基于空間輻射環境角度的在軌衛星風險分析及核保建議

郭幸 劉藝童

摘? 要：近年隨著衛星產業的不斷發展，保險公司承保的在軌衛星數量逐漸增多，但衛星風險研究未有相應的發展。鑒于空間輻射環境是造成衛星在軌故障的主要原因之一，本文基于空間輻射環境因素（主要是空間高能帶電粒子），分析了衛星軌道、空間天氣及抗輻射設計對衛星在軌風險的影響，對衛星在軌保險核保提出了針對性的建議，為航天保險提供技術支持。

關鍵詞：在軌衛星? 空間輻射環境? 帶電粒子? 在軌風險? 核保

中圖分類號：V443? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（a）-0016-06

Abstract： In recent years， with the continuous development of the satellite industry， the number of in-orbit satellites insured by insurance companies has gradually increased， but satellite risk research has not developed accordingly. In view of the fact that space radiation environment is one of the main causes of satellite orbit failures this paper analyzes the influence of satellite orbit， space weather and anti-radiation design on the risk of on–orbit satellite based on the space radiation environment factors （mainly high-energy charged particles in space）. Finally targeted suggestions on the underwriting of on-orbit satellite insurance are put forward for insurance companies to provide technical support for aerospace insurance.

Key Words： On-orbit satellite; Space radiation environment; Charged particles; On-orbit risk; Underwriting

經過幾十年的發展，全球衛星產業規模持續擴張，已成為帶動全球航天經濟增長的重要引擎。艾瑞咨詢發布的2019年《中國商業航天發展研究報告》顯示，從2012—2017年，全球衛星發射數量持續增長，特別是小衛星數量，增長了16倍;中國發射的航天器入軌數量在2018年也成倍增長。

隨著發射衛星的增多，在軌衛星出現的故障也逐漸增多，航天保險模式呈現新的發展趨勢。目前我國已經是一個航天大國，航天保險市場在承保能力上也可以比肩歐美，但在風險評估、核保報價能力等方面與國際航天保險市場存在著一定差距。

目前國內保險公司核保人在進行在軌衛星核保時首先考慮衛星平臺和載荷的技術風險，其次考慮損失定義和保障期間等保險條件的設置，但對在軌衛星運行的空間輻射環境考慮較少，而國內外統計數據表明，空間輻射環境特別是宇宙帶電粒子輻射是引起衛星故障異常的主要原因之一，可能造成很大損失，如2010年5月4日高能電子誘發的深層充放電效應導致銀河-15衛星發生故障，相關業務轉向銀河-12衛星;2003年10月萬圣節太陽風暴中，太陽質子事件導致46顆通信衛星發生異常，日本先進地球觀測衛星-2完全失效。

鑒于空間輻射環境特別是宇宙帶電粒子輻射為在軌衛星很大風險因素，并且至今尚未有文章對這方面風險進行論述，本文將對空間環境中帶電粒子輻射造成的在軌衛星風險進行分析，并就衛星在軌保險核保提出針對性的建議。

1? 空間環境帶電粒子輻射簡介

衛星在軌運行期間，遭受的空間環境帶電粒子輻射主要來自于宇宙射線，包括銀河宇宙射線、太陽輻射和地球輻射帶。

銀河宇宙射線大部分為質子和重離子，但高能重離子的通量比質子通量低幾個量級。能量低于1 GeV 的銀河宇宙射線粒子通量受到太陽活動周期的影響，在太陽活動極大年，通量小;在太陽活動極小年， 通量大。另外，在赤道附近地磁磁場線平行于地球表面， 大部分帶電粒子被地磁場所偏轉，銀河宇宙射線粒子通量最小;而在地磁場的南北極，由于磁場線垂直于地球表面，高緯度的銀河宇宙射線粒子就能沿著磁力線進入兩極，因此該區域銀河宇宙射線粒子輻射通量最大。

與衛星故障相關的太陽輻射主要是太陽耀斑和日冕物質拋射（ CME） 。太陽耀斑射線中絕大部分是質子（占90 %以上），故稱為太陽質子事件，持續時間較短，約幾個小時。日冕質量噴射具有較大的質子通量， 持續時間較長，約幾天。日冕噴射的等粒子體質量要遠高于太陽耀斑發射的質量。太陽活動周期大約7 ～14 年，平均11 年。

地球內輻射帶和外輻射帶內存在著大量被地磁場捕獲的高能帶電粒子，主要是電子和質子。內輻射帶距地面中心高度為3000 km～1 re （re 為地球半徑）左右，南北緯40°以內，主要是捕獲質子，峰值范圍150～250 MeV;南大西洋異常區（SAA）輻射帶粒子密度更高，200km高度即有高能質子存在;在兩極地區由于磁力線的聚積作用， 極區高能粒子的通量也較大。外輻射帶中心位置高度約3.5～5re，南北緯55°～70°以內，主要捕獲高能電子，能量最大可達到10MeV。外輻射帶的電子通量比內輻射帶高一個數量級。

2? 空間環境帶電粒子輻射對在軌衛星造成的損失效應

空間環境帶電粒子輻射對在軌衛星產生的損失效應主要為總劑量效應、單粒子效應和充放電效應。

2.1 總劑量效應

總劑量效應包括電離總劑量效應和位移損失效應，該效應對電子元器件和材料的損傷并非是瞬時產生的，而是經過通過時間積累逐步形成的。

電離總劑量效應是帶電粒子在半導體器件內產生電子空穴對，形成氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷，從而導致電參數發生漂移，引起器件功能失效。一般半導體器件均受電離總劑量的輻射影響。

位移損失效應為入射粒子與半導體中周期性晶格原子發生碰撞，形成空位-間隙對缺陷，造成位移損傷，會導致半導體的器件參數退化或永久性失效。敏感元器件主要有雙極晶體管和太陽能電池、CCD、CMOS 圖像傳感器、光耦、LED 等光電器件。

2.2 單粒子效應

單粒子效應是空間單個高能質子和重離子穿越單元電路敏感區時，產生的電子-空穴對被器件內部的電場收集，引起器件存儲、輸出的變化，可分為單粒子翻轉（SEU）、單粒子鎖定（SEL）、單粒子燒毀（SEB）、單粒子柵擊穿（SEGR）、單粒子瞬態效應（SET）等多種類型。主要影響SRAM、PROM、EEPROM、Flash、DSP、FPGA、數據總線等大規模集成單路以及A/D、D/A、DC/DC、功率MOS 管、運放等模擬或數模混合電路。

1990年9月3日，中國“風云一號B”氣象衛星發射入軌后，星載計算機集成電路多次出現單粒子翻轉現象，集成電路“0”“1”顛倒，衛星僅在軌工作165天即宣告失效。

2.3 充放電效應

充放電效應分為表面充電和內部深層充電，表面充電是能量不能穿透衛星表面的等離子體與運行中的衛星相互作用，在衛星表面積累電荷的現象。內部充電是空間帶有足夠能量的帶電粒子穿過衛星表面，在介質內傳輸生成一個層間電荷結構的過程。

1998年5月19日，美國銀河-4通信衛星發生故障失效，造成4千萬傳呼業務中斷，調查結果顯示為衛星內部充電導致失效。

3? 基于空間輻射環境的在軌衛星風險分析

在軌衛星輻射風險與衛星軌道、保險期空間天氣情況及衛星抗輻射性能等相關，具體分析如下。

3.1 衛星軌道

不同空間區域具有不同的空間環境，衛星所受的輻射風險也不同，與衛星所在軌道息息相關。

張曉芳[6]等對來自美國國家地球物理數據中心（以下簡稱“NGDC”）1963-1994年的衛星故障數據以及中國7顆低軌衛星和12顆同步衛星（以下簡稱“CHN”）的故障資料進行了研究，包括低軌道（LEO，100～1000km）、中軌道（MEO，1000～20000km）和高軌道（GEO，20000km以上）衛星。統計結果顯示主要故障類型為單粒子翻轉（SEU）、表面充電效應（ESD）、內部深層充電所引發的電磁脈沖（ECEMP），同時出現了6例無線電波干擾事件（RFI），剩余為未知故障（UNK），如圖1所示：由圖1可見，高軌道（GEO）無論是故障種類還是故障數量都高于中軌道和低軌道，包括3個故障種類（SEU、ESD和ECEMP）;低軌道（LEO）主要是SEU;而中軌道（MEO）則有許多未知原因的故障事故。

本文將對3種軌道（GEO、MEO和LEO）衛星風險分別分析如下。

3.1.1 高軌道（GEO）衛星風險

高軌道衛星位于外輻射帶邊緣，在空間環境平靜情況下，高能電子和高能質子的通量都不高。根據風云二號衛星[8]空間環境監測器的探測，太陽和地磁寧靜時，電子通量為10～2×102/cm2·s·sr，質子通量為6×102～8×103/cm2·s·sr，但高能質子一段時間才偶有計數。

然而太陽爆發性活動使得高軌道區域出現大量高能質子（>10MeV），在風云二號衛星上觀測到太陽活動峰年間多起太陽質子事件，質子通量超過10pfu。這些高能質子通過輻射劑量效應、單粒子效應等對航天飛行任務以及衛星上搭載的敏感元器件造成損害，在NGDC衛星[6]上觀測到多起SEU故障。

另外，根據孫毅[7]等的研究，與同傾角的LEO、MEO 相比，GEO軌道受太陽質子引起的位移損傷最為嚴重，大約是同傾角MEO的5倍，這是由于軌道高度較高，地磁屏蔽的作用減弱，使得在軌衛星遭遇更高通量的太陽質子，因此GEO軌道上的衛星輻射劑量風險也很高。

由于衛星表面材料幾何形狀、介電常數和所受光照不同，向光面和背光面兩側會產生電位差。在地磁亞暴期間，當該電位差達到或超過表面材料擊穿閾值后，便會導致表面充電（ ESD）。典型地磁亞暴每幾個小時發生一次，在GEO 軌道可能產生數十千伏的帶電電壓，因此GEO軌道上的衛星ESD風險很高。

在地磁活躍特別是大磁暴期間，GEO軌道上高能電子（>2MeV）通量在幾小時到幾天的時間內出現好幾個量級的增強變化，這些高能電子會穿透衛星屏蔽，沉積在衛星內部介質上，導致深層充電出現，而在長時間高通量后還可能會產生放電損害，因此GEO軌道上的衛星內部充電風險也非常高。

因此，由于高軌道（GEO）衛星處于外輻射帶外，直接受地磁活動和太陽活動影響，單粒子效應、總劑量效應和充放電效應風險均較高。

3.1.2 中軌道（GEO）衛星風險

中軌道（GEO）衛星運行在地球外輻射帶內，根據馮彥君[4]等提供的數據，外輻射帶內高能質子通量相對小，而高能電子通量相對大。

目前代表性的中軌道衛星為通信或導航衛星，高度約為10000km或20000km，傾角約55°，在該區域內目前觀測到高通量的高能電子。中國北斗衛星上的高能電子探測數據[10]表明，在外輻射帶中心處0.5～0.6MeV的電子通量可達1.92×106/cm2·s·sr，而且高能電子通量隨時間變化明顯，可相差3個量級。根據王子鳳[11]等的研究，目前常用的22000km高度、傾角約55°的衛星，一個軌道周期需2次進出外輻射帶，導致高能電子通量劇烈變化，則該類軌道內部充電風險比GEO高。

另外，根據孫毅[7]等的數值模擬研究，低傾角的中軌道衛星處于地磁捕獲的外輻射帶，質子能量很低，故位移損傷相對較小，但高傾角的中軌道接近兩極地區，地磁屏蔽作用較小，在太陽質子事件發生時，可能遭遇更高通量的太陽質子，故位移損失劑量較大。

因此，中軌道（MEO）衛星位于外輻射帶，衛星內部充電風險高;對于高傾角的衛星，由于接近兩極地區，位移損失劑量大，總劑量風險也較高。

3.1.3 低軌道（LEO）衛星風險

低軌道衛星處于地球內輻射帶內，而內輻射帶主要是捕獲質子，故低軌衛星最主要風險為單粒子事件和總劑量效應。

軌道高度小于600km，且傾角小于40°的衛星，軌道基本不進入南大西洋異常區（SAA），面臨的輻射較為溫和。

當軌道高度為600～1000km時，衛星進入內輻射帶下邊界，很有可能經過南大西洋異常區（SAA），遭遇內輻射帶高能質子和高能電子。根據美國國家海洋大氣局發射的系列極軌太陽同步低高度氣象觀測衛星第五代NOAA-15到NOAA-19 的粒子探測器數據[13]，高通量高能質子與高能電子主要分布在南、北輻射帶與南大西洋異常區（SAA），這個區域也是單粒子故障多發區域。

關于低軌道與位移損失劑量的關系，根據孫毅[7]等的研究，因為內輻射帶內地磁捕獲質子是導致位移損傷的主要因素，故軌道高度較低、傾角較小的LEO 基本不受太陽質子的影響;高度低、傾角大的極地軌道穿越南大西洋負磁異常區（SAA）和地磁南北極區，因地磁捕獲質子和太陽質子引起的位移損傷要嚴重很多。

因此，低軌道（LEO）衛星位于內輻射帶，主要風險為單粒子效應和總劑量效應，且風險高發區域為傾角大的極地軌道和穿越南大西洋異常區（SAA）的軌道。

3.2 空間天氣狀況

大量分析表明惡劣空間天氣會導致衛星故障，而高軌道衛星處于地球輻射帶邊緣或輻射帶外，受空間天氣影響更大，本文對太陽質子事件、磁暴和相對論電子增強事件進行分析。

根據張曉芳[6]等對來自NGDC（1963-1994年）和CHN（2004-2012年）的衛星故障數據與空間天氣關系的研究，空間天氣對衛星故障影響有如下規律。

（1）衛星故障呈現太陽活動周期性。

太陽活動峰年相應的太陽質子事件和磁暴發生頻率較高，低軌道單粒子事件明顯高于其他時段;并且在太陽活動爆發后，因高能粒子注入極區，高地磁場區也成為單粒子效應頻發區。

高軌道衛星單粒子效應受太陽質子事件影響相對較大，NGDC衛星上超過1/3的單粒子效應故障發生前后72h發生了太陽質子事件。

太陽活動谷年附近，高能電子通量高，衛星內部充電風險高。

（2）磁暴能導致所有類型的衛星故障。

數據顯示大部分的衛星故障前后72h地磁活動達到了磁暴水平，包括NGDC衛星中97.6%的低軌道單粒子故障、87.2%的同步軌道單粒子故障、93.6%的表面充電效應和88.4%的內部充電效應，而且大部分發生在中級（包含）以上磁暴事件期間。

（3）強相對論電子事件易引發衛星充放電效應。

強相對論電子事件在距離太陽活動谷年前兩年左右和春秋分發生率最高，在太陽活動峰年附近發生率較低。強相對論電子事件引發的高能電子通量導致相應的衛星表面充電效應和內部深層充電，因此衛星充放電效應具有季節性，在春秋分點附近明顯。

因此，衛星故障風險與保險期間空間天氣的情況有關，在太陽活動峰年相應的太陽質子事件和磁暴發生頻率較高，低軌衛星（包括極地衛星）和高軌衛星的單粒子效應顯著;磁暴會帶來高通量電子，中高軌衛星表面充電效應發生頻率高;在太陽活動谷年和春秋分季節，強相對論電子事件發生頻率高，會導致中高軌衛星發生充放電效應故障。

3.3 抗輻射設計

由于衛星處于復雜的空間環境下，為提高衛星可靠性，都設計了一定的抗輻射措施，這些措施有效降低在軌衛星的風險。

對于低軌衛星，單粒子效應和總劑量效應風險相對較高，衛星設計的抗輻射指標反映出衛星抗輻射風險能力。根據張洪偉[12]等的研究，在不考慮太陽峰年影響，設計裕度為2，且衛星設計壽命為10年，鋁屏蔽厚度為3mm的情況下，抗輻射指標如表1。

對于中高軌道衛星和極地衛星，抗輻射指標有所不同，孫毅[14]等對不同軌道位移損失劑量進行了數值模擬分析，計算出等效3mm鋁屏蔽下不同壽命期的位移損失劑量，其中極地軌道、傾角55°的中軌道和高軌道，8年壽命期的位移損失劑量分別達到1.52×1010p/m2、2.69×1010p/m2和2.83×1010p/m2。

對于中高軌道衛星，高電子通量引發的衛星充放電效應風險較高，故衛星防靜電設計也非常關鍵。目前采用主要有兩種方法：被動防護和主動電位控制方法。被動防護包括衛星結構設計、介質材料和厚度選擇、介質接地方式等;主動電位控制方法是通過粒子發射裝置噴射帶電粒子降低衛星整星結構和表面電位，將靜電電位控制在安全水平的方法，我國地球探測雙星中“探測1 號”采用的就是主動控制方法。

4? 結論與核保建議

空間環境中帶電粒子輻射造成的在軌衛星故障主要包括總劑量效應、單粒子效應和充放電效應，在軌衛星風險與衛星軌道設計、保險期間空間天氣狀況以及衛星抗輻射設計有關，主要結論如下：

（1）高軌道（GEO）衛星處于外輻射帶外，直接受地磁活動和太陽活動影響，單粒子效應、總劑量效應和充放電效應風險均較高。

（2）中軌道（MEO）衛星位于外輻射帶，高能電子通量高，衛星內部充電風險高;對于高傾角的衛星，由于接近兩極地區，位移損失劑量大，總劑量風險也較高。

（3）低軌道（LEO）衛星位于內輻射帶，主要風險為單粒子效應和總劑量效應，風險高發區域為傾角大的極地軌道和穿越南大西洋異常區（SAA）的軌道。

（4）衛星故障呈現太陽活動周期性，在太陽活動峰年，太陽質子事件和磁暴易發，衛星單粒子效應風險高;而在太陽活動谷年附近和春秋分，強相對論電子事件發生率高，高能電子通量高，衛星內部充電風險高。

（5）為應對復雜的空間環境，現代衛星都設計了一定的抗輻射措施，這些抗輻射措施在一定程度降低了衛星在軌風險。

考慮以上的分析結論，保險公司在進行在軌衛星核保時，建議考慮以下因素：

（1）衛星所處軌道高度及形狀。高軌道衛星（GEO）直接受地磁活動和太陽活動影響，單粒子效應、總劑量效應及充放電效應三者風險均較大，而中軌道主要風險是充放電效應，若中軌道位于外輻射帶邊緣且需在一個周期內多次進出外輻射帶，則內部充電風險更高;低軌道主要風險是單粒子效應，極地軌道和穿越南大西洋異常區（SAA）的軌道風險較高。

（2）保險期間空間天氣情況。衛星故障呈現太陽活動周期性，而太陽活動周期為11a。若中高軌衛星壽命期跨越太陽谷年，強相對論電子事件發生概率較高，則充放電風險高。

（3）衛星抗輻射設計與衛星軌道和衛星壽命期空間天氣情況匹配情況。對于壽命長的低軌衛星，需要考慮相應抗輻射指標;對于中高軌衛星，衛星充放電防護設計水平是很重要參考因素。

由于空間輻射環境復雜，且帶電粒子輻射造成衛星故障的機理研究還不是很成熟，建議保險公司收集衛星故障數據，建立在軌衛星賠案數據庫，在該數據庫基礎上建立在軌衛星風險評估模型，指導前端核保和承保后端風控，全面提升在軌衛星風險管理水平。

參考文獻

[1] 李桃生，陳軍，王志強.空間輻射環境概述[J].輻射防護通訊，2008（2）：1-9，45.

[2] 高欣，楊生勝，牛小樂，等.空間輻射環境與測量[J].真空與低溫，2007（1）：41-47.

[3] 沈自才，閆德葵.空間輻射環境工程的現狀及發展趨勢[J].航天器環境工程，2014，31（3）：229-240.

[4] 馮彥君，華更新，劉淑芬.航天電子抗輻射研究綜述[J].宇航學報，2007（5）：1071-1080.

[5] 朱光武，李保權.空間環境對航天器的影響及其對策研究[J].上海航天，2002（4）：1-7.

[6] 張曉芳，劉松濤，吳耀平.影響衛星故障的空間天氣分析[J].空間科學學報，2015，35（4）：461-472.

[7] 孫毅，唐民，于慶奎.典型衛星軌道的位移損傷劑量計算與分析[J].航天器環境工程，2013，30（5）：487-492.

[8] 朱光武，李保權，王世金，等.風云二號衛星空間環境監測器[J].中國科學G輯：物理學、力學、天文學，2004（3）：354-360.

[9] 王春琴，孫越強，張坤毅，等.FY2G衛星新一代高能帶電粒子探測器觀測數據分析[J].地球物理學報，2016，59（9）：3148-3158.

[10] 楊曉超，朱光武，符養，等.中地球軌道高能電子輻射環境特性分析[J].空間科學學報，2015，35（5）：581-587.

[11] 王子鳳，張振龍.MEO衛星內部充電環境及典型材料充電特征分析[J].航天器環境工程，2016，33（4）：382-386.

[12] 張洪偉，李鵬偉，孫毅.商業航天元器件抗輻射性能保證研究[J].航天器工程，2019，28（6）：81-86.

[13] 黃建平，余偉豪，澤仁志瑪，等.NOAA系列衛星高能粒子數據一致性統計分析[J].地球物理學報，2020，63（4）：1249-1261.

[14] 孫毅，唐民，于慶奎.典型衛星軌道的位移損傷劑量計算與分析[J].航天器環境工程，2013，30（5）：487-492.

[15] 劉尚合，胡小鋒，原青云，等.航天器充放電效應與防護研究進展[J].高電壓技術，2019，45（7）：2108-2118.

[16] 王同權.高能質子輻射效應研究[D].北京：中國人民解放軍國防科學技術大學，2003.

[17] 鄭漢生.典型結構的深層充放電規律及放電干擾影響研究[D].北京：中國科學院大學（中國科學院國家空間科學中心），2017.