【航天驭星】驭星观察|国内外卫星空间天气保障能力对比及启示
  

 

 

卫星在运行过程中受到多种灾害性空间天气事件的影响,中国目前在轨卫星数量超过两百颗,其正常运行都有赖于对空间天气的不断认知与研究,如何监测和预防灾害天气,保障卫星安全,正在成为越来越受关注的问题。国外的保障能力怎么样呢?我国又处在什么水平?我们一起去看看。

 

 

一、   空间天气对商业卫星的影响

 

一般将状态剧烈变化的空间天气称之为灾害性空间天气,对卫星而言,灾害性空间天气造成的典型危害主要包括电离总剂量效应、位移效应、单粒子效应、表面充放电效应、内带电效应、大气阻力以及电离层扰动等。对卫星来说,空间天气事件引起的电离层扰动可对导航定位、无线电通信产生严重影响。太阳爆发伴随的增强电磁辐射可以引起电离层突然扰动,导致短波吸收,卫星通讯中断等现象;强烈的太阳耀斑会对高频通信产生显著影响;高能带电粒子可以攻击卫星,影响高纬电离层环境,引起极盖吸收现象,严重干扰跨极区航线上的通信和导航。

由于高技术的广泛使用以及人们对其依赖程度的不断提高,空间天气灾害已成为一种非传统的自然灾害,对经济社会和国防安全的危害越来越显著。美国空间政策认为,所有基于大气环境和空间环境的产品与服务统称为天气保障,天气保障的范围从地面一直延伸到太阳。近年来,我国气象部门也开始了空间天气保障业务的拓展。

 

二、   国内外空间天气保障能力

 

空间天气保障能力主要包括空间天气监测能力、空间天气变化规律认知能力、空间天气预报能力、产品服务能力等几个方面。完整的空间天气保障体系,可提供实时、精确与可靠的空间天气监测和预报。空间天气变化规律认知能力主要涉及相关科学研究,本文暂不做详细描述。在空间天气观测和研究的基础上,从国家层面加强宏观调控,合理利用相关资源,建立高效协调的空间天气保障能力,减轻或避免空间天气灾害问题,是航天强国建设中的重要内容。

(一)国外空间天气保障能力

1.监测能力

在天基监测方面,美国优势明显,已经建立了覆盖太阳、行星际空间、磁层以及电离层的空间环境天基监测网,具有环境探测功能覆盖低、中、高轨以及日地引力平衡L1点,可探测目前空间环境研究关注的所有要素。在地基监测方面,国际上综合能力较强的地基监测设施主要有美国地基监测网、日本的地磁监测计划(MAGDAS)、加拿大地基监测网(CGSM),以及澳大利亚、欧洲和巴西的地基监测设施。

2.预报内容

空间天气短期预报和警报在目前最具有直接应用价值,主要预报内容包括太阳风暴活动预报、行星际传播预报和近地空间环境扰动预报等。目前,美国空间天气预报中心(Space Weather Prediction Center,SWPC)的空间天气产品的时间尺度涵盖了实时、短期(1~3d)、7d、27d、45d、太阳活动周等,内容包括太阳耀斑、太阳质子事件和地磁暴等空间天气事件的警报和预报,太阳活动指数和地磁活动指数预报等。SWPC还致力于空间天气预报模式的应用转化,包括电离层、地磁扰动、高能电子、太阳风等在内的8个预报模式已经实现业务化运行。

3.产品服务

美国开发的社区协调建模中心(commynity coordinated modeling center, CCMC)模式集成应用系统,可以提供空间天气模式在线计算与可视化服务、模式测试服务等。卫星轨道设计技术(satellite situation center web, SSCWeb)系统和卫星数据交互式分析技术(visual system for browsing, analysis and retrieval of data, ViSBARD)系统等被应用到各类空间科学任务的科学数据管理与应用支持服务过程中。比利时联邦科学研究所(BIRA-IASB)开发的空间环境信息系统(SPENVIS),实现辐射带、太阳高能粒子、宇宙射线、等离子体层、大气层、地磁场等空间天气问题的快速分析以及空间天气影响的预测。

(二)我国空间天气保障能力

近几年,国家在空间科学事业的发展和航天、通讯等高科技领域的保障要求两方面都对空间天气的研究提出了强烈的需求,那么我们的空间保障能力处于什么水平呢?

在天基监测方面,目前,我国没有在轨运行的空间环境监测专用卫星。天基监测能力主要体现在“北斗”“资源”“风云”“云海”及电磁卫星等业务卫星,以及“神舟”飞船、“嫦娥”探测器搭载的空间环境探测仪器。这些航天器覆盖LEO、MEO、GEO以及探月轨道,搭载多类仪器,探测的环境主要包括高能带电粒子、低能带电粒子、中高层大气、磁场、太阳X射线,对近地空间环境形成了初步的稳定监测能力。但对太阳和行星际关键点位(如L1点)的监测缺失,对高度100~300km左右的临近空间监测能力严重不足,导致我国在空间环境建模和预报方面还依赖于国外的数据。

对太阳、行星际和宇宙线监测方面,对太阳的监测可采用光学或射电的方式;对行星际的监测主要是利用行星际闪烁来测量太阳风速度等参数;宇宙线的监测针对缪子和中子进行计数测量(区分方向或不区分方向)。

 

 

综合地基监测链网。随着我国地基探测技术能力的提升和野外台站的全国布站,针对特定科学目标和应用需求的观测链网应运而生。“子午工程”一期综合运用地磁(电)、无线电、光学和探空火箭等多种监测手段,可连续监测地球表面20~30km以上到几百km的中高层大气、电离层和磁层, 以及十几个地球半径以外的行星际空间的空间环境参数。

 

三、   对中国空间天气保障的启示

 

空间天气会通过电磁辐射、高能粒子等方式对无线电系统、电力系统、航天系统等多种社会运行基本系统造成损害。但是由于中国起步较晚,空间天气保障能力还相对滞后。为了进一步提高相关能力,将空间天气造成的影响降到最低,对我国的空间天气保障能力发展做出以下思考:

(一)强化用户需求

不同机构、组织对空间天气预报的需求可能不同。航天机构是空间天气业务最直接的用户,对空间天气的需求比较明确。中国拥有北斗卫星导航系统,对空间天气的需求非常有针对性。因此,需要针对空间天气已有的及潜在的影响, 明确不同用户的需求。

(二)强化基础研究

加强空间天气基础研究将有助于提高对空间天气发生、发展及对地球空间造成扰动的理解,促进预报能力的提高,降低和防范空间天气事件对各类技术系统造成的影响。

(三)强化预报评估和业务转化

目前已构建了许多空间天气模型,如太阳爆发预报模型、日冕物质抛射传播模型等,这些模型可以用来解释空间天气发生的现象,但与实测数据相比仍存在不同程度的误差。为了促进模型向实际业务应用的转化,需要制定模型评估标准,加大模型评估工作的力度。

(四)强化优先级

从用户需求以及当前空间天气监测、预报和服务等方面的现状和技术条件出发,梳理短、中、长期的发展优先级,制定适合中国国情的研究、监测、预报、服务等方面的发展优先级,并建立评估和更新机制。

(五)强化国际合作

对空间天气的监测与研究是一项复杂的系统性工程,仅靠单一国家难以完成,必须依靠国际间的相互合作,加强天基和地基数据的分享。尤其是中国空间天气研究起步较晚,更应该主动走出去,加强与国际同行的交流与合作。