CN115856986A - 一种地球轨道航天器粒子辐射环境的计算方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及航空航天技术领域,尤其涉及一种地球轨道航天器粒子辐射环境的计算方法及设备,方法包括:确定目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的带电粒子积分通量;获取可监测位置当前环境状态下的实时带电粒子监测数据;计算可监测位置当前环境状态下的实时带电粒子监测数据与平静环境状态下的带电粒子积分通量的实时相对变化量;当前环境状态为扰动环境状态或平静环境状态;根据目标位置处于平静环境状态下的带电粒子积分通量和实时相对变化量,得到目标位置的实时带电粒子积分通量。
Description
技术领域
本申请涉及航空航天技术领域,尤其涉及一种地球轨道航天器粒子辐射环境的计算方法及设备。
背景技术
随着科学技术的发展,越来越多的航天器进入太空,太空中的各种突发事件会对航天器造成严重影响,其中高能粒子事件引起辐射环境变化是航天器故障的重要组成部分。当太空中发生高能粒子事件时,航天器轨道上的高能带电粒子突然增强,会给在轨航天器的安全运行带来巨大威胁。当高能粒子通过卫星屏蔽进入单机器件时,可能会发生电离剂量、位移损伤、深层充放电等效应,使航天器产生电磁干扰、主备切换、假指令、闩锁和器件烧毁等事件,从而严重影响卫星业务或寿命。
由于地磁场对高能带电粒子的屏蔽作用,不同轨道的航天器受到的影响大不相同。高轨道距离地球较远,地磁场屏蔽作用微弱,高能粒子事件对它的影响通常比较严重;低轨道距离地球相对较近,地磁场将绝大多数太阳爆发的粒子阻挡在外,高能粒子事件的影响相对较小。实时了解不同轨道航天器辐射环境状态,及时应对灾害性环境事件,减少或规避不必要的经济损失,对航天器的在轨安全保障至关重要。为监测太空粒子辐射环境,国内外相继发射了多颗搭载粒子探测器的卫星,但这些粒子探测数据只表征卫星轨迹位置的粒子辐射情况,对于未搭载粒子探测器的卫星辐射环境处于未知状态,其遭受的粒子辐射风险也无从得知。
为了计算得到不同轨道的卫星辐射环境,现有技术中提供了多种模型,包括:银河宇宙线模型、太阳质子事件模型和地球辐射带模型。这些模型大部分是根据运行在某个或某几个轨道卫星的监测数据开发得到的平均状态模型或典型事件模型,其得到的不同轨道的卫星辐射环境不具备实时性,所以具有一定的局限性。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中通过模型计算不同轨道的卫星辐射环境不具备实时性的问题,本申请提供一种地球轨道航天器粒子辐射环境的计算方法及设备。
本申请的方案如下:
根据本申请实施例的第一方面,提供一种地球轨道航天器粒子辐射环境的计算方法,包括:
确定目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的带电粒子积分通量;
获取可监测位置当前环境状态下的实时带电粒子监测数据;
计算可监测位置当前环境状态下的实时带电粒子监测数据与平静环境状态下的带电粒子积分通量的实时相对变化量;所述当前环境状态为扰动环境状态或平静环境状态;
根据目标位置处于平静环境状态下的带电粒子积分通量和所述实时相对变化量,得到目标位置的实时带电粒子积分通量。
优选地,所述方法还包括:
确定所述目标位置的轨道高度;
若所述目标位置的轨道高度为中高轨道,则确定目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的电子积分通量;
若所述目标位置的轨道高度为低轨道,则确定目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的质子积分通量。
优选地,所述确定目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的电子积分通量,包括:
确定所述目标位置的所处轨道;
若所述目标位置的所处轨道为GEO(The geostationary orbit,地球静止轨道)轨道,则根据GEO轨道的历史监测数据,统计得到平静环境状态下的GEO轨道的地方时分布特征,得到目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的电子积分通量;
若所述目标位置的所处轨道为IGSO(Inclined GeoSynchronous Orbit,倾斜地球同步轨道)轨道或MEO(Medium orbit earth satellite,地球中轨道)轨道,则基于预设地球辐射带静态模型得到目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的电子积分通量。
优选地,若所述目标位置的轨道高度为中高轨道,所述根据目标位置处于平静环境状态下的带电粒子积分通量和所述实时相对变化量,得到目标位置的实时带电粒子积分通量,包括:
将目标位置处于平静环境状态下的电子积分通量和所述实时相对变化量相加,得到目标位置的实时电子积分通量。
优选地,若所述目标位置的轨道高度为低轨道,所述方法还包括:
根据GEO轨道实时质子监测数据判断是否发生太阳质子事件。
优选地,所述确定目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的质子积分通量,包括:
基于预设地球辐射带静态模型得到目标位置的地球辐射带贡献质子积分通量;
基于太阳质子事件模型得到目标位置的太阳质子事件贡献质子积分通量;
将目标位置的地球辐射带和太阳质子事件贡献质子积分通量进行相加,得到目标位置处于平静环境状态下的质子积分通量;
对可监测位置的历史质子积分通量监测数据进行统计,得到可监测位置处于平静环境状态下的质子积分通量。
优选地,根据目标位置处于平静环境状态下的质子积分通量和所述实时相对变化量,得到目标位置的实时质子积分通量,包括:
若未发生太阳质子事件时,将目标位置处于平静环境状态下的质子积分通量作为目标位置的实时质子积分通量;
若发生太阳质子事件时,将目标位置处于平静环境状态下的质子积分通量与所述实时相对变化量进行相加,得到目标位置的实时质子积分通量。
优选地,若所述目标位置的轨道高度为中高轨道,所述获取可监测位置当前环境状态下的实时带电粒子监测数据,包括:
获取可监测位置当前环境状态下的GEO轨道实时电子监测数据;
若所述目标位置的轨道高度为低轨道,获取可监测位置当前环境状态下的实时GEO轨道质子监测数据。
优选地,计算可监测位置当前环境状态下的实时带电粒子监测数据与平静环境状态下的带电粒子积分通量的实时相对变化量,包括:
计算可监测位置当前环境状态下的实时带电粒子监测数据与平静环境状态下的带电粒子积分通量的差值作为所述实时相对变化量。
根据本申请实施例的第二方面,提供一种地球轨道航天器粒子辐射环境的计算设备,包括:
处理器和存储器;
所述处理器与存储器通过通信总线相连接:
其中,所述处理器,用于调用并执行所述存储器中存储的程序;
所述存储器,用于存储程序,所述程序至少用于执行如以上任一项所述的一种地球轨道航天器粒子辐射环境的计算方法。
本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果:本申请中的地球轨道航天器粒子辐射环境的计算方法,包括:确定目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的带电粒子积分通量;获取可监测位置当前环境状态下的实时带电粒子监测数据;计算可监测位置当前环境状态下的实时带电粒子监测数据与平静环境状态下的带电粒子积分通量的实时相对变化量;当前环境状态为扰动环境状态或平静环境状态;根据目标位置处于平静环境状态下的带电粒子积分通量和实时相对变化量,得到目标位置的实时带电粒子积分通量。本申请中的技术方案,首先基于可监测位置的实时带电粒子监测数据确定其相较于平静环境状态下的实时相对变化量,由于地球辐射带中大部分位置的当前环境状态相对于平静环境状态的相对变化量基本一致,所以可以通过目标位置处于平静环境状态下的带电粒子积分通量和实时相对变化量,得到目标位置的实时带电粒子积分通量。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本申请的实施例,并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是本申请一个实施例提供的一种地球轨道航天器粒子辐射环境的计算方法的流程示意图;
图2是本申请一个实施例提供的一种地球轨道航天器粒子辐射环境的计算设备的结构示意图。
附图标记:处理器-21;存储器-22。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明,其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时,除非另有表示,不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反,它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
实施例一
图1是本申请一个实施例提供的一种地球轨道航天器粒子辐射环境的计算方法的流程示意图,参照图1,一种地球轨道航天器粒子辐射环境的计算方法,包括:
S11:确定目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的带电粒子积分通量;
S12:获取可监测位置当前环境状态下的实时带电粒子监测数据;
S13:计算可监测位置当前环境状态下的实时带电粒子监测数据与平静环境状态下的带电粒子积分通量的实时相对变化量;当前环境状态为扰动环境状态或平静环境状态;
S14:根据目标位置处于平静环境状态下的带电粒子积分通量和实时相对变化量,得到目标位置的实时带电粒子积分通量。
需要说明的是,获取可监测位置当前环境状态下的实时带电粒子监测数据同为带电粒子积分通量数据。
需要说明的是,当前环境状态不一定为扰动环境状态,也可能为平静环境状态,此时实时相对变化量为0,目标位置处于平静环境状态下的带电粒子积分通量即为目标位置的实时带电粒子积分通量。
需要说明的是,方法还包括:
确定目标位置的轨道高度;
若目标位置的轨道高度为中高轨道,则确定目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的电子积分通量;
若目标位置的轨道高度为低轨道,则确定目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的质子积分通量。
需要说明的是,太空中的辐射环境主要有三个来源,包括银河宇宙线、太阳质子事件和地球辐射带。
银河宇宙线是来自太阳系外的带电粒子,太阳质子事件是由太阳爆发产生的带电粒子,其主要成分均是质子。因地球受地磁场保护,这些粒子只有少数可沿磁力线沉降到极区,且仅少量能量特别高的粒子能穿透地磁场屏蔽进入地球磁层的其它区域,其它绝大部分粒子均被地磁场所屏蔽,不会对地球轨道航天器造成威胁。
地球辐射带是地磁场捕获的带电粒子,主要由质子和电子组成。地球辐射带分为内辐射带和外辐射带,内辐射带的空间范围大致为L=1.2 ~2.5,在赤道平面上大约600km~10000km,中心位置距地心约L=1.5附近,主要成分为高能质子(10MeV~100MeV);外辐射带的空间范围大致为L=3~8,在赤道平面上大约104km~6×104km,中心位置距地心L=4~5附近,主要成分为高能电子(100keV~10MeV)。内辐射带相对比较稳定,但发生太阳质子事件时,也会有部分高能粒子到达此区域;外辐射带粒子分布和通量会因各种因素(地磁场的长期变化、太阳活动、银河宇宙线、地磁场扰动等)变化而变化,造成粒子通量起伏较大。
需要说明的是,中高轨道航天器主要受电子环境影响,低轨道航天器主要受质子环境影响,本实施例中的技术方案给出任意中高轨道实时电子积分通量和任意低轨道实时质子积分通量的计算方法。
1)具体的,任意中高轨道实时电子积分通量的计算方法包括:
①确定目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的电子积分通量,包括:
确定目标位置的所处轨道;
若目标位置的所处轨道为GEO轨道,则根据GEO轨道的历史监测数据,统计得到平静环境状态下的GEO轨道的地方时分布特征,得到目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的电子积分通量;
若目标位置的所处轨道为IGSO轨道或MEO轨道,则基于预设地球辐射带静态模型得到目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的电子积分通量。
需要说明的是,因经度而不同的时刻,统称为地方时。经度上的微小差别,都造成相应的地方时之差,因此使用起来很不方便。为此国际上采取了全世界统一的时区划分和区时计时的办法:全球共划分成24个时区,各时区都以中央经线的地方时为本区的区时。地方时分布特征为时区与电子积分通量的对应关系特征,举例说明:电子积分通量在12点时分布最大,在24点时分布最小,电子积分通量随时区进行变化。基于此,本实施例中统计得到平静环境状态下的GEO轨道的地方时分布特征,从而得到目标位置处于平静环境状态下的电子积分通量,作为目标位置的标准积分通量。
在具体实践中,获取电子积分通量的预设地球辐射带静态模型可以选用AE8模型,AE8为目前常用的模拟地球辐射带电子积分通量的静态模型。
②获取可监测位置当前环境状态下的实时电子监测数据。
在具体实践中,可以获取当前环境状态下的GEO轨道实时电子监测数据和平静环境状态下的GEO轨道电子历史数据。实时电子监测数据可以为GOES(GeostationaryOperational Environmental Satellite,地球静止环境业务卫星)数据或FY-4(风云四号气象卫星)数据。
③计算可监测位置当前环境状态下的实时电子监测数据与平静环境状态下的电子积分通量的实时相对变化量;当前环境状态为扰动环境状态或平静环境状态;
在具体实践中,计算可监测位置当前环境状态下的实时电子监测数据与平静环境状态下的带电粒子积分通量的差值作为实时相对变化量。
④根据目标位置处于平静环境状态下的电子积分通量和实时相对变化量,得到目标位置的实时电子积分通量。
在具体实践中,将目标位置处于平静环境状态下的电子积分通量和实时相对变化量相加,得到目标位置的实时电子积分通量。
2)具体的,任意低轨道实时质子积分通量的计算方法包括:
①根据GEO轨道实时质子监测数据判断是否发生太阳质子事件。
需要说明的是,由于地磁场的天然屏蔽作用,使得低轨道辐射环境相对比较稳定,但是两极受突发的太阳质子事件影响相对较大,所以本实施例中在计算任意低轨道实时质子积分通量时需要考虑添加太阳质子事件数据的计算。
②确定目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的质子积分通量,包括:
基于预设地球辐射带静态模型得到目标位置的地球辐射带贡献质子积分通量;
基于太阳质子事件模型得到目标位置的太阳质子事件贡献质子积分通量;
将目标位置的地球辐射带和太阳质子事件贡献质子积分通量进行相加,得到目标位置处于平静环境状态下的质子积分通量;
对可监测位置的历史质子积分通量监测数据进行统计,得到可监测位置处于平静环境状态下的质子积分通量。
在具体实践中,获取质子积分通量的预设地球辐射带静态模型可以选用AP8模型,AP8为目前常用的模拟地球辐射带质子积分通量的静态模型。
③获取可监测位置当前环境状态下的实时质子监测数据;
在具体实践中,获取可监测位置当前环境状态下的GEO轨道实时质子监测数据。
④计算可监测位置当前环境状态下的实时质子监测数据与平静环境状态下的质子积分通量的实时相对变化量;当前环境状态为扰动环境状态或平静环境状态;
在具体实践中,计算可监测位置当前环境状态下的实时质子监测数据与平静环境状态下的质子积分通量的差值作为实时相对变化量。
⑤根据目标位置处于平静环境状态下的质子积分通量和实时相对变化量,得到目标位置的实时质子积分通量。
在具体实践中,若未发生太阳质子事件时,将目标位置处于平静环境状态下的质子积分通量作为目标位置的实时质子积分通量即可;
若发生太阳质子事件时,将目标位置处于平静环境状态下的质子积分通量与所述实时相对变化量进行相加,得到目标位置的实时质子积分通量。
实施例二
一种地球轨道航天器粒子辐射环境的计算设备,参照图2,包括:
处理器21和存储器22;
处理器21与存储器22通过通信总线相连接:
其中,处理器21,用于调用并执行存储器22中存储的程序;
存储器22,用于存储程序,程序至少用于执行如以上实施例中的一种地球轨道航天器粒子辐射环境的计算方法。
可以理解的是,上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考,在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是,在本申请的描述中,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外,在本申请的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为,表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分,并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现,其中可以不按所示出或讨论的顺序,包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序,来执行功能,这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解,本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中,多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如,如果用硬件来实现,和在另一实施方式中一样,可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现:具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路,具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路,可编程门阵列(PGA),现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成,所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中,该程序在执行时,包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外,在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器,磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本申请的限制,本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种地球轨道航天器粒子辐射环境的计算方法,其特征在于,包括:
确定目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的带电粒子积分通量;
获取可监测位置当前环境状态下的实时带电粒子监测数据;
计算可监测位置当前环境状态下的实时带电粒子监测数据与平静环境状态下的带电粒子积分通量的实时相对变化量;所述当前环境状态为扰动环境状态或平静环境状态;
根据目标位置处于平静环境状态下的带电粒子积分通量和所述实时相对变化量,得到目标位置的实时带电粒子积分通量。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
确定所述目标位置的轨道高度;
若所述目标位置的轨道高度为中高轨道,则确定目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的电子积分通量;
若所述目标位置的轨道高度为低轨道,则确定目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的质子积分通量。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述确定目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的电子积分通量,包括:
确定所述目标位置的所处轨道;
若所述目标位置的所处轨道为GEO轨道,则根据GEO轨道的历史监测数据,统计得到平静环境状态下的GEO轨道的地方时分布特征,得到目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的电子积分通量;
若所述目标位置的所处轨道为IGSO轨道或MEO轨道,则基于预设地球辐射带静态模型得到目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的电子积分通量。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,若所述目标位置的轨道高度为中高轨道,所述根据目标位置处于平静环境状态下的带电粒子积分通量和所述实时相对变化量,得到目标位置的实时带电粒子积分通量,包括:
将目标位置处于平静环境状态下的电子积分通量和所述实时相对变化量相加,得到目标位置的实时电子积分通量。
5.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,若所述目标位置的轨道高度为低轨道,所述方法还包括:
根据GEO轨道实时质子监测数据判断是否发生太阳质子事件。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述确定目标位置和可监测位置处于平静环境状态下的质子积分通量,包括:
基于预设地球辐射带静态模型得到目标位置的地球辐射带贡献质子积分通量;
基于太阳质子事件模型得到目标位置的太阳质子事件贡献质子积分通量;
将目标位置的地球辐射带和太阳质子事件贡献质子积分通量进行相加,得到目标位置处于平静环境状态下的质子积分通量;
对可监测位置的历史质子积分通量监测数据进行统计,得到可监测位置处于平静环境状态下的质子积分通量。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,根据目标位置处于平静环境状态下的质子积分通量和所述实时相对变化量,得到目标位置的实时质子积分通量,包括:
若未发生太阳质子事件时,将目标位置处于平静环境状态下的质子积分通量作为目标位置的实时质子积分通量;
若发生太阳质子事件时,将目标位置处于平静环境状态下的质子积分通量与所述实时相对变化量进行相加,得到目标位置的实时质子积分通量。
8.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,若所述目标位置的轨道高度为中高轨道,所述获取可监测位置当前环境状态下的实时带电粒子监测数据,包括:
获取可监测位置当前环境状态下的GEO轨道实时电子监测数据;
若所述目标位置的轨道高度为低轨道,获取可监测位置当前环境状态下的实时GEO轨道质子监测数据。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,计算可监测位置当前环境状态下的实时带电粒子监测数据与平静环境状态下的带电粒子积分通量的实时相对变化量,包括:
计算可监测位置当前环境状态下的实时带电粒子监测数据与平静环境状态下的带电粒子积分通量的差值作为所述实时相对变化量。
10.一种地球轨道航天器粒子辐射环境的计算设备,其特征在于,包括:
处理器和存储器;
所述处理器与存储器通过通信总线相连接:
其中,所述处理器,用于调用并执行所述存储器中存储的程序;
所述存储器,用于存储程序,所述程序至少用于执行权利要求1-9任一项所述的一种地球轨道航天器粒子辐射环境的计算方法。
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CN202310193305.8A CN115856986B (zh) | 2023-03-03 | 2023-03-03 | 一种地球轨道航天器粒子辐射环境的计算方法及设备 |
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Title |
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孙晓婧等: "地磁场结构对静止轨道≥2MeV高能电子分布的影响" * |
朱小露;薛炳森;程国生;苍中亚;: "宇宙线变化特征在强地磁暴预报中的应用" * |
王春琴;张鑫;张立国;张如意;金历群;孙越强;荆涛;张毅;张焕新;沈国红;张效信;李嘉巍;杨晓超;常峥;: "地球同步轨道系列卫星自主空间辐射环境监测及应用" * |
陈俊杰: "中低纬电离层电场时空变化特征的模拟研究" * |
陈善强: "Geant4在空间辐射效应分析中的应用研究" * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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CN115856986B (zh) | 2023-04-25 |
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