CN113189617B - 一种太阳质子事件预警方法及系统、存储介质及终端 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太阳质子事件预警方法及系统、存储介质及终端，包括以下步骤：获取高能质子实时数据；基于所述高能质子实时数据，获取最新预设数量个预设时间区间中能量分别大于10MeV、50MeV和100MeV的高能质子的通量值；获取各个预设时间区间内的通量因子和能谱因子，并计算所述最新预设数量个预设时间区间内的平均通量因子和平均能谱因子；当最新预设时间区间内能量大于100MeV的高能质子的通量值大于预警通量值和/或所述平均通量因子大于所述平均能谱因子时，进行太阳质子事件预警。本发明的太阳质子事件预警方法及系统、存储介质及终端基于太阳质子事件的先兆特征来进行预警，准确度高，可靠性好。

Description

一种太阳质子事件预警方法及系统、存储介质及终端

技术领域

本发明涉及信息预警的技术领域，特别是涉及一种太阳质子事件预警方法及系统、存储介质及终端。

背景技术

太阳质子事件是由太阳表面发生的爆发事件中被加速的高能质子所形成的，是指从太阳发出的能量大于10MeV(兆电子伏特)的高能质子的通量大于10cm^-2s^-1sr^-1(个/厘米²·秒·球面度)的过程，即每秒、每球面度、每平方厘米上探测到的粒子数大于10个。

太阳质子事件期间，卫星所在各种轨道上的高能质子急剧增加，对卫星载荷的正常工作甚至卫星本身的安全构成威胁。具体地，卫星上受到高能粒子轰击的微电子芯片的状态会发生不可控的改变，直接导致逻辑紊乱，轻则数据丢失，重则设备异常，甚至损坏。因此，做好太阳质子事件的预警工作，能够使在轨卫星管理人员对太阳质子事件这种严重的空间环境事件提前启动应急预案，减小其影响，避免损失。

然而，由于太阳爆发活动的物理过程的规模及持续时间各不相同，标志太阳质子事件强度的能量大于10MeV的高能质子的通量变化也较大。此外，其他能量的高能质子通量的变化也不尽相同。对于积分通量来说，能量越高，通量越小；只是随着能量的增加，通量的减小的速率不同。因此，太阳质子事件的预警精度不稳定性较大，无法满足实际应用的需求。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种太阳质子事件预警方法及系统、存储介质及终端，基于太阳质子事件的先兆特征来进行预警，准确度高，可靠性好。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种太阳质子事件预警方法，包括以下步骤：获取高能质子实时数据；基于所述高能质子实时数据，获取最新预设数量个预设时间区间中能量分别大于10MeV、50MeV和100MeV的高能质子的通量值；获取各个预设时间区间内的通量因子和能谱因子，并计算所述最新预设数量个预设时间区间内的平均通量因子和平均能谱因子；其中，所述通量因子为能量大于50MeV的高能质子的通量值，所述能谱因子为能量大于50MeV的高能质子通量与能量大于10MeV的高能质子的通量值的比值；当最新预设时间区间内能量大于100MeV的高能质子的通量值大于预警通量值和/或所述平均通量因子大于所述平均能谱因子时，进行太阳质子事件预警。

于本发明一实施例中，所述预设数量为3。

于本发明一实施例中，所述预设时间区间为5分钟。

于本发明一实施例中，所述预警通量值为0.1cm^-2s^-1sr^-1。

对应地，本发明提供一种太阳质子事件预警系统，包括第一获取模块、第二获取模块、第三获取模块和预警模块；

所述第一获取模块用于获取高能质子实时数据；

所述第二获取模块用于基于所述高能质子实时数据，获取最新预设数量个预设时间区间中能量分别大于10MeV、50MeV和100MeV的高能质子的通量值；

所述第三获取模块用于获取各个预设时间区间内的通量因子和能谱因子，并计算所述最新预设数量个预设时间区间内的平均通量因子和平均能谱因子；其中，所述通量因子为能量大于50MeV的高能质子的通量值，所述能谱因子为能量大于50MeV的高能质子通量与能量大于10MeV的高能质子的通量值的比值；

所述预警模块用于当最新预设时间区间内能量大于100MeV的高能质子的通量值大于预警通量值和/或所述平均通量因子大于所述平均能谱因子时，进行太阳质子事件预警。

于本发明一实施例中，所述预设数量为3。

于本发明一实施例中，所述预设时间区间为5分钟。

于本发明一实施例中，所述预警通量值为0.1cm^-2s^-1sr^-1。

本发明提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的太阳质子事件预警方法。

本发明提供一种太阳质子事件预警终端，包括：处理器及存储器；

所述存储器用于存储计算机程序；

所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述太阳质子事件预警终端执行上述的太阳质子事件预警方法。

如上所述，本发明的太阳质子事件预警方法及系统、存储介质及终端，具有以下有益效果：

(1)通过将能量大于100MeV高能质子的通量超过预警通量值、通量因子超过能谱因子中的一个或多个作为太阳质子事件的先兆特征，来进行太阳质子事件的预警；

(2)预警精度高，可靠性好。

附图说明

图1显示为本发明的太阳质子事件预警方法于一实施例中的流程图；

图2显示为太阳质子事件之前能量大于100MeV后于一实施例中的增长曲线示意图；

图3显示为太阳质子事件之前通量因子和能谱因子于一实施例中的变化趋势示意图；

图4显示为2001年11月22日太阳质子事件预警示意图；

图5显示为本发明的太阳质子事件预警系统于一实施例中的结构示意图；

图6显示为本发明的太阳质子事件预警终端于一实施例中的结构示意图。

元件标号说明

51                      第一获取模块

52                      第二获取模块

53                      第三获取模块

54                      预警模块

61                      处理器

62                      存储器

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明的太阳质子事件预警方法及系统、存储介质及终端将能量大于100MeV高能质子的通量超过0.1cm^-2s^-1sr^-1、通量因子超过能谱因子中的一个或多个作为太阳质子事件的先兆特征，来进行有效的太阳质子事件预警，准确度高，可靠性好。

如图1所示，于一实施例中，本发明太阳质子事件预警方法包括以下步骤：

步骤S1、获取高能质子实时数据。

具体地，基于美国GOES卫星探测到的多能道高能质子数据来获取高能质子实时数据。其中，下载地址为https://services.swpc.noaa.gov/json/goes/primary/integral- protons-1-day.json。

步骤S2、基于所述高能质子实时数据，获取最新预设数量个预设时间区间中能量分别大于10MeV、50MeV和100MeV的高能质子的通量值。

具体地，在所述高能质子实时数据中，抽取最新预设数量个预设时间区间中高能质子的能量分别大于10MeV、50MeV和100MeV的高能质子的通量值。优选地，对于最新的3个5分钟时间区间中，获取每个5分钟时间区间中能量分别大于10MeV、50MeV和100MeV的高能质子的通量值，即t时间区间能量分别大于10MeV、50MeV和100MeV的高能质子的通量值F_t10、F_t50、F_t100，t-1时间区间能量分别大于10MeV、50MeV和100MeV的高能质子的通量值F_t-110、F_t-150、F_t-1100，t-2时间区间能量分别大于10MeV、50MeV和100MeV的高能质子的通量值F_{t- 2}10、F_t-250、F_t-2100。其中t表示最新时间区间，t-1和t-2表示t之前的两个时间区间。

步骤S3、获取各个预设时间区间内的通量因子和能谱因子，并计算所述最新预设数量个预设时间区间内的平均通量因子和平均能谱因子；其中，所述通量因子为能量大于50MeV的高能质子的通量值，所述能谱因子为能量大于50MeV的高能质子通量与能量大于10MeV的高能质子的通量值的比值。

具体地，针对上述每个预设时间区间，将能量大于50MeV的高能质子的通量值作为该预设时间区间i对应的通量因子IF_i，即IF_i＝F_t50；将能量大于50MeV的高能质子通量与能量大于10MeV的高能质子的通量值的比值作为该预设时间区间i的能谱因子IS_i，即IS_i＝F_i50/F_i10。同时，计算出所述最新预设数量个预设时间区间内的平均通量因子和平均能谱因子。

例如，对于最新的3个5分钟时间区间中，对应的平均通量因子

对应的平均能谱因子

步骤S4、当最新预设时间区间内能量大于100MeV的高能质子的通量值大于预警通量值和/或所述平均通量因子大于所述平均能谱因子时，进行太阳质子事件预警。

一次太阳质子事件过程能够加速出的各种能量的高能质子。通常能够加速出通量超过太阳质子事件阈值的高能质子通量的太阳爆发事件已经具有一定规模和更高能量。如100MeV以上的质子也会同时产生，这部分质子的运动速度超过10MeV的质子，突破太阳磁场束缚也会早一些。因此，在地球位置能够更早地观测到100MeV以上的高能质子的通量增加。例如，如图2所示，2000年9月24日的太阳质子事件发生之前，即起始时间12:40UT之前，能量大于100MeV的高能质子的通量已经开始增加，11:25UT达到了0.1cm^-2s^-1sr^-1。因此，在本发明中，将能量大于100MeV的高能质子的通量超过0.1cm^-2s^-1sr^-1作为太阳质子事件的先兆特征之一。其中，需要说明的是，所述预警通量值不限于0.1cm^-2s^-1sr^-1，可根据不同的精度要求进行灵活地调整。

太阳高能质子在太阳表面被加速之后，传播到地球大约需要1-2小时。期间，由于加速过程的差异、高能质子离开太阳的投掷角等因素，不同能量的高能质子并非瞬间达到太阳质子事件阈值，有一个逐渐增加的过程。因此，本发明采用以下两个参数反映太阳质子事件的发展过程：

1)通量因子IF，其数值与能量大于50MeV的高能质子的通量值大小相同；

2)能谱因子IS，其为能量大于50MeV的高能质子通量与能量大于10MeV的高能质子的通量值的比值。

太阳质子事件的能谱在质子事件之前也会有较大变化。在没有太阳质子事件的情况下，地球附近的各种能量的质子通量相对变化不大，高能质子能谱比较稳定。而太阳爆发活动发生后，能量较高的质子会率先到达地球，这部分质子通量会出现小的增长。通过对太阳质子事件前后通量因子和能谱因子进行对比，可知一般情况下能谱因子会大于通量因子，而太阳质子事件发生前，通量因子会超过能谱因子。这种现象在97％的太阳质子事件中均存在。如图3所示的2000年4月4日的通量因子和能谱因子的变化趋势曲线，可知17:00UT之前，通量因子明显小于能谱因子，然后能谱因子迅速下降，并在17:45UT后小于通量因子，当天22:55UT发生了太阳质子事件。因此，本发明将通量因子大于能谱因子作为太阳质子事件的先兆特征之一。

因此，本发明的太阳质子事件预警方法将以下两个条件作为预警启动条件：

(1)能量大于100MeV的高能质子的通量值大于预警通量值。

(2)通量因子大于平均能谱因子。优选地，为了提升预警精度，本发明采用最新预设数量个预设时间区间的平均通量因子和平均能谱因子。

当满足上述一个或两个条件时，进行太阳质子事件的预警。

下面通过具体实施例来进一步阐述本发明的太阳质子事件预警方法。

该实施例以2001年11月22日的太阳质子事件的预警过程为例。根据下载的历史数据，可以获得连续的高能质子的通量数据。截取当日21:00UT-21:40UT的观测值，得到如表1所示的高能质子通量数据。

表1、2001年11月22日部分时间段的太阳质子通量数据

根据表1中的通量值，可得表2所示的F100、IF和IS的值。其中，满足预警条件时，判据标注为“1”，否则为“0”；当两个判据任何一个成立，则可进行太阳质子事件警报。

表2、先兆特征计算以及预警判断结果

时间(UT)

F100

判据1

IF

IS

判据2

警报

20:55

5.32E-02

0

6.26E-02

4.25E-01

0

0

21:00

9.21E-02

0

7.70E-02

4.22E-01

0

0

21:05

6.02E-02

0

9.26E-02

5.04E-01

0

0

21:10

7.89E-02

0

9.86E-02

5.66E-01

0

0

21:15

1.76E-01

1

1.63E-01

7.59E-01

0

1

21:20

2.53E-01

1

2.72E-01

8.06E-01

0

1

21:25

2.36E-01

1

3.62E-01

6.79E-01

0

1

21:30

4.01E-01

1

4.95E-01

6.55E-01

0

1

21:35

4.81E-01

1

6.78E-01

6.60E-01

1

1

21:40

4.49E-01

1

8.52E-01

7.98E-01

1

1

由上表可知，1)21:15UT，F100>0.1，满足太阳质子事件发生的先兆特征；2)21:35UT，IF>IS，也满足太阳质子事件的先兆特征。因此，根据太阳质子事件爆发条件，21:15UT发出质子事件警报。当日23:10UT，能量大于10MeV的高能质子通量达到质子事件水平。如图4所示，横坐标为当日00:00UT开始的时间单元序数，每个时间单元的长度为5分钟。

另外，为了进一步验证本发明的太阳质子预警方法，针对第24太阳活动周(2009-2020)的全部太阳质子事件，按照本发明的太阳质子事件预警规则，逐个进行计算和统计，得到如表3所示的结果。

表3、第24太阳活动周质子事件预警方案应用效果

由上表可知，第24太阳活动周共发生太阳质子事件32次，根据本发明的太阳质子事件预警方法需要进行30次预警，成功率达到96.3％。

如图5所示，于一实施例中，本发明的太阳质子事件预警系统包括第一获取模块51、第二获取模块52、第三获取模块53和预警模块54。

所述第一获取模块51用于获取高能质子实时数据。

所述第二获取模块52与所述第一获取模块51相连，用于基于所述高能质子实时数据，获取最新预设数量个预设时间区间中能量分别大于10MeV、50MeV和100MeV的高能质子的通量值。

所述第三获取模块53与所述第二获取模块52相连，用于获取各个预设时间区间内的通量因子和能谱因子，并计算所述最新预设数量个预设时间区间内的平均通量因子和平均能谱因子；其中，所述通量因子为能量大于50MeV的高能质子的通量值，所述能谱因子为能量大于50MeV的高能质子通量与能量大于10MeV的高能质子的通量值的比值。

所述预警模块54与所述第二获取模块52和所述第三预警模块53相连，用于当最新预设时间区间内能量大于100MeV的高能质子的通量值大于预警通量值和/或所述平均通量因子大于所述平均能谱因子时，进行太阳质子事件预警。

其中，第一获取模块51、第二获取模块52、第三获取模块53和预警模块54的结构和原理与上述太阳质子事件预警方法中的步骤一一对应，故在此不再赘述。

需要说明的是，应理解以上装置的各个模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个物理实体上，也可以物理上分开。且这些模块可以全部以软件通过处理元件调用的形式实现；也可以全部以硬件的形式实现；还可以部分模块通过处理元件调用软件的形式实现，部分模块通过硬件的形式实现。例如，x模块可以为单独设立的处理元件，也可以集成在上述装置的某一个芯片中实现，此外，也可以以程序代码的形式存储于上述装置的存储器中，由上述装置的某一个处理元件调用并执行以上x模块的功能。其它模块的实现与之类似。此外这些模块全部或部分可以集成在一起，也可以独立实现。这里所述的处理元件可以是一种集成电路，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤或以上各个模块可以通过处理器元件中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。

例如，以上这些模块可以是被配置成实施以上方法的一个或多个集成电路，例如：一个或多个特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)，或，一个或多个微处理器(Digital Singnal Processor，简称DSP)，或，一个或者多个现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)等。再如，当以上某个模块通过处理元件调度程序代码的形式实现时，该处理元件可以是通用处理器，例如中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)或其它可以调用程序代码的处理器。再如，这些模块可以集成在一起，以片上系统(system-on-a-chip，简称SOC)的形式实现。

本发明的存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的太阳质子事件预警方法。所述存储介质包括：ROM、RAM、磁碟、U盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

如图6所示，于一实施例中，本发明的太阳质子事件预警终端包括：处理器61及存储器62。

所述存储器62用于存储计算机程序。

所述存储器62包括：ROM、RAM、磁碟、U盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

所述处理器61与所述存储器62相连，用于执行所述存储器62存储的计算机程序，以使所述太阳质子事件预警终端执行上述的太阳质子事件预警方法。

优选地，所述处理器61可以是通用处理器，包括中央处理器(Central ProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

综上所述，本发明的太阳质子事件预警方法及系统、存储介质及终端通过将能量大于100MeV高能质子的通量超过预警通量值、通量因子超过能谱因子中的一个或多个作为太阳质子事件的先兆特征，来进行太阳质子事件的预警；预警精度高，可靠性好。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

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。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种太阳质子事件预警方法，其特征在于：包括以下步骤：

获取高能质子实时数据；

基于所述高能质子实时数据，获取最新预设数量个预设时间区间中能量分别大于10MeV、50MeV和100MeV的高能质子的通量值；

获取各个预设时间区间内的通量因子和能谱因子，并计算所述最新预设数量个预设时间区间内的平均通量因子和平均能谱因子；其中，所述通量因子为能量大于50MeV的高能质子的通量值，所述能谱因子为能量大于50MeV的高能质子通量与能量大于10MeV的高能质子的通量值的比值；

当最新预设时间区间内能量大于100MeV的高能质子的通量值大于预警通量值和所述平均通量因子大于所述平均能谱因子时，进行太阳质子事件预警。

2.根据权利要求1所述的太阳质子事件预警方法，其特征在于：所述预设数量为3。

3.根据权利要求1所述的太阳质子事件预警方法，其特征在于：所述预设时间区间为5分钟。

4.根据权利要求1所述的太阳质子事件预警方法，其特征在于：所述预警通量值为0.1cm^-2s^-1sr^-1。

5.一种太阳质子事件预警系统，其特征在于：包括第一获取模块、第二获取模块、第三获取模块和预警模块；

所述第一获取模块用于获取高能质子实时数据；

所述第二获取模块用于基于所述高能质子实时数据，获取最新预设数量个预设时间区间中能量分别大于10MeV、50MeV和100MeV的高能质子的通量值；

所述第三获取模块用于获取各个预设时间区间内的通量因子和能谱因子，并计算所述最新预设数量个预设时间区间内的平均通量因子和平均能谱因子；其中，所述通量因子为能量大于50MeV的高能质子的通量值，所述能谱因子为能量大于50MeV的高能质子通量与能量大于10MeV的高能质子的通量值的比值；

所述预警模块用于当最新预设时间区间内能量大于100MeV的高能质子的通量值大于预警通量值和所述平均通量因子大于所述平均能谱因子时，进行太阳质子事件预警。

6.根据权利要求5所述的太阳质子事件预警系统，其特征在于：所述预设数量为3。

7.根据权利要求5所述的太阳质子事件预警系统，其特征在于：所述预设时间区间为5分钟。

8.根据权利要求5所述的太阳质子事件预警系统，其特征在于：所述预警通量值为0.1cm^-2s^-1sr^-1。

9.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的太阳质子事件预警方法。

10.一种太阳质子事件预警终端，其特征在于，包括：处理器及存储器；

所述存储器用于存储计算机程序；

所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述太阳质子事件预警终端执行权利要求1至4中任一项所述的太阳质子事件预警方法。

Images