風(fēng)云三號(hào)E星空間環(huán)境載荷綜合探測技術(shù)

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(qiáng) 楊勇 張煥新 鄒鴻 王勁東 孫瑩 白超平 田崢

北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(xué)基金(41931073)和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2021YFA0718600)資助

2023–01–29;

2023–02–28

風(fēng)云三號(hào)E星空間環(huán)境載荷綜合探測技術(shù)

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(qiáng)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(xué)院國家空間科學(xué)中心, 北京 100190; 2.北京市空間環(huán)境探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190; 3.中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心北京市空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081; 4.許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心, 北京 100081; 5.上海衛(wèi)星工程研究所, 上海 201109; 6.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院, 北京 00871; ? E-mail: shgh@nssc.ac.cn

針對中國風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星運(yùn)行的低地球太陽同步軌道, 開展空間環(huán)境及粒子輻射效應(yīng)監(jiān)測, 提出基于空間環(huán)境監(jiān)測器Ⅱ型載荷的綜合探測技術(shù)。在各載荷技術(shù)指標(biāo)的地面研制過程中, 通過標(biāo)準(zhǔn)放射源、等效信號(hào)源、粒子加速器和標(biāo)準(zhǔn)磁場等不同方式進(jìn)行標(biāo)定和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明, 多方向全能譜粒子探測的能量范圍為 30keV～300MeV, 精度優(yōu)于 10%; 磁場強(qiáng)度測量范圍為?65023～+65023nT, 精度優(yōu)于 0.73nT; 電位探測范圍為?32.4～+23.7kV, 靈敏度優(yōu)于 10V; 輻射劑量探測范圍為 0～3×104rad(Si), 靈敏度優(yōu)于 8.3rad(Si)。通過空間環(huán)境監(jiān)測器Ⅱ型載荷對衛(wèi)星運(yùn)行軌道上的粒子輻射環(huán)境、原位磁場矢量變化、輻射劑量累積以及衛(wèi)星表面電位變化等進(jìn)行觀測, 可以為航天活動(dòng)、衛(wèi)星設(shè)計(jì)、空間科學(xué)研究及空間天氣預(yù)警預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

空間環(huán)境; 粒子探測; 電位探測; 輻射劑量; 磁場探測

風(fēng)云三號(hào)(FY-3)氣象衛(wèi)星是實(shí)現(xiàn)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(wèi)星系列, 包括 01 批、02 批、03 批和已規(guī)劃的04 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)批共 4 個(gè)批次。其中, 03 批將瞄準(zhǔn)氣象衛(wèi)星國際發(fā)展的先進(jìn)水平, 實(shí)現(xiàn)我國第二代極軌氣象衛(wèi)星的多星組網(wǎng)業(yè)務(wù)化, 帶動(dòng)我國氣象衛(wèi)星應(yīng)用進(jìn)入成熟發(fā)展階段[1–4]。

空間環(huán)境監(jiān)測器Ⅱ型(SEM-Ⅱ)載荷是 FY-3E 星(03 批第一顆衛(wèi)星)搭載的遙感儀器之一, 由高能粒子探測器、中能質(zhì)子探測器、中能電子探測器、輻射劑量儀、磁強(qiáng)計(jì)和電位探測器 6 種空間環(huán)境探測載荷組成。FY-3E 星于 2021 年 7 月 5 日成功發(fā)射上天, SEM-Ⅱ主要用于對衛(wèi)星運(yùn)行軌道上的粒子輻射環(huán)境、輻射劑量累積、原位磁場矢量變化以及衛(wèi)星表面電位變化等開展綜合探測, 為航天器在軌運(yùn)行提供安全保障, 對無線通信、導(dǎo)航定位[5–8]、中高緯地區(qū)飛機(jī)和地面電網(wǎng)等系統(tǒng)的正常運(yùn)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(xué)數(shù)據(jù)。

1 應(yīng)用目標(biāo)

空間環(huán)境指距地面幾十公里直到太陽的廣闊空間的物理狀態(tài)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(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星的運(yùn)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(fā)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(qū)域稱為輻射帶, 包括外輻射帶和內(nèi)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(xiàn)在約 4Re 處。內(nèi)輻射帶主要是高能質(zhì)子, 其在赤道面的高度范圍為 1.1～3.3Re。由于地球自轉(zhuǎn)軸與地磁軸之間存在偏角, 使得內(nèi)輻射帶在南大西洋區(qū)的高度降低到 200km 左右, 即南大西洋異常區(qū)(south atlantic anomaly, SAA)。風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星在經(jīng)過南大西洋異常區(qū)時(shí)受到輻射帶質(zhì)子和電子的輻射[15–16]。

銀河宇宙線指產(chǎn)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(zhì)子(約 87%)和粒子(約 12%)粒子為主, 重核數(shù)只占約 1%。銀河宇宙線的能量范圍非常寬, 低至幾十 MeV, 高達(dá) 1014MeV[17]。

太陽劇烈活動(dòng)時(shí), 出現(xiàn)耀斑爆發(fā)或日冕物質(zhì)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(zhì)子和重離子。太陽高能粒子事件的發(fā)生具有隨機(jī)性, 太陽活動(dòng)高年的發(fā)生頻次高, 太陽活動(dòng)低年的發(fā)生頻次低, 發(fā)射粒子的成分、強(qiáng)度和能譜等與太陽活動(dòng)區(qū)的位置、磁場結(jié)構(gòu)以及大氣成分等有關(guān), 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(yuǎn)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(dāng)帶電粒子進(jìn)入地球磁場的作用范圍之后, 受地球磁場的影響發(fā)生強(qiáng)烈偏轉(zhuǎn), 呈現(xiàn)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(yīng)[22]。此外, 地球磁場也影響粒子的空間分布, 空間各點(diǎn)的磁場強(qiáng)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(jìn)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(huán)境對航天器的安全運(yùn)行產(chǎn)生各種損害, 導(dǎo)致艙內(nèi)外設(shè)備異常, 甚至整個(gè)航天器失效, 也會(huì)危害航天員的生命健康以及各類出艙活動(dòng), 并且對空間天氣和空間科學(xué)研究等產(chǎn)生重大影 響[23–24]。航天器在軌運(yùn)行時(shí), 遭受的典型粒子輻射效應(yīng)有單粒子、輻射劑量以及航天器表面或內(nèi)部的充放電等多種效應(yīng)。單粒子效應(yīng)主要由高能質(zhì)子和重離子造成, 航天器在軌運(yùn)行時(shí), 它們會(huì)改變航天器上各類電子設(shè)備的微電子器件狀態(tài), 導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生異?；蚬收? 造成單粒子事件。輻射劑量效應(yīng)主要由高能質(zhì)子、電子和重離子造成, 它們既能產(chǎn)生電離作用, 又能產(chǎn)生位移作用[25]。當(dāng)航天器材料或器件接受的輻射劑量達(dá)到一定的量值時(shí), 就會(huì)造成航天器材料變性及元器件失效。航天器表面或內(nèi)部的充放電效應(yīng)主要由高能電子引起, 電子與航天器相互作用會(huì)引起航天器充電, 當(dāng)航天器充電到一定程度時(shí), 所產(chǎn)生的電磁輻射會(huì)干擾航天器上各種電器設(shè)備的正常工作, 甚至使航天器失效[26]。

本文針對風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星運(yùn)行軌道空間環(huán)境的上述特點(diǎn), 提出 FY-3E 星空間環(huán)境監(jiān)測器Ⅱ型載荷的主要應(yīng)用目標(biāo)是開展衛(wèi)星運(yùn)行軌道空間環(huán)境及粒子輻射效應(yīng)監(jiān)測, 提高空間天氣監(jiān)測預(yù)警業(yè)務(wù)能力, 滿足空間天氣預(yù)報(bào)和保障服務(wù)的需求。具體內(nèi)容 如下。

1)形成我國第二代極軌氣象衛(wèi)星空間環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)。風(fēng)云三號(hào)(03 批)衛(wèi)星將實(shí)現(xiàn)我國第二代極軌氣象衛(wèi)星的多星組網(wǎng)業(yè)務(wù)化, 空間環(huán)境監(jiān)測器是我國低軌空間環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)的重要組成部分。

2)開展空間環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測, 服務(wù)于空間天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù), 為空間天氣預(yù)報(bào)提供重要的空間環(huán)境數(shù)據(jù), 在政府決策、防災(zāi)減災(zāi)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及國家安全和國防建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

3)服務(wù)于工程應(yīng)用。一是支持航天器的工程設(shè)計(jì), 利用空間環(huán)境載荷探測數(shù)據(jù), 為航天器工程防護(hù)設(shè)計(jì)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(huán)境發(fā)生明顯變化時(shí), 需調(diào)整飛控計(jì)劃, 增加衛(wèi)星跟蹤弧段, 并準(zhǔn)備異常事件處理預(yù)案; 三是支持航天器異常情況分析, 為衛(wèi)星的在軌異常情況提供空間環(huán)境效應(yīng)分析服務(wù), 支持衛(wèi)星異常情況的原因定位。

4)應(yīng)用于科學(xué)研究。風(fēng)云三號(hào)(03 批)衛(wèi)星上的空間環(huán)境監(jiān)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(xì), 基于長期觀測和豐富的科學(xué)數(shù)據(jù), 有望在地球輻射帶的長期演化、波粒相互作用以及磁層動(dòng)力學(xué)耦合機(jī)制等的研究上獲得突破。同時(shí), 這些數(shù)據(jù)是我國自主研發(fā)的輻射帶模型所必須的數(shù)據(jù), 可以完善我國的 LEO 軌道粒子輻射模型。

2 技術(shù)指標(biāo)

FY-3E 星搭載的空間環(huán)境監(jiān)測器Ⅱ型原位探測載荷用于探測衛(wèi)星運(yùn)行軌道上粒子輻射環(huán)境、磁場矢量變化、儀器的輻射劑量累積以及衛(wèi)星表面電位變化情況, 為航天活動(dòng)、衛(wèi)星設(shè)計(jì)、空間科學(xué)研究及空間天氣預(yù)警預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供必要的數(shù)據(jù)支撐, 其主要技術(shù)指標(biāo)見表 1～6。

表1 粒子探測器指標(biāo)

表2 輻射劑量指標(biāo)

表3 電位探測指標(biāo)

表4 磁場探測指標(biāo)

表5 采樣率要求

表6 靈敏度要求

3 載荷技術(shù)

如圖 1 所示, FY-3E衛(wèi)星空間環(huán)境綜合探測載荷包括 6 種探測載荷以及一臺(tái)共用的環(huán)境遠(yuǎn)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(zhì)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(qiáng)計(jì)。高能粒子探測器包括 3 個(gè)獨(dú)立的高能電子質(zhì)子探頭和一個(gè)共用的電子學(xué)箱; 中能質(zhì)子探測器包括兩個(gè)探頭, 其中一個(gè)探頭是與電子學(xué)箱一體化設(shè)計(jì); 中能電子探測器包括兩個(gè)探頭, 其中一個(gè)探頭是與電子學(xué)箱一體化設(shè)計(jì); 電位探測器包括 4 個(gè)電位探頭和一個(gè)電子學(xué)箱, 其中兩個(gè)絕對電位探頭是與電子學(xué)箱一體化設(shè)計(jì); 磁強(qiáng)計(jì)包括 6 個(gè)探頭和一個(gè)電子學(xué)箱; 輻射劑量儀包括 3 個(gè)探頭和一個(gè)電子學(xué)箱。上述各探測器的測量數(shù)據(jù)由各自的電子學(xué)箱進(jìn)行采集和處理, 并與 RTU 連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞, 最后由 RTU 通過衛(wèi)星總線, 統(tǒng)一將所有數(shù)據(jù)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(huán)境警報(bào)和預(yù)報(bào)的重要內(nèi)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(zhì)子的能譜、方向以及強(qiáng)度等時(shí)空分布特征進(jìn)行實(shí)時(shí) 監(jiān)測。

高能粒子探測器由高能質(zhì)子探測和高能電子探測兩部分組成, 能夠?qū)崿F(xiàn) 3 個(gè)正交方向粒子種類(電子或質(zhì)子)、能量(電子: 0.15～5.7MeV; 質(zhì)子: 3～300MeV)和通量的探測。

如圖 2 所示, FY-3E 衛(wèi)星高能粒子探測器包括 3個(gè)方向的高能粒子探頭和一個(gè)共用的電子學(xué)箱, 每個(gè)高能粒子探頭均包含高能質(zhì)子探頭和高能電子探頭兩種組件。3 個(gè)探頭分別安裝在 FY-3E 衛(wèi)星 3 個(gè)相互垂直的面上, 探測視場的指向分別為朝天向(?)、衛(wèi)星后退向(?)和垂直軌道的背陽面(+), 從而實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星 3 個(gè)正交方向(,和)上高能粒子的測量。各探頭通過衛(wèi)星內(nèi)部穿艙電纜與電子學(xué)箱連接, 統(tǒng)一由電子學(xué)箱內(nèi)數(shù)據(jù)處理單元對各探頭的輸出信號(hào)進(jìn)行采集及處理。

如圖 3 所示, 高能電子探測和質(zhì)子探測均用多片硅半導(dǎo)體探測器組成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng), 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(dǎo)體探測器內(nèi)沉積能量產(chǎn)生的脈沖信號(hào)幅度, 即可判斷高能粒子的種類及能量, 同時(shí)配合符合與反符合方法, 實(shí)現(xiàn)高能質(zhì)子寬能譜的探測[27]。

半導(dǎo)體探測器測量系統(tǒng)是整個(gè)儀器測量的關(guān)鍵部分, 采用多片半導(dǎo)體硅疊加組成望遠(yuǎn)鏡的形式對高能粒子的能譜進(jìn)行測量。通過分析測量系統(tǒng)中每片傳感器的信號(hào)幅度, 結(jié)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(huán)境監(jiān)測器Ⅱ型系統(tǒng)配置

左: 電子學(xué)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(yuǎn)鏡系統(tǒng)示意圖

圖4 高能粒子探頭結(jié)構(gòu)示意圖

左: 中能質(zhì)子探測器1; 右: 中能質(zhì)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(zhǔn)直結(jié)構(gòu)[29], 以便限制儀器的探測視場, 同時(shí)利用準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)的屏蔽作用降低了斜入射粒子(高能質(zhì)子和電子)的干擾比率。結(jié)合準(zhǔn)直儀限定的視場以及儀器的實(shí)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(shù)據(jù)處理的依據(jù)。準(zhǔn)直器系統(tǒng)的作用有兩個(gè)方面, 一是通過準(zhǔn)直系統(tǒng)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(cè)面斜入射的粒子對傳感器的干擾。除此之外, 在高能質(zhì)子探頭準(zhǔn)直器系統(tǒng)內(nèi)還包含偏轉(zhuǎn)磁鐵[31], 用于偏轉(zhuǎn)入射到準(zhǔn)直儀內(nèi)的電子。

3.2 中能質(zhì)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(huán)境擾動(dòng)引起的粒子沉降。中能質(zhì)子探測器技術(shù)上采用類似 Polar 衛(wèi)星上 IPS“小孔成像”的探測方案, 設(shè)計(jì)兩個(gè)正交的探測視場為 180°的探頭單機(jī), 可以實(shí)現(xiàn) 3 個(gè)正交方向中能質(zhì)子能量(30keV～ 5MeV)和通量的探測。

如圖 5 所示, 中能質(zhì)子探測器由兩個(gè)按照正交方向安裝的探頭單機(jī)組成。中能質(zhì)子探測器 2 中, 將探頭與電子學(xué)箱進(jìn)行一體化設(shè)計(jì); 中能質(zhì)子探測器 1 中, 通過穿艙電纜連接到中能質(zhì)子探測器 2, 由電子學(xué)箱對其輸出信號(hào)進(jìn)行采集處理。

如圖 6 所示, 兩臺(tái)中能質(zhì)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(gè)單元都包含 3 組半導(dǎo)體傳感器, 共用一個(gè)入射窗口, 實(shí)現(xiàn) 3 個(gè)方向的測量。每組傳感器形成的張角為20°, 因此每個(gè)“小孔成像”單元的探測張角為 60°, 3個(gè)探頭形成 0～180°的全投擲角測量。

中能質(zhì)子探測器采用硅半導(dǎo)體傳感器組, 對不同投擲角的中能質(zhì)子進(jìn)行測量, 并增設(shè)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(zhuǎn)、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(zhì)子。

3.3 中能電子探測

中能電子探測器采用類似 Polar 和 Cluster 衛(wèi)星的“針孔”技術(shù)結(jié)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(shè)計(jì)兩個(gè)正交的探測視場為 180°的探頭單機(jī), 可實(shí)現(xiàn) 3 個(gè)正交方向中能電子能量(30～600keV)和通量的探測。

每臺(tái)中能電子探測器由 3 個(gè)相同的傳感器單元組成, 每個(gè)單元包括一個(gè)“針孔”系統(tǒng)和一個(gè)三像素線陣列位置靈敏探測器。針孔和每個(gè)線陣列探測器可探測來自 20°張角的入射粒子, 因此每個(gè)探頭單元可以覆蓋 60°張角范圍, 3 個(gè)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(gè)方向, 每個(gè)線陣列單元硅半導(dǎo)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(shù)分布的 8 個(gè)能道(energy channel), 實(shí)現(xiàn)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(jī)加低噪聲位置靈敏探測器, 實(shí)現(xiàn)對中能電子的多方向能譜測量, 其結(jié)構(gòu)如圖 8 所示。從圖 8(a)可以看到, 每個(gè)探頭單元有一個(gè)等效屏蔽殼, 在一個(gè)側(cè)面開一個(gè)“針孔”。屏蔽殼內(nèi)部放置一個(gè)三單元硅半導(dǎo)體探測器線陣列。每個(gè)探測器單元與“針孔”構(gòu)成一個(gè) 20°張角, 因此每個(gè)探測器單元可以覆蓋 60°張角范圍, 3 個(gè)探測器單元可以實(shí)現(xiàn) 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(huán)境對衛(wèi)星及其設(shè)備產(chǎn)生輻照效應(yīng)。FY-3E 衛(wèi)星配置 3 臺(tái)輻射劑量儀, 可同時(shí)監(jiān)測衛(wèi)星星體內(nèi)多點(diǎn)輻射劑量的實(shí)時(shí)變化, 有助于探究衛(wèi)星內(nèi)部輻射劑量的分布, 為衛(wèi)星平臺(tái)及星載設(shè)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(wèi)星的 3 個(gè)相互垂直面上, 從而實(shí)現(xiàn) 3 個(gè)正交方向輻射總劑量(0～3×104rad (Si))的測量。3 個(gè)劑量探頭通過衛(wèi)星內(nèi)部穿艙電纜與電子學(xué)箱連接, 由電子學(xué)箱對它們輸出的信號(hào)進(jìn)行處理。圖 9 為 FY-3E 衛(wèi)星輻射劑量儀照片。

輻射劑量儀的探測方案采用 RADFET 技術(shù), 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(jié)構(gòu)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(qū)域。SiO2的一個(gè)重要特性是內(nèi)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(chǎn)生電子–空穴對, 部分空穴被 SiO2內(nèi)空穴“陷阱”俘獲, 導(dǎo)致PMOS 傳感器的電性能發(fā)生變化, 電性能變化的幅度與輻照劑量有關(guān)。

3.5 電位探測

空間的等離子體環(huán)境導(dǎo)致衛(wèi)星整體帶電。衛(wèi)星一般采取等電位設(shè)計(jì), 在空間環(huán)境擾動(dòng)的時(shí)候, 由于材料不同和方向差異, 衛(wèi)星表面局部會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的電位差異。充電電位監(jiān)測有助于研究衛(wèi)星表面和星體內(nèi)部的充電, 為衛(wèi)星異常診斷提供數(shù)據(jù), 為后續(xù)工程中的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供建議, 為地面試驗(yàn)研究提供依據(jù)。

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(gè)表面電位傳感器和一臺(tái)絕對電位探測器組成。兩個(gè)表面電位傳感器完全相同, 安裝在衛(wèi)星表面不同位置, 可用于測量向陽面和背陽面的衛(wèi)星表面差異電位(?3000～300V)。為絕對電位探測器設(shè)計(jì)離子和電子兩種傳感器, 分別用于測量衛(wèi)星表面負(fù)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(nèi)的電子學(xué)箱, 通過穿艙電纜連接傳遞信號(hào)。

表面電位探測技術(shù)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(tǒng)及儀器結(jié)構(gòu)件組成, 探頭外層由石英玻璃片構(gòu)成, 內(nèi)層為圓形鍍金片, 連接芯線引出。玻璃片的外層和內(nèi)層可等效成一個(gè)電容 Cs, 其值由材料特性決定。石英玻璃與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地之間連接一分壓電容C1, 當(dāng)石英玻璃(模擬衛(wèi)星蒙皮表面)充電時(shí), 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(wèi)星表面差異電位。

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

圖9 輻射劑量儀照片

圖10 PMOS傳感器的基本結(jié)構(gòu)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(wèi)星的表面電位。受空間等離子體和太陽光照影響, 衛(wèi)星表面通常帶電。充電后的衛(wèi)星表面與空間等離子體(可以認(rèn)為是絕對零電位)之間有電勢差。若衛(wèi)星平臺(tái)表面帶正電, 將對離子減速, 對電子加速; 若衛(wèi)星平臺(tái)表面帶負(fù)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(shù)[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(wèi)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(xué)線路。

3.6 磁場探測

磁場環(huán)境是影響空間帶電粒子分布和擾動(dòng)的主要根源之一, 磁場數(shù)據(jù)(磁場探測范圍、采樣率等)是分析空間環(huán)境(特別是帶電粒子)以及空間環(huán)境警報(bào)和預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 研究粒子的運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散需要磁場監(jiān)測的配合。

如圖 14 所示, FY-3E 星磁強(qiáng)計(jì)由兩個(gè)磁通門探頭、4 個(gè)巨磁阻探頭以及磁場電控箱組成。根據(jù)風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星的軌道高度和應(yīng)用要求, 磁強(qiáng)計(jì)的測量范圍設(shè)計(jì)為±65000nT, 在軌測量精度為 1nT。探測器安裝在衛(wèi)星艙外, 電控箱安裝于載荷艙內(nèi)。磁通門探頭測量空間環(huán)境磁場矢量信息, 巨磁阻探頭基于多點(diǎn)測量數(shù)據(jù)反演方法, 對空間不同位置的磁場進(jìn)行探測, 區(qū)分空間磁場和衛(wèi)星平臺(tái)引起的磁場擾動(dòng)。

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(gè)正交分布的磁通門傳感器, 分別探測空間磁場 3 個(gè)對應(yīng)分量上的磁場強(qiáng)度和方向。每個(gè)磁通門傳感器內(nèi)部由 3 個(gè)線圈構(gòu)成線圈系統(tǒng): 激勵(lì)線圈內(nèi)部為高導(dǎo)磁率材料制成的磁芯, 交變激勵(lì)電源作用在激勵(lì)線圈內(nèi)部產(chǎn)生交流磁場, 使內(nèi)部磁芯反復(fù)飽和, 起到調(diào)制外部磁場信息的作用; 信號(hào)線圈是一個(gè)螺線管, 其作用是感應(yīng)能夠反映螺線管軸線方向磁場強(qiáng)度的電信號(hào); 反饋線圈的作用是產(chǎn)生反饋場, 使探測器內(nèi)部保持穩(wěn)定的零磁場環(huán)境。為了避免傳感器之間的相互串?dāng)_, 3 個(gè)傳感器采用相互正交垂直的方式排布在探測器內(nèi), 分別測量空間環(huán)境磁場 3 個(gè)正交方向分量的強(qiáng)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(xué)效應(yīng), 巨磁阻探頭的傳感器是基于巨磁阻效應(yīng)。對于鐵、鈷、鎳及其合金等強(qiáng)磁性金屬, 當(dāng)外加磁場平行于磁體內(nèi)部磁化方向時(shí), 電阻幾乎不隨外加磁場變化; 當(dāng)外加磁場偏離金屬的內(nèi)磁化方向時(shí), 此類金屬的電阻將減小, 這就是強(qiáng)磁金屬的各向異性巨磁阻效應(yīng)。巨磁阻傳感器主要由鐵磁材料(如鎳鐵導(dǎo)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(yīng)外界磁場[39]。

圖15 環(huán)境遠(yuǎn)置單元(RTU)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及信息流示意圖

3.7 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

除上述 6 種探測器外, FY-3E星空間環(huán)境監(jiān)測器Ⅱ型還設(shè)置一臺(tái)共用的環(huán)境遠(yuǎn)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(shù)據(jù)和控制中樞, 采用主、備雙機(jī)冗余備份設(shè)計(jì), 同時(shí)由衛(wèi)星平臺(tái)配電控制, 實(shí)現(xiàn) RTU 系統(tǒng)冷備份, 以便提高分系統(tǒng)的可靠性。RTU 的主要功能如下: 1)與衛(wèi)星平臺(tái)的 1553B 總線通信接口, 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)校時(shí)、指令執(zhí)行和轉(zhuǎn)發(fā)以及遙測參數(shù)下行等; 2)各探測載荷配電控制接口, 實(shí)現(xiàn)各單機(jī)一次電源配電控制; 3)與各載荷單機(jī)溫度、電源檢測、電位信號(hào)和劑量遙測模擬量接口, 實(shí)現(xiàn)各單機(jī)模擬量的輸出采集; 4)與各載荷單機(jī)異步 422 接口, 各載荷單機(jī)發(fā)送廣播時(shí)間碼, 轉(zhuǎn)發(fā)內(nèi)部指令及數(shù)據(jù)注入指令, 接收各載荷科學(xué)數(shù)據(jù)包; 5)與衛(wèi)星平臺(tái)的同步 422 接口, 實(shí)現(xiàn)對各單機(jī)科學(xué)數(shù)據(jù)的打包轉(zhuǎn)發(fā)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

FY-3E 星空間環(huán)境監(jiān)測器Ⅱ型正樣產(chǎn)品研制完成后, 為精確地給出各載荷實(shí)際實(shí)現(xiàn)的探測指標(biāo)并進(jìn)行驗(yàn)證, 對各載荷的任務(wù)指標(biāo)開展地面標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。中、高能粒子探測載荷標(biāo)定測試項(xiàng)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(biāo)定項(xiàng)目有量程范圍、靈敏度和定標(biāo)精度等, 磁強(qiáng)計(jì)開展了磁場量程范圍、靈敏度和定標(biāo)精度等實(shí)驗(yàn)。

由于不同載荷測量的物理量不同, 因此采用不同的標(biāo)定方式。對粒子探測器定標(biāo)時(shí), 在地面加速器束流條件不滿足的情況下, 采用標(biāo)準(zhǔn)放射源、等效信號(hào)源定標(biāo)以及與仿真分析相結(jié)合等方式。表 7列出各載荷采用的主要標(biāo)定方式和實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 具體方法、流程及相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等可查閱文獻(xiàn)[40–42], 本文不詳述。

表7 FY-3E星空間環(huán)境探測載荷標(biāo)定方式及結(jié)果

地面標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 空間環(huán)境監(jiān)測器Ⅱ型各載荷滿足任務(wù)指標(biāo)要求。其中, 輻射劑量探測易受溫度影響[43], 利用地面標(biāo)定結(jié)果對在軌探測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理時(shí), 需要進(jìn)行溫度修正, 方法是通過在軌實(shí)測的 RADFET 傳感器閾值電壓數(shù)據(jù)和環(huán)境溫度數(shù)據(jù), 得到該傳感器的閾值電壓與溫度變化之間的關(guān)系曲線, 從而去除 RADFET 溫度效應(yīng)給空間輻射劑量探測帶來的影響, 計(jì)算出各時(shí)刻 RADFET傳感器僅受空間輻射影響產(chǎn)生的閾值電壓, 并最終由定標(biāo)曲線得到空間輻射的累積劑量。

5 結(jié)論

本研究針對我國第二代極軌氣象衛(wèi)星系列中風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星在軌運(yùn)行遭遇的空間環(huán)境, 提出空間環(huán)境載荷綜合探測技術(shù), 并在 E 星上安裝空間環(huán)境監(jiān)測器Ⅱ型載荷, 開展粒子輻射環(huán)境、原位磁場矢量變化、輻射劑量累積及衛(wèi)星表面電位等綜合測量, 首次在國內(nèi)極軌氣象衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)多方向全能譜(30eV～300MeV)的粒子探測, 并首次在國內(nèi)低軌衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)無伸桿磁場矢量探測。在地面研制過程中, 載荷的性能指標(biāo)經(jīng)過各種標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的考核驗(yàn)證, 發(fā)射上天后也獲取了大量空間環(huán)境探測數(shù)據(jù), 并應(yīng)用于衛(wèi)星的業(yè)務(wù)運(yùn)行和在軌管理分析, 有效地推進(jìn)了我國空間環(huán)境及空間天氣研究的發(fā)展。

[1] 咸迪. 風(fēng)云三號(hào)E星——黎明星. 衛(wèi)星應(yīng)用, 2022(1): 70

[2] 何錫玉, 蔡夕方, 朱亞平, 等. 我國風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星及應(yīng)用進(jìn)展. 氣象科技進(jìn)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(xué)學(xué)報(bào), 2022, 42(4): 724–732

[4] 高浩, 唐世浩, 韓秀珍. 風(fēng)云氣象衛(wèi)星發(fā)展及其應(yīng)用. 科技導(dǎo)報(bào), 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(wèi)星自主空間輻射環(huán)境監(jiān)測及應(yīng)用. 上海航天, 2017, 34(4): 85–95

[13] 葉宗海, 都亨. 中國的空間環(huán)境研究, 地球物理學(xué)報(bào), 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(nèi)輻射帶高能質(zhì)子空間分布位形的研究. 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 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(qiáng)度的相關(guān)特性分析. 中國科學(xué): 地球科學(xué), 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(zhì)子事件與太陽耀斑的關(guān)系. 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 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(zhì)子事件期間內(nèi)輻射帶質(zhì)子通量的變化. 地球物理學(xué)報(bào), 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(wèi)星軌道輻射帶粒子環(huán)境的變化. 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 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(xué)報(bào), 2007, 28(5): 1071–1080

[24] 薛玉雄, 楊生勝, 把得東, 等. 空間輻射環(huán)境誘發(fā)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(xué)報(bào), 2008, 29(1): 357–361

[26] 王碧云. 近地軌道大型航天器的環(huán)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(shù). 北京: 科學(xué)出版社, 1986

[28] 焦維新. 空間探測. 北京: 北京大學(xué)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(zhǔn)直儀的設(shè)計(jì)研究. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 40(10): 965–970

[30] 張珅毅, 張賢國, 王春琴, 等. 風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星空間高能質(zhì)子探測器的幾何因子計(jì)算. 中國科學(xué): 地球科學(xué), 2014, 44(11): 2479–2486

[31] 張珅毅, 王世金. 星載粒子探測器中的偏轉(zhuǎn)磁鐵設(shè)計(jì)研究. 地球物理學(xué)報(bào), 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(shù)的中能電子成像譜儀及其空間觀測結(jié)果. 航天器環(huán)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(shè)計(jì). 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2021, 41(5): 793–799

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

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

[38] 李磊, 王勁東, 周斌, 等. 磁通門磁強(qiáng)計(jì)在深空探測中的應(yīng)用深空探測學(xué)報(bào), 2017, 4(6): 529–534

[39] 于向前, 李嘉巍, 肖池階, 等. 用于空間科學(xué)研究的基于磁阻傳感器的矢量磁強(qiáng)計(jì). 北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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