此可以实现实时获得高能质子能谱。本发明的方法简便，获得的高能质子能谱准确率高。有利于卫星运行管理人员及时了解高能质子能谱状况，及时采取相应的应对措施。
本发明的上述方法能够准确地给出高能质子能谱，能够为高轨卫星精确计算单粒子事件概率、敏感器件的辐射剂量等提供外部高能粒子环境信息，有利于有针对性地进行防护设计，达到既能做好卫星防护，又能减少过度防护造成的浪费，为卫星设计及运行维护的空间环境保障提供技术支持。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种高能质子能谱计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
选定一历史时段，获取所述历史时段的如下历史数据：高能质子能谱、地面宇宙线强度日均值以及高能质子能谱参数；
对所述历史时段内的高能质子能谱进行分析，获得第一关系式；
对所述历史时段的地面宇宙线强度日均值及高能质子能谱参数进行分析，获得第二关系式；
在观测时段测量地面宇宙线强度的日均值；
根据观测时段测量的地面宇宙线强度的日均值以及所述第一关系式和所述第二关系式，获得所述观测时段的高能质子能谱。
2.根据权利要求1所述的高能质子能谱计算方法，其特征在于，对所述历史时段内的粒子能谱进行分析，获得第一关系式包括：
对所述历史时段内的粒子能谱逐日进行统计分析；
获得每日的高能质子通量与太阳活动水平的负相关关系；
获得每日测得的高能质子各能道日平均道通量与能道的能量的负指数关系；
获得的所述第一关系式为：f＝F0×10-0.0028E (1)，其中，E为能道的能量，单位为MeV，f为能道能量为E的高能质子的微分通量，单位是cm-2s-1sr-1MeV-1，F0为空间高能质子能谱的关键参数，是与太阳活动相关的常数，单位与f相同。
3.根据权利要求1所述的高能质子能谱计算方法，其特征在于，对所述历史时段的地面宇宙线强度日均值及高能质谱参数进行分析，获得二者的第二关系式包括：
对所述历史时段内的地面宇宙线强度日均值以及高能质谱参数进行相关性分析，获得所述第二关系式为：F0＝0.000305Fc-3.601 (2)，其中，Fc为所述历史时段内的宇宙线强度日均值，F0为空间高能质子能谱的关键参数，是与太阳活动相关的常数，单位是cm-2s-1sr-1MeV-1。
4.根据权利要求1所述的高能质子能谱计算方法，其特征在于，根据观测时段测量的地面宇宙线强度的日均值以及所述第一关系式和所述第二关系式，获得所述观测时段的高能粒子通量包括：
将观测时段测量的地面宇宙线强度日均值代入第二关系式，获得高能质谱参数；
将获得的高能质谱参数代入第一关系式，获得所述观测时段的高能质子能谱。
5.根据权利要求1所述的高能质子能谱计算方法，其特征在于，所述高能质子的能量大于300MeV。
6.一种高能质子能谱计算系统，其特征在于，包括：
数据获取单元，用于获取选定的历史时段的历史数据，所述历史数据包括高能质子能谱、地面宇宙线强度日均值以及高能质子能谱参数；
数据分析单元，用于接收所述数据获取单元获取的所述历史数据，并对所述历史时段内的所述历史数据进行分析；
地面宇宙线观测装置，用于测量地面宇宙线强度的日均值；
计算单元，用于接收所述数据处理单元的分析结构及地面宇宙线的观测结果，并根据所述数据处理单元的处理结果及观测得到的地面宇宙线强度的日均值，获得所述观测时段的高能质子能谱。
7.根据权利要求6所述的高能质子能谱计算系统，其特征在于，数据分析单元包括：
第一分析单元，用于接收所述历史数据中的高能质子能谱，并高能质子能谱进行分析，获得第一关系式；
第二分析单元，用于接收所述历史数据中的地面宇宙线强度日均值及高能质子能谱参数，对所述历史时段的地面宇宙线强度日均值及高能质子能谱参数进行分析，获得第二关系式。
8.根据权利要求7所述的高能质子能谱计算系统，其特征在于，所述第一分析单元还配置为：
对所述历史时段内的粒子能谱逐日进行统计分析；
获得每日的高能质子通量与太阳活动水平的负相关关系；
获得每日测得的高能质子各能道日平均道通量与能道的能量的负指数关系；
获得的所述第一关系式为：f＝F0×10-0.0028E (1)，其中，E为能道的能量，单位为MeV，f为能量为E的高能粒子的微分通量，单位是cm-2s-1sr-1MeV-1，F0为空间高能质子能谱的关键参数，是与太阳活动相关的常数，单位与f相同。
9.根据权利要求8所述的高能质子能谱计算系统，其特征在于，所述第二分析单元还配置为：
对所述历史时段内的地面宇宙线强度日均值以及高能质谱参数进行相关性分析，获得所述第二关系式为：F0＝0.000305Fc-3.601 (2)，其中，Fc为所述历史时段内的宇宙线强度日均值，F0为空间高能质子能谱的关键参数，是与太阳活动相关的常数，单位是cm-2s-1sr-1MeV-1。
10.根据权利要求9所述的高能质子能谱计算系统，其特征在于，所述计算单元还包括：
第一计算单元，用于根据观测时段测量的地面宇宙线强度日均值及所述第二关系式，获得高能质谱参数；
第二计算单元，用于根据获得的高能质谱参数及所述第一关系式，获得所述观测时段的高能粒子能谱。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113900137A (zh) * | 2021-07-30 | 2022-01-07 | 应急管理部国家自然灾害防治研究院 | 高能粒子探测器数据处理方法及系统 |
| CN115097539A (zh) * | 2022-07-07 | 2022-09-23 | 中国科学院国家空间科学中心 | 用于空间引力波探测测试质量实时充电率预测方法和系统 |
| CN115932937A (zh) * | 2022-12-26 | 2023-04-07 | 数字太空(北京)智能技术研究院有限公司 | 确定中轨道高能电子能谱的方法及系统 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB201416214D0 (en) * | 2014-09-14 | 2014-10-29 | Radiation Doze Project Ltd | Secondary cosmic rays |
| CN104809338A (zh) * | 2015-04-16 | 2015-07-29 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种基于关联关系的在轨卫星受空间环境影响的预警方法 |
| US20180045836A1 (en) * | 2016-08-11 | 2018-02-15 | Korea Astronomy And Space Science Institute | Analysis system for aviation radiation dose |
| CN109100773A (zh) * | 2018-10-29 | 2018-12-28 | 陕西卫峰核电子有限公司 | 一种安全壳大气辐射监测装置 |
| CN111703593A (zh) * | 2020-06-28 | 2020-09-25 | 国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) | 地球同步轨道卫星表面充电效应的预警方法及预警系统 |
-
2021
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB201416214D0 (en) * | 2014-09-14 | 2014-10-29 | Radiation Doze Project Ltd | Secondary cosmic rays |
| CN104809338A (zh) * | 2015-04-16 | 2015-07-29 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种基于关联关系的在轨卫星受空间环境影响的预警方法 |
| US20180045836A1 (en) * | 2016-08-11 | 2018-02-15 | Korea Astronomy And Space Science Institute | Analysis system for aviation radiation dose |
| CN109100773A (zh) * | 2018-10-29 | 2018-12-28 | 陕西卫峰核电子有限公司 | 一种安全壳大气辐射监测装置 |
| CN111703593A (zh) * | 2020-06-28 | 2020-09-25 | 国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) | 地球同步轨道卫星表面充电效应的预警方法及预警系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 岳川: "暗物质粒子探测卫星的能量重建和宇宙线质子能谱的分析", 天文学报, vol. 61, no. 05, pages 132 - 134 * |
| 赖志娟;薛炳森: "由地面宇宙线中子强度反演空间质子和重离子的分布", 空间科学学报, no. 06, pages 474 - 480 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113900137A (zh) * | 2021-07-30 | 2022-01-07 | 应急管理部国家自然灾害防治研究院 | 高能粒子探测器数据处理方法及系统 |
| CN115097539A (zh) * | 2022-07-07 | 2022-09-23 | 中国科学院国家空间科学中心 | 用于空间引力波探测测试质量实时充电率预测方法和系统 |
| CN115932937A (zh) * | 2022-12-26 | 2023-04-07 | 数字太空(北京)智能技术研究院有限公司 | 确定中轨道高能电子能谱的方法及系统 |
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