太空环境感知概论

《太空环境感知概论》是国内空间态势感知领域太空环境感知领域的第一本专著，在对太空环境感知概念内涵、体系构成、典型运用等进行系统梳理和辨析的基础上，将人工太空环境的感知纳入全书体系，进而对感知对象、手段、方法和运用进行了详细的介绍和阐述。

本书可供从事太空活动相关的工程及科研人员，从事太空环境教学的教师人员及学员、技术管理人员、空间天气业务保障人员、太空环境态势感知业务值班人员及相关装备研发人员参考、阅读。

全林，博士，于2012年毕业于中国原子能研究院获工学博士学位，长期从事太空环境感知及运用技术研究，承担北斗星座太空环境监测系统研制、脉冲星导航太空辐射单粒子甄别、太空环境监测预警体系研究、典型武器太空环境影响研究等课题20余项。先后承担了30余项重点科研项目，申请及获得发明专利15余项，并以第一作者发表学术论文30余篇，获省部级科技进步二等奖3项、三等奖1项。

沈自才，博士，高级工程师。2002年至2007年先后于中国科学院研究生院获得材料学硕士学位和光学工程博士学位。目前从事航天器空间环境工程研究。先后负责主持总装基础科研、技术基础、863、973、国家自然科学基金等课题10余项。申请专利30余项，发表论文100余篇，编写GB、GJB、QJ等标准6项，出版学术专著《空间辐射环境工程》、《航天材料工程学》等5部。获中国航天科技集团公司技术进步二等奖1项。

　　太空是人类继陆、海、空之后的又一活动区域，更是全球监测、登高拓远的战略重地，它具有天域开放、要素复杂、影响广泛等特点，是国际战略合作、资源竞争和维护利用的新领域。随着航天发射频次的增加，一方面，多国巨型星座的部署推进（动辄上万颗），使近地空间（尤其是低轨）变得越发拥挤，空间碎片的数量正呈指数级增长，碎片环境直逼人类可用发射窗口的极限； 另一方面，受太阳活动、太空辐射、电离层和大气环境扰动等影响，在轨卫星辐射损伤、雷达信号异常、短波通信中断时有发生，甚至有卫星坠毁（如2022年2月美国40颗“星链”卫星坠毁）； 此外，随着太空竞争逐渐增强，诸多电磁辐射、粒子束辐照等人工环境逐渐混杂在自然背景环境中，也威胁着人类的太空活动安全。因此，掌握太空环境态势信息逐渐成为人类遨游太空、识别环境风险、利用太空资源的基础，更是实现太空可持续发展的支撑。为适应蓬勃发展的航天活动需要，太空环境在感知对象、范围、深度等方面不断发展，感知对象由常规的自然环境向人工与自然环境混杂方向拓展，感知范围由环境参量向环境效应和修正运用等方向延展，感知深度由大尺度宏观的空间天气事件向小尺度精细识别和环境资源运用发展。

　　历史上曾发生过多次剧烈的空间天气事件，对太空资产和人类生活等带来了显著影响。例如，在1998年的“特大太阳风暴”事件中，大量卫星异常，飞机导航系统失灵； 在2000年的“巴士底日”事件中，日本“ASCA”卫星丢失，“X射线”天文卫星提前坠毁于大气层，欧美的“GOES”“ACE”等卫星严重受损； 在2003年的“万圣节”事件中，25颗卫星需地面操作干预。为应对灾害性空间天气事件对人类活动的影响，在世界范围内，国际太空环境服务中心、国际空间研究委员会、亚洲大洋洲空间天气联盟等组织相应而生，以美国、俄罗斯、日本、欧盟为代表的航天大国和组织制定了诸多太空环境探测计划，并开展了大量的感知实践活动。例如，美国制定了空间天气战略，国际的“与星同在”“日地探测”等规划，发展了日地关系天文台、太阳动力学观测卫星、辐射带风暴探测卫星，以及辐射带AP/AE系列模型、IRTAM模型等模型，为认知太空环境及其影响提供了有力支撑。同时，美国将甄别太空人工环境与自然环境扰动纳入业务范畴，俄罗斯、欧盟等在此方向也开展了大量工作。可见，开展太空环境感知已是支撑航天活动必要的基础，是践行航天强国战略的必备技能，对保障太空设施可靠稳定运行和国防安全具有重要的意义。

　　我国在太空环境领域开展了多年的研究，出版了以《空间天气学》为代表的多本论著，但在太空环境的监测、预警预报、效应评估和信息运用方面的系统论述仍比较缺乏。本书作者在多年从事太空环境及其感知相关研究的基础上，对自然太空环境和人工太空环境进行了界定，梳理了其对人类活动的影响，系统地论述了太空环境感知要素、手段、态势生成和应用等，提出了太空环境感知的发展方向。以期为国内从事太空环境感知相关的科技工作者提供参考。

　　全书分为5章，各章内容如下：

　　第1章为概论。介绍了太空环境感知涉及的概念、太空环境的分类、太空环境对人类活动的影响、太空环境感知的发展历程和太空环境感知体系等。

　　第2章为太空环境感知要素。介绍了太空环境领域内的太阳活动及其对地有效性、航天活动的辐射风险、电离层环境及其影响、轨道大气环境及其影响、临近空间环境及其影响、太空撞击环境及其影响、太空高功率冲击环境及其影响、太空磁场环境及其影响等领域的环境要素构成、特点和感知重点。

　　第3章为太空环境状态监测。分别从就位探测、遥感探测等视角介绍了可用的太空环境探测手段，并结合快视模型、数据同化等，介绍了由有限点的监测数据来推演全天域环境状态信息的方法和手段。

　　第4章为太空环境态势生成和应用。结合航天器平台风险管控、航天员在轨安全、在轨功能载荷有效运行等典型运用场景，给出了太空环境态势图的特点、功能、构成和信息运用模式，并从航天器平台风险管控、航天员在轨安全、在轨功能载荷有效运行、导航通信功能维持、天地基雷达有效运行、精密轨道控制、临近空间飞行支持、太空人工环境扰动甄别和运用等视角，对太空环境态势运用模式进行了阐述。

　　第5章为太空环境感知发展。分别从太空环境感知的组织结构、探测技术、信息处理技术、态势融合等方面，对太空环境感知的现状进行了梳理，并阐述了太空环境感知技术的发展趋势。

　　本书由全林和沈自才著述，由北京跟踪与通信技术研究所、北京卫星环境工程研究所、中国科学院空间科学与应用中心、中国电波传播研究所、航天工程大学等单位的10余名专家协助整理。参与的主要专家为： 第1章(师立勤、王东亚、胡熊等)、第2章(欧明、程永宏、胡熊、徐龙、孙树计等)、第3章(荆涛、胡熊、刘业楠、欧明、王鲲鹏、薛莉等)、第4章(王鹏、荆涛、欧明、李泠等)、第5章(黄鑫、李泠、王东亚等)。在本书写作的过程中，还得到了刘四清、甄为民、王华宁、任志鹏、林瑞初等专家的大力支持，在此一并表示感谢。

　　太空环境感知是一门多学科交叉的系统工程，涵盖了空间天气学、电子学、材料学、物理学、机械工程学等诸多学科。由于作者的水平和经验有限，书中难免存在诸多知识点的不尽完善，甚至还可能存在错漏等不足，敬请广大读者批评指正。本书在撰写过程中，引用了一些国内外经典论述和配图，在此一并表示感谢，有些配图无法溯源，也恳请原作者给予谅解。

作者

2020年9月于北京航天城

第1章概论

1.1概念

1.1.1太空与空间

1.1.2太空环境与空间天气

1.1.3太空环境感知与空间天气预报

1.1.4实体域、信息域、认识域

1.1.5太阳爆发活动

1.2太空环境对人类活动的影响

1.2.1太空自然环境对人类活动的影响

1.2.2太空人工环境对人类活动的影响

1.2.3典型太空环境事件

1.3太空环境感知发展历程

1.3.1太空环境预报阶段

1.3.2太空环境感知萌芽阶段

1.3.3太空环境感知发展阶段

1.4太空环境感知体系

参考文献

第2章太空环境感知要素

2.1概述

2.1.1太空自然环境态势

2.1.2太空人工环境扰动

2.1.3太空活动信息反演

2.2太阳活动及其对地有效性

2.2.1概念

2.2.2太阳活动要素识别

2.2.3太阳活动对近地空间的影响

2.2.4太阳活动的感知对象

2.3太空辐射环境及其影响

2.3.1概念

2.3.2太空辐射环境及其效应要素识别

2.3.3太空辐射环境及其效应感知对象

2.4电离层环境及其影响

2.4.1概念

2.4.2电离层环境影响要素识别

2.4.3电离层特征参量

2.5轨道大气环境及其影响

2.5.1概念

2.5.2轨道大气环境影响要素识别

2.5.3轨道大气环境感知对象

2.6临近空间大气环境及其影响

2.6.1概念

2.6.2临近空间大气环境影响对象

2.6.3临近空间大气及其影响感知对象

2.7太空撞击环境及其影响

2.7.1概念

2.7.2太空碎片和微流星体的要素识别

2.7.3太空碎片感知要素

2.8太空高功率冲击环境及其影响

2.8.1概念

2.8.2太空高功率冲击环境影响要素识别

2.8.3太空高功率冲击环境感知对象

2.9太空磁场环境及其影响

2.9.1地球磁场

2.9.2木星磁场

2.9.3土星磁场

2.10其他太空环境及其影响

2.10.1其他太空环境

2.10.2其他太空环境及其效应要素识别

2.10.3其他太空环境感知对象

参考文献

第3章太空环境状态监测

3.1太空环境就位探测

3.1.1太空辐射环境探测

3.1.2太空大气成分和效应探测

3.1.3太空碎片和撞击效应探测

3.2太空环境遥感探测

3.2.1光学成像探测

3.2.2雷达类探测

3.3太空环境探测增强算法

3.3.1探测增强算法

3.3.2算法应用示范

3.3.3太空环境的典型快视模型

参考文献

第4章太空环境态势生成和运用

4.1概述

4.1.1环境态势图特点

4.1.2环境态势信息要素

4.1.3太空环境态势系统

4.2典型态势生成和运用

4.2.1在轨航天器风险管控

4.2.2航天员在轨安全

4.2.3在轨有效载荷运行

4.2.4导航通信功能维持

4.2.5天基地基雷达有效运行

4.2.6精密轨道控制

4.2.7临近空间飞行支持

4.2.8太空环境扰动甄别和信息运用

参考文献

第5章太空环境感知发展

5.1相关组织机构和大型发展计划

5.1.1太空环境业务性机构

5.1.2太空环境感知机构

5.1.3大型发展计划

5.2太空环境监测能力

5.2.1太阳爆发及其对地有效性感知

5.2.2航天活动辐射风险感知

5.2.3电波传播影响监测预警

5.2.4太空大气环境感知

5.2.5临近空间飞行环境监测能力

5.3太空环境态势融合现状

5.3.1态势信息融合

5.3.2态势图技术

5.4太空环境感知趋势

5.4.1感知维度不断拓展

5.4.2人影甄别运用融合

5.4.3多方合作资源共享

5.4.4数字模型集成发展

5.4.5精细感知定向服务

5.4.6综合态势生成模式

5.4.7态势信息主动运用

参考文献