太空辐射对卫星的影响有多大？

2024年5月，地球遭遇20多年来最强地磁风暴，最大级别达到超大地磁暴（Kp=9），成为近年来罕见且强烈的空间天气事件。地磁暴期间，由于焦耳加热和粒子沉降导致地球高层大气密度上升，引起卫星在轨运动阻力增大，统计数据显示，为抵消此次地磁暴造成的轨道拖曳效应，约有5000枚人造航天器主动变轨以提升其轨道高度。

2022年2月，SpaceX公司使用“猎鹰9号”火箭从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射了49颗“星链”卫星。然而，在发射后不久，这些卫星就遭遇了严重的地磁风暴，导致其中40颗卫星无法正常工作并最终陨落。

太空辐射是一种无形却强大的敌人，始终在考验在轨卫星的韧性与智能。其影响包括数据错乱和通信中断，严重时甚至导致卫星失去功能，沦为太空垃圾。在轨卫星所面临的太空辐射环境风险，主要源于高能粒子和宇宙射线，可能对卫星的电子设备、材料和结构产生不同程度的影响。

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空间辐射环境

空间辐射环境主要由来自太阳、银河系及宇宙射线的高能粒子组成。这些粒子具有不同的能量和通量，对卫星的影响各异。太阳活动（如太阳风和太阳耀斑）以及地球磁场的变化，都会影响空间辐射环境的强度和分布。

在轨卫星面临的太空辐射环境风险，指的是卫星在轨运行过程中由于空间辐射造成的潜在危害和不确定性。这种风险主要源于高能粒子和宇宙射线等辐射源，它们会对低轨、中轨、高轨卫星的轨道、器件、任务可靠性方面产生不同程度的影响。

太空辐射环境对卫星的影响

太空辐射环境对高中低轨卫星的影响是多方面的，这些影响主要体现在卫星轨道的稳定性、卫星器件的性能以及卫星任务执行的可靠性上。以下是对不同轨道卫星受太空辐射环境影响的具体分析：

1. 低轨道（LEO）卫星

轨道稳定性

低轨道卫星距离地球较近，受到的大气阻力相对较大，但太空辐射对其轨道的直接影响较小。然而，长期累积的辐射效应可能会对卫星的轨道参数产生微小变化，需要定期进行轨道维持。

器件性能

低轨道卫星主要面临的是单粒子效应（SEE）的风险，包括单粒子翻转（SEU）等。这些效应可能导致卫星上的电子设备出现短暂或永久性的故障，影响数据的传输和处理。

辐射总剂量效应（TID）在低轨道环境中也存在，但相对于中高轨道来说影响较小。

任务可靠性

由于低轨道卫星通常用于通信、地球观测等任务，其对数据的准确性和实时性要求较高。因此，太空辐射环境对低轨道卫星的器件性能和任务可靠性有着重要影响。

2. 中轨道（MEO）卫星

轨道稳定性

中轨道卫星的轨道高度介于低轨道和高轨道之间，其轨道稳定性相对较好。然而，在特定的空间天气事件（如地磁暴）期间，中轨道卫星也可能会受到较大的影响，导致轨道参数发生变化。

器件性能

中轨道卫星面临的辐射环境相对复杂，既包括单粒子效应也包括总剂量效应。此外，中轨道卫星还可能受到地磁活动引起的充放电效应的影响，导致卫星内部设备受损。

任务可靠性

中轨道卫星通常用于导航、通信等任务，其对系统的稳定性和可靠性要求较高。因此，太空辐射环境对中轨道卫星的器件性能和任务可靠性具有重要影响。

3. 高轨道（GEO）卫星

轨道稳定性

高轨道卫星（如地球同步轨道卫星）的轨道高度较高，受到的大气阻力较小，因此轨道稳定性较好。然而，高轨道卫星直接暴露在地磁活动和太阳活动的影响下，可能受到更强的辐射环境作用。

器件性能

高轨道卫星面临的辐射环境最为严峻，包括高能质子、电子以及重离子等多种辐射源。这些辐射源可能导致卫星上的电子设备出现严重的性能衰退甚至失效。特别是充放电效应和总剂量效应在高轨道环境中尤为突出。

任务可靠性

高轨道卫星通常用于通信、广播、气象观测等关键任务，其对系统的稳定性和可靠性要求极高。因此，太空辐射环境对高轨道卫星的器件性能和任务可靠性具有至关重要的影响。

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降低卫星辐射环境风险的措施

1. 抗辐射设计

在卫星设计阶段充分考虑空间辐射环境的影响，采用抗辐射材料和工艺、设计冗余电路等措施提高卫星的抗辐射能力。

2. 姿态和轨道控制

加强卫星的姿态和轨道控制技术研究，确保卫星在复杂空间环境下能够保持稳定的姿态和轨道。

3. 故障预警和诊断

建立完善的卫星故障预警和诊断系统，及时发现并处理潜在的问题和隐患，降低因辐射环境导致的突发故障风险。

4. 应急预案

针对可能出现的突发情况制定应急预案和应对措施，确保在紧急情况下能够迅速、有效地进行处置和恢复工作。

在轨卫星辐射环境风险是卫星在轨运行过程中不可忽视的问题。通过加强抗辐射设计、姿态和轨道控制、故障预警和诊断以及制定应急预案等措施，可以有效降低这一风险对卫星运营的影响。

在轨卫星空间辐射环境风险预报系统

星图测控在空间辐射环境风险故障预警和诊断发面积累了大量项目经验，潜心研发的在轨卫星空间辐射环境风险预报系统，结合海量卫星的辐射数据以及太阳活动、地磁场等关键空间环境参数的监测资料，通过使用相关模型，如太阳高能质子事件通量密度实时预报模型、高能电子通量预测模型及地磁传输效应分析模型，分析并评估在轨卫星所处轨道的辐射环境复杂程度。

此外，系统利用Web三维可视化技术，直观呈现卫星轨道上高能粒子的分布情况，使用户能够清晰理解卫星即将穿越的辐射环境特征。同时，系统具备强大的预警功能，能够提前识别并标记卫星可能遇到的辐射危险区域，为卫星的安全运营和任务规划提供及时、准确的参考信息。

▲ 太阳高能质子事件

▲ 质子辐射环境预警功能三维可视化界面

▲  质子辐射环境预警功能二维可视化界面

针对日益增加的太空航天器，星图测控依托二十多年的行业技术积累，提供太空资产管理、精密轨道计算、航天器轨道姿态控制、星座健康评估、卫星辐射环境风险预报等专业服务，为航天器在复杂的太空辐射环境中稳定、安全运行保驾护航。

（来源：中科星图）

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