劉震 楊曉超 張效信 張珅毅 余慶龍 張鑫 薛炳森 郭建廣 宗衛(wèi)國 沈國紅 白超平 周平 冀文濤

1)(中國科學院國家空間科學中心,北京 100190)

2)(天基空間環(huán)境探測北京市重點實驗室,北京 100190)

3)(中國科學院大學,北京 100190)

4)(國家空間天氣監(jiān)測預警中心,北京 100081)

1 引 言

磁層高能粒子輻射環(huán)境是地球空間最重要的空間環(huán)境之一.通過深層充放電、輻射損傷、單粒子事件等效應,空間高能粒子能夠導致航天器故障甚至失效.特別是其中能量大于1 MeV的相對論電子(也稱殺手電子),可以穿透2 mm的等效鋁屏蔽層,入射到航天器的各種材料中,產生充放電反應,導致嚴重的后果[1?3].例如,1994年1月,相對論電子增強引起的內部充放電事件導致加拿大通信衛(wèi)星姿態(tài)失控;1997年1月和1998年4月的兩次相對電子增強引起的內部充放電事件先后導致美國通信衛(wèi)星TELSTAR-401、德國科學衛(wèi)星EQUATOR-S報廢.隨著高度集成化器件在航天工業(yè)中的廣泛使用,空間相對論電子環(huán)境對航天器的影響日漸突出.目前,對磁層相對論電子動態(tài)變化的物理特性仍然不甚清楚.因此,對磁層相對論電子物理機制、動態(tài)特性和建模等研究是具有理論意義和工程價值的重要課題.

開展磁層電子的理論和建模等研究需要來自多個不同衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)[4?7],這要求來自不同探測器的數(shù)據(jù)之間具有良好的一致性.各衛(wèi)星的高能粒子探測器在研制階段都經過了嚴格的地面定標.但一方面,地面的環(huán)境模擬和仿真工作是很難完全復制真實空間中的粒子環(huán)境,另一方面,地面定標技術和設備也難統(tǒng)一,使得源于各個探測儀器之間和設計差異造成的系統(tǒng)偏差不可避免.因此,為了滿足磁層粒子領域的研究對觀測數(shù)據(jù)融合的需求,必須開展各衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)之間的交叉定標,以消除不同探測器之間的系統(tǒng)偏差,實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合.

Friedel等[8]以科學衛(wèi)星 CRRES,Polar的高能電子觀測數(shù)據(jù)為“標準”,對3個太陽活動周內的GEO衛(wèi)星(地球同步軌道衛(wèi)星)GPS衛(wèi)星(中地球軌道衛(wèi)星)的高能電子觀測結果開展了交叉定標研究.Chen等[5]用GOES系列中不同衛(wèi)星的高能電子觀測數(shù)據(jù),論述了用相空間密度實現(xiàn)不同衛(wèi)星/不同探測器間粒子觀測數(shù)據(jù)交叉標校的可行性.

GOES系列衛(wèi)星是美國的地球同步軌道氣象衛(wèi)星.自70年代開始,該系列衛(wèi)星一直持續(xù)搭載空間環(huán)境探測儀器,觀測空間高能粒子及太陽X射線,其觀測數(shù)據(jù)時間跨度長,連續(xù)性和一致性良好,被廣泛應用于磁層空間環(huán)境的特性研究及粒子輻射環(huán)境建模[9,10].因此,GOES空間環(huán)境數(shù)據(jù)被認為是較理想的地球同步軌道交叉定標參照數(shù)據(jù).王馨悅等[11]曾用FY2D衛(wèi)星與GOES衛(wèi)星進行過空間粒子觀測結果的對比分析,于超等[12]將風云二號C/D衛(wèi)星與GOES衛(wèi)星的太陽X射線探測數(shù)據(jù)進行過交叉比對.

風云四號A星(FY-4A)是我國新一代地球同步軌道氣象衛(wèi)星,該衛(wèi)星上安裝有高能粒子探測器對衛(wèi)星軌道的高能粒子環(huán)境進行觀測.本文是以GOES-13衛(wèi)星觀測通量為參照數(shù)據(jù),在Lm坐標下,開展FY-4A和GOES-13相對論電子(>2 MeV)觀測數(shù)據(jù)交叉定標工作,得到FY-4A衛(wèi)星相對論電子觀測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)偏差,并根據(jù)該研究成果,進行兩個探測系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)之間的融合處理.本研究成果將為FY-4A衛(wèi)星相對論電子觀測數(shù)據(jù)應用于后續(xù)的理論、預報、建模等研究打下堅實基礎,也可為地球同步軌道其他能道電子觀測數(shù)據(jù)的在軌交叉定標提供參考方法.

2 儀器和數(shù)據(jù)

2.1 衛(wèi)星和高能粒子探測器簡介

FY-4A于2016年12月11日發(fā)射,定點于高度為36000 km、經度為東經105°的地球同步軌道,設計壽命7年.FY-4A上安裝有中國科學院國家空間科學中心研制的最新一代地球同步軌道空間高能粒子探測系統(tǒng).該系統(tǒng)由性能指標完全相同的三臺高能粒子探測器A機、B機和C機組成.A機安裝在衛(wèi)星朝天面,B機和C機分別安裝在衛(wèi)星正東面和正西面.三臺探測器對空間帶電粒子環(huán)境實施24小時的動態(tài)監(jiān)測,是我國最重要的地球同步軌道帶電粒子觀測數(shù)據(jù)來源之一.每臺探測器包含 4 個望遠鏡系統(tǒng),分別是 HET1,HET2,HET3和HPT1望遠鏡系統(tǒng).其中HET2可觀測能量大于1.5 MeV的相對論電子積分通量,其能量范圍見表1.

GOES-13衛(wèi)星是美國第四代地球同步軌道氣象衛(wèi)星(西經 75°,軌道高度 36000 km),發(fā)射于2006年5月24日.該衛(wèi)星上安裝有兩臺EPEAED(energetic proton,electron,alpha detector)探測器,分別指向正東和正西方向,用于觀測高能電子積分通量,其能量范圍見表1.

表1 FY-4A 和 GOES-13 高能電子觀測能譜Table 1. Energy spectrum of FY-4A and GOES-13 energetic electron detector.

2.2 數(shù)據(jù)

如表1所列,能量大于2 MeV的電子通量是FY-4A和GOES-13共同的觀測對象,本研究工作對該能量范圍的觀測數(shù)據(jù)進行交叉定標和融合研究.由于FY-4A衛(wèi)星A機探測器指向是朝天方向,GOES-13衛(wèi)星沒有與之接近的探測方向,所以A機數(shù)據(jù)不做比較.FY-4A衛(wèi)星B機和C機探測方向分別與GOES-13衛(wèi)星正東和正西方向的EPEAED探測器指向相同,因此,本項工作對兩顆衛(wèi)星東、西方向的觀測數(shù)據(jù)進行研究.

所用FY-4A衛(wèi)星高能電子積分通量觀測數(shù)據(jù)來自國家空間天氣監(jiān)測預警中心.GOES-13衛(wèi)星高能電子積分通量的數(shù)據(jù)源自NOAA的國家地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC)(下載網址:https://satdat.ngdc.noaa.gov/sem/).NGDC公布的GOES-13高能電子通量數(shù)據(jù)為5 min平均數(shù)據(jù),時間截止于2017年底.故本研究選用了2017年1月1日至2017年12月16日內所有的觀測數(shù)據(jù),并將FY-4A原始觀測數(shù)據(jù)進行 5 min平均,得到與GOES-13時間分辨率相同的可比較數(shù)據(jù).地磁指數(shù)(Dst,Kp)、太陽風參數(shù)(速度v、壓力Pdyn)、行星際磁場參數(shù)(行星際磁場y分量、z分量)等數(shù)據(jù)來自NASA的OMNI數(shù)據(jù)庫(下載網址:https://cdaweb.sci.gsfc.nasa.gov/index.html/).

本文的一個必要條件是觀測的粒子是被地磁場穩(wěn)定捕獲的輻射帶粒子.在磁層環(huán)境較為寧靜時,地球同步軌道上觀測到的相對論電子是被地磁場捕獲的外輻射帶粒子[13].為保證研究的必要條件成立,根據(jù)采樣時的地磁場活動狀態(tài),對觀測數(shù)據(jù)進行嚴格篩選,要求Kp<2,即地磁場活動處于非常寧靜的狀態(tài).

圖1列舉了2017年3月3日至8日,兩顆衛(wèi)星相對論電子積分通量5 min平均值隨時間的變化,圖中的角標east和west分別代表指向為正東和正西方向的探測器探測到的電子積分通量.由圖1可見:

1)兩顆衛(wèi)星觀測到的相對論電子通量均呈現(xiàn)明顯的日變化,即以24 h為周期,規(guī)律地達到峰值和谷值;

2)兩顆衛(wèi)星觀測到的電子通量相位變化完全相反,這是由于 FY-4A 定點于東經 105°,GOES-13定點于西經75°,二者所處地方時正好相差12 h,表明兩顆衛(wèi)星觀測到的相對論電子通量的地方時變化趨勢完全一致;

3)GOES-13觀測到的電子通量值整體高于FY-4A,表明兩個探測系統(tǒng)之間存在系統(tǒng)偏差,為實現(xiàn)兩個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)融合,需要通過在軌數(shù)據(jù)交叉定標,得到兩個探測系統(tǒng)間的偏差.

圖1 2017年3月3日至 9日 FY-4A 和 GOES-13衛(wèi)星高能(>2 MeV)電子積分通量Fig.1.Fluxes of relativistic electron(>2 MeV)from FY-4A and GOES-13 during March 3–9,2017.

3 方法與結果

3.1 基礎理論闡述

地球輻射帶粒子有三種基本運動:環(huán)繞磁力線的回旋運動、沿著磁力線的彈跳運動和垂直磁力線的漂移運動.與這三種運動相對應,有3個絕熱不變量:磁矩不變量μ,其定義見(1)式;縱向積分不變量J,其定義見(2)式;磁通不變量F,其定義見(3)式.

其中:(1)式中Ek⊥代表的是粒子在垂直磁場運動的動能,B為磁場強度;(2)式中sM1和sM代表兩個磁鏡點,m為運動粒子的質量,v//是粒子平行于磁場方向的運動速度,ds為線元;(3)式中B為地磁場強度,dS為面積元.這3個不變量組成了可以唯一描述粒子的相空間坐標.根據(jù)Liouville定理,被穩(wěn)定捕獲的輻射帶粒子在相同的相空間坐標下,其相空間密度不變[14].

如前文所述,本項研究對相對論電子觀測數(shù)據(jù)的嚴格篩選,保證了被觀測粒子是被地磁場穩(wěn)定捕獲的外輻射帶粒子,在相同的相空間坐標下,觀測到的相對論電子相空間密度不變.由定義可知,在相同的磁場條件下,粒子能量相同則μ相同,粒子方向相同(投擲角相同)則J相同.對于方向相同的捕獲粒子,磁通不變量F相同,可近似為漂移殼Lm相同[15].對本文研究的FY-4A和GOES-13相對論電子(>2 MeV)而言,其能量、方向和軌道都相同,故而所處磁場條件相同.因此,Liouville定理可簡化為漂移殼Lm相同則通量相同,在相同漂移殼坐標Lm下比較兩顆衛(wèi)星觀測到的電子通量,即可得到兩顆衛(wèi)星探測器之間的系統(tǒng)偏差.

3.2 Lm值計算

McCollough等[16]的研究表明,在地球磁場寧靜期,地磁場模型Tsyganenko2001(T02)的計算結果最為準確.本文用IRBEM-4.4.0軟件(該軟件是由SOURCEFORGE網站提供,下載網址https://sourceforge.net/projects/irbem/)所包含的T02磁場模型進行磁場及Lm計算.T02模型的輸入?yún)?shù)為:地磁活動指數(shù)Dst、太陽風動壓Pdyn,行星際磁場y分量的絕對值|By|,行星際磁場z分量的絕對值|Bz|,以及根據(jù)行星際相關數(shù)據(jù)合成的輸入?yún)?shù)G1和G2[16],兩個合成參數(shù)定義如下:

其中符號〈·〉代表的是一個小時內的平均值;

圖2 FY-4A 和 GOES-13 相對論電子觀測數(shù)據(jù)對應的Lm值計算結果Fig.2.Lm values calculated by T02 for FY-4A and GOES-13 relativistic electron observations.

式中n是太陽風速度,By和Bz分別是行星際磁場的y分量和z分量.

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)的時間和對應的模型輸入?yún)?shù),用T02模型分別計算得到FY-4A和GOES-13相對論電子觀測數(shù)據(jù)對應的漂移殼參數(shù)Lm.圖2列舉了兩個時間段內(世界時),分別與FY-4A衛(wèi)星和GOES-13衛(wèi)星相對論電子觀測數(shù)據(jù)對應的Lm值計算結果.圖2顯示兩顆衛(wèi)星的Lm值隨世界時變化相位相反,這是因為兩顆衛(wèi)星地方時正好相差12 h;兩顆衛(wèi)星的Lm值范圍大致相當,表明兩顆衛(wèi)星的粒子觀測數(shù)據(jù)可以在Lm坐標下開展,是具有統(tǒng)計意義的交叉比較.

3.3 在Lm坐標下相對論電子積分通量交叉定標

在地球同步軌道高度,輻射帶穩(wěn)定捕獲的粒子存活時間為2—3 d[17].為保證參與比校的相對論電子是在同一壽命周期內被穩(wěn)定捕獲的粒子,本文以2 d為時間步長,將篩選出的通量數(shù)據(jù)劃分成基本比較單元.接下來以0.01的步長值對Lm進行網格劃分,在某個基本比較單元內,兩顆衛(wèi)星相對論電子通量數(shù)據(jù)各自的Lm值落在同一網格內,則這些通量數(shù)據(jù)即為該比較單元內、該Lm網格上的比較樣本.分別將兩顆衛(wèi)星在每個Lm網格中的比較樣本各自做平均處理,就可以得到每個比較單元內、每個Lm網格上,兩顆衛(wèi)星“一一對應”的相對論電子通量數(shù)據(jù)(flux-FY-4A,flux-GOES-13).具體算法如下:

若落在區(qū)間(Lm(i–1),Lm(i))的某衛(wèi)星的Lm值有Lm(i)_1,Lm(i)_2,Lm(i)_3,···Lm(i)_n(n=num),則該區(qū)間對應的電子積分通量均值為

進行這樣的計算,就可以得出2017年1月1日至2017年12月16日內所有的FY-4A和GOES-13衛(wèi)星電子積分通量數(shù)據(jù)集合.

以處理得到的FY-4A電子積分通量數(shù)值為橫坐標軸,GOES-13電子積分通量數(shù)值為縱坐標軸,繪制log坐標下的散點圖.圖3和圖4分別是探測器指向正東和正西的結果.圖中散點表征了在相同的存活周期內,FY-4A和GOES-13衛(wèi)星觀測到的相對論電子(>2 MeV)積分通量的對應關系.用最小二乘法對這些散點做線性擬合,得到如圖3和圖4紅線所示的線性關系.圖中C為擬合直線的斜率,正東方向和正西方向C值分別為2.63和2.68;P為擬合直線的截距,正東方向和正西方向P值分別為26.18和–50.31;C和P定量地描述了FY-4A和GOES-13之間對能量大于2 MeV電子觀測的系統(tǒng)偏差.

圖3 正東方向 FY-4A 和 GOES-13“一一對應”的相對論電子通量及擬合得到的系統(tǒng)偏差Fig.3.Corresponding relationship between relativistic electron fluxes from FY-4A and GOES-13 detectors facing east and the system deviation between them.

圖4 正西方向 FY-4A 和 GOES-13“一一對應”的相對論電子通量及擬合得到的系統(tǒng)偏差Fig.4.Corresponding relationship between relativistic electron fluxes from FY-4A and GOES-13 detectors facing west and the system deviation between them.

3.4 數(shù)據(jù)融合處理

根據(jù)交叉定標得到的結果,即可進行消除FY-4A和GOES-13相對論電子觀測系統(tǒng)偏差的數(shù)據(jù)融合處理,處理方法見(11)式:

將 FY-4A觀測的 2017年1月1日至 2017年12月16日內所有的電子通量flux_FY-4A利用得到的系統(tǒng)偏差參數(shù)C和P處理得到flux'_FY-4A之后,和GOES13 觀測數(shù)據(jù)匹配繪制散點圖.圖5和圖6所示分別為對圖3和圖4中數(shù)據(jù)做融合處理后的結果.正東方向擬合直線斜率為0.97,截距為1.58.正西方向擬合直線斜率為0.98,截距為–0.21.表明兩種探測之間的系統(tǒng)偏差得到很好的消除,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合.

圖5 正東方向 FY-4A 和 GOES-13 相對論電子通量數(shù)據(jù)擬合Fig.5.Relativistic electron flux fitting of FY-4A and GOES-13 detectors facing east.

圖6 正東方向 FY-4A 和 GOES-13 相對論電子通量擬合Fig.6.Relativistic electron flux fitting of FY-4A and GOES-13 detectors facing west.

交叉定標得到的系統(tǒng)偏差是兩個探測系統(tǒng)之間存在的固有偏差,該誤差是源于兩套探測系統(tǒng)器件和設計差異所造成的,與觀測對象的通量高低、是否輻射帶穩(wěn)定捕獲粒子等特性無關,該結果是可以應用于任何地磁場活動之下的兩個系統(tǒng)之間觀測結果的數(shù)據(jù)融合處理.當兩個探測系統(tǒng)在軌持續(xù)工作若干年后,會出現(xiàn)由于傳感器效率衰減而產生誤差,針對這種由儀器的衰減造成誤差的影響,需要重新進行儀器性能衰減評估和誤差結果修正分析.

4 結 語

FY-4A是我國最新一代地球同步軌道氣象衛(wèi)星,設計壽命7年.該衛(wèi)星上安裝有我國最新的高能粒子探測器,可持續(xù)開展高能粒子通量的就位觀測,是我國地球同步軌道最重要的高能粒子觀測數(shù)據(jù)來源之一.GOES-13衛(wèi)星是美國第四代地球同步軌道氣象衛(wèi)星,同樣開展高能粒子通量觀測.由于GOES系列衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)時間跨度長,連續(xù)性和一致性良好,被認為是較理想的地球同步軌道交叉定標參照數(shù)據(jù).

為滿足相關物理機制和建模研究對觀測數(shù)據(jù)一致性的需求,本文對FY-4A和GOES-13相對論電子(>2 MeV)觀測數(shù)據(jù)開展在軌交叉定標及數(shù)據(jù)融合研究.本工作嚴格篩選出地磁寧靜期(Kp<2)的觀測數(shù)據(jù),以保證研究對象是被地磁場穩(wěn)定捕獲的輻射帶粒子.根據(jù)輻射帶粒子的物理特性,以Liouville定理為依據(jù),在漂移殼Lm坐標下統(tǒng)計比較兩顆衛(wèi)星觀測到的電子通量,得到兩顆衛(wèi)星相對論電子觀測之間的系統(tǒng)偏差.依據(jù)該結果,進行數(shù)據(jù)融合處理,結果表明系統(tǒng)偏差得以很好地消除.

通過本項研究工作,得到了國際上重要的兩個地球同步軌道相對論電子觀測系統(tǒng)之間的偏差,并根據(jù)該研究成果,成功實現(xiàn)了兩個探測系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)之間的融合,為后續(xù)的理論和應用研究工作打下了堅實的基礎,也為地球同步軌道其他能道高能電子觀測數(shù)據(jù)的在軌交叉定標和數(shù)據(jù)融合提供了參考方法.

感謝美國NOAA國家地球物理數(shù)據(jù)中心(National Geophysical Data Center)提供 GOES-13 相對論電子觀測數(shù)據(jù);感謝 NASA CDAWeb 提供 OMNI數(shù)據(jù);感謝蘭州重離子加速器國家實驗室(HIRFL)提供探測器地面定標條件;感謝國家空間科學中心空間電子模擬測試定標設施(NSSC-SEF)提供探測器地面定標條件.