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对抗高能粒子 卫星握有“三把伞”

滨海高新:www.022china.com  时间: 2018-01-12 14:43:39

    滨海高新网讯 要是雨天没打伞,落汤鸡一样的你就会担心是否感冒。

    那么太空中是否存在类似于“风雨雷电”的天气,会不会影响卫星的正常运行,太空中的卫星需要“打伞”吗?

    太空天气,狭义上来说就是太阳耀斑、日冕物质抛射等现象对地球磁层、电离层、中高层大气造成的影响,广义泛指各种宇宙高能粒子、射线等。

    太空天气的历史,要从美苏“太空竞赛”开始说起。1957年,苏联发射了人类历史上第一颗人造卫星Sputnik1。作为跟进,美国在1958年也发射了第一颗人造卫星Explorer1,这颗卫星上装载了能够用来测量辐射剂量强度的盖革计数器。

    航天科学家范·阿伦由此观测到地球上空具有辐射现象,因此地球周边的这一辐射带被称为范·阿伦带。

    范·阿伦带的成因跟地球磁场有关。宇宙射线或太阳风造成的带电粒子在到达地球时,在地球磁场的作用下受到洛伦兹力作用,被束缚在地球周边,从而形成了高能粒子辐射带——范·阿伦带。

    范·阿伦带分为内带和外带,内带离地面高度从1000千米至6000千米,主要是由带正电荷的质子组成,外带离地面高度13000千米至60000千米,主要是由带负电荷的电子组成。

    由于地球磁场的非同轴对称性造成南大西洋附近存在一块磁场较弱区域。该区域对高能粒子的束缚能力不足,导致范·阿伦带内带更靠近地球表面,离地高度在200千米左右。这将使低轨道卫星在通过该区域时承受比其他区域更多的高能粒子照射。

    国际空间站运行在400千米左右高的轨道上,虽然总体不碰及范·阿伦内带,但当其运行至南大西洋异常区时,将受到更多高能粒子的辐照。而导航卫星和地球同步轨道通信卫星轨道高度都在20000千米以上,更多地受范·阿伦外带辐照影响。

    太空天气对卫星等航天器的影响主要是造成一种叫“单粒子翻转”的现象,顾名思义就是高能粒子打到卫星上时可能会造成卫星逻辑状态翻转。

    寿命长达数年的卫星将频繁地绕地球运行,低轨道卫星每天就将绕地球运行十几圈,而导航卫星每天绕地球运行两圈,如何对卫星进行抗辐照防护,使其免受高能粒子轰击、维持正常工作状态就显得尤为重要。

    目前,卫星常用的有三把抗辐照“雨伞”,既有防护措施也有纠正措施,比较典型的有:三模冗余、错误检测与纠正、抗辐照加固芯片等。

    三模冗余,顾名思义就是鸡蛋不放在一个篮子里,同样的运行模块要备三份,将三份模块运行结果进行比对,是“少数服从多数”在航天领域的典型应用。这种措施能够有效降低单粒子翻转,缺点是不能对出错模块进行修复,而且资源开销大。

    错误检测与纠正,是通过约定的算法,将因辐照造成的错误的地方找出来并进行纠正。该方法优点是对错误发生点能够进行修复,缺点是如果错误发生点太多,算法也就失去作用。

    采取高性能的抗辐照加固芯片,是抵抗单粒子翻转的有效防护措施。

    中国科学院计算技术研究所自主研发的龙芯抗辐照芯片,目前已经应用于北斗导航卫星,实现了“中国芯”在太空中的运用,是卫星对抗高能粒子的保护伞。

    (作者单位:中国科学院微小卫星创新研究院)

来源:科技日报 责任编辑:小兮
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