AP9/AE9/SPM輻射環(huán)境模型研究

田天，常崢，馬杰，白鈞水，王舸，李楊

（1.國(guó)防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073；2.北京市5111信箱，北京 100094；3.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190）

空間輻射環(huán)境是引起航天器材料和器件性能退化甚至失效的主要環(huán)境因素，近地軌道帶電粒子輻射主要來(lái)源于地球輻射帶、太陽(yáng)宇宙線(xiàn)和銀河宇宙線(xiàn)。地球輻射帶是指地球磁層中被地磁場(chǎng)捕獲的高能帶電粒子區(qū)域。常用的地球輻射環(huán)境模型包括美國(guó)NASA研發(fā)的AP/AE系列模型、CRRESPRO質(zhì)子模型、NOAAPRO質(zhì)子模型、CRRESELE電子模型、POLE電子模型等。其中，AP/AE系列模型中的AP8/AE8更是被世界各國(guó)普遍采用，但由于A(yíng)P8/AE8模型建模數(shù)據(jù)距今已經(jīng)超過(guò)40年，并且AP8/AE8本質(zhì)上屬于靜態(tài)模型，不能提供輻射帶對(duì)各種空間環(huán)境突發(fā)性擾動(dòng)事件響應(yīng)，在使用過(guò)程中逐漸暴露出一系列問(wèn)題。為了更好地滿(mǎn)足衛(wèi)星設(shè)計(jì)需求，2006年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（Air Force Research Laboratory，AFRL）與麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室、航空航天公司、大氣和環(huán)境研究公司、洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和波士頓學(xué)院科學(xué)研究所合作，開(kāi)發(fā)了新一代輻射環(huán)境模型。這個(gè)新模型的質(zhì)子和電子版本被分別命名為AP9和AE9，等離子體模型被命名為SPM（Standard Plasma Model）。AP9/AE9/SPM是一套用于空間系統(tǒng)設(shè)計(jì)、任務(wù)規(guī)劃和其他氣候規(guī)范應(yīng)用的近地空間輻射環(huán)境模型。該模型為Windows用戶(hù)提供可執(zhí)行版本，而開(kāi)發(fā)人員或UNIX用戶(hù)，可以受限地從AFRL請(qǐng)求源代碼。發(fā)布的軟件包括模型軟件、用戶(hù)指南、驗(yàn)證報(bào)告和其他常規(guī)文檔。完整的技術(shù)文檔由https://www.vdl.afrl.af.mil/programs/AE9AP9/網(wǎng)站提供。截至到2017年12月1日，AP9/AE9/SPM共發(fā)布了11個(gè)版本，最新版本為V1.50.001。

1 發(fā)展歷程和模型能力

自2006年開(kāi)始研發(fā)，AP9/AE9/SPM歷經(jīng)了15年的發(fā)展歷程，伴隨探測(cè)數(shù)據(jù)的不斷豐富和基礎(chǔ)物理模式的更新，截至到2017年，AP9/AE9/SPM推出了一系列版本。AP9/AE9/SPM已經(jīng)發(fā)布的11個(gè)版本的情況見(jiàn)表1。由表1可以看出，AP9/AE9/SPM每次發(fā)布的新版本與前一個(gè)版本相比都會(huì)有顯著的改進(jìn)，例如增加了新數(shù)據(jù)或者采用了新算法。這種“螺旋式上升”的研發(fā)途徑，會(huì)使AP9/AE9/SPM功能性能逐漸完善，以滿(mǎn)足用戶(hù)的最終需求。

表1 AP9/AE9/SPM已經(jīng)發(fā)布的11個(gè)版本及其特點(diǎn)Tab.1 Released versions and characteristics of AP9/AE9/SPM

AP9/AE9/SPM在研發(fā)過(guò)程中不斷吸收新的探測(cè)數(shù)據(jù)。AP9/AE9/SPM的第一個(gè)正式版本V1.00使用了31組數(shù)據(jù)，而到2017年12月，發(fā)布的V1.50使用了45個(gè)長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集。這些數(shù)據(jù)集跨越了多個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期，可以更好地反應(yīng)各種空間環(huán)境狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)特征。AP9/AE9/SPM的未來(lái)版本還將吸收NASA的范艾倫探針（Van Allen Probes satellites）衛(wèi)星和演示與科學(xué)實(shí)驗(yàn)（Demonstration and Science Experiments，DSX）任務(wù)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。AP9/AE9/SPM使用數(shù)據(jù)的基本情況見(jiàn)表2，AP9/AE9/SPM V1.5版本的能量和空間覆蓋范圍見(jiàn)表3。可以看出，最新的AP9/AE9/SPM模型能覆蓋完整的輻射帶空間，在能量覆蓋范圍上，也基本實(shí)現(xiàn)了電子和質(zhì)子能量范圍的全覆蓋，模型能力得到很大提升。

表2 AP9/AE9/SPM使用的衛(wèi)星、衛(wèi)星軌道、數(shù)據(jù)覆蓋的時(shí)間范圍和能量范圍Tab.2 Satellite, satellite orbit, time range and energy range of data used for AP9/AE9/SPM

表3 AP9/AE9/SPM的能量和空間覆蓋范圍Tab.3 Species and spatial/energy ranges covered by the AE9/AP9/SPM models

2 模型使用方法

AP9/AE9/SPM模型提供2種靈活的使用方式，分別是命令行CmdLineAE9AP9和圖形用戶(hù)接口（Graphical User Interface，GUI）應(yīng)用程序AE9AP9Gui。命令行應(yīng)用程序CmdLineAE9AP9從用戶(hù)構(gòu)建的輸入文件中加載模型參數(shù)和軌道位置規(guī)范，并根據(jù)要求生成一組相應(yīng)的輸出文件，其中包含星歷、通量、劑量等計(jì)算結(jié)果。GUI應(yīng)用程序AE9AP9Gui為CmdLineAE9AP9應(yīng)用程序提供了一個(gè)圖形前端，用戶(hù)可以方便地進(jìn)行軌道路徑和各種模型參數(shù)的設(shè)置，根據(jù)設(shè)置生成輸入文件后，自動(dòng)執(zhí)行CmdLineAE9AP9應(yīng)用程序，模型結(jié)果以二維圖像的形式進(jìn)行顯示。

2.1 模型輸入

CmdLineAE9AP9輸入文件設(shè)置可以在邏輯上分為以下5個(gè)類(lèi)別。

1）基本模型輸入：模型核心參數(shù)，模型運(yùn)行必須要設(shè)置的基本參數(shù)。表4概要介紹了CmdLine AE9AP9模型的基本輸入。

表4 AP9/AE9/SPM命令行應(yīng)用程序的基本模型輸入Tab.4 Basic model input for AP9/AE9/SPM command line applications

2）高級(jí)模型輸入：用于輸入/輸出格式和投擲角的可選設(shè)置。

3）累積和匯總輸入：用于復(fù)雜輸出結(jié)果的可選設(shè)置。

4）劑量計(jì)算輸入：用于驅(qū)動(dòng)SHIELDOSE-2模型計(jì)算的可選設(shè)置。

5）軌道推算算法輸入：用于生成軌道星歷的可選設(shè)置。

續(xù)表4 AP9/AE9/SPM命令行應(yīng)用程序的基本模型輸入Tab.4 Basic model input for AP9/AE9/SPM command line applications

AP9/AE9/SPM除了需要輸入模型類(lèi)型、航天器星歷、驅(qū)動(dòng)模型的數(shù)據(jù)庫(kù)文件、粒子能量等基本模型輸入?yún)?shù)以外，還可根據(jù)需要選擇或者設(shè)置相關(guān)的高級(jí)模型輸入?yún)?shù)、累積和匯總輸入?yún)?shù)、劑量計(jì)算輸入?yún)?shù)和軌道推算算法參數(shù)。比如，AP9/AE9/SPM集成了AP8/AE8、CRRESPRO/ELE和SHIELDOSE-2程序，如果需要使用以上模型或程序時(shí)，輸入中還應(yīng)該包括AP8/AE8模式、CRRESPRO/ELE模式和SHIELDOSE-2程序所需的各項(xiàng)參數(shù)。具體參數(shù)的使用可查閱AE9/AP9/SPM輻射環(huán)境模型使用手冊(cè)。

AE9AP9Gui應(yīng)用程序?yàn)槭褂肅mdLineAE9AP9應(yīng)用程序執(zhí)行模型運(yùn)行提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的圖形用戶(hù)界面。用戶(hù)在界面中作出選擇和設(shè)置，即可生成并執(zhí)行具有相應(yīng)參數(shù)設(shè)置的模型運(yùn)行輸入文件，模型計(jì)算結(jié)果以二維圖像進(jìn)行展示。

GUI控件被分為3個(gè)標(biāo)簽頁(yè)，分別標(biāo)記為“衛(wèi)星”、“模型”和“繪圖”，遵循典型的模型運(yùn)行會(huì)話(huà)進(jìn)程：軌道路徑在“衛(wèi)星”標(biāo)簽頁(yè)上定義；輻射環(huán)境模型在“模型”標(biāo)簽頁(yè)選擇、配置和執(zhí)行；模型運(yùn)行結(jié)果使用“繪圖”標(biāo)簽頁(yè)顯示。

1）衛(wèi)星標(biāo)簽頁(yè)。通過(guò)衛(wèi)星標(biāo)簽頁(yè)設(shè)置軌道規(guī)格類(lèi)型，選擇軌道推算算法，設(shè)定軌道參數(shù)以及時(shí)間等必要信息，這些信息用于定義特定時(shí)間段和時(shí)間步長(zhǎng)沿衛(wèi)星軌道路徑計(jì)算輻射環(huán)境模型值的時(shí)間和軌道位置。

2）模型標(biāo)簽頁(yè)。通過(guò)模型標(biāo)簽頁(yè)設(shè)置模型的運(yùn)行路徑、運(yùn)行名稱(chēng)、模型名稱(chēng)、電子/質(zhì)子能量，等效Al屏蔽層厚度、通量/流量類(lèi)型等需要用戶(hù)指定的參數(shù)，用于計(jì)算在已定義的星歷表位置上的模型結(jié)果。

3）繪圖標(biāo)簽頁(yè)。繪圖標(biāo)簽頁(yè)是對(duì)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行二維圖像顯示。

AP9/AE9/SPM的模型輸出包括：對(duì)應(yīng)輸入時(shí)空位置的粒子通量、累積輻射總劑量和輻射劑量增長(zhǎng)率的仿真結(jié)果。由于 AP9/AE9/SPM 集成了SHIELDOSE-2程序，因此可以使用輸出的粒子通量，結(jié)合輸入中的有關(guān)參數(shù)，包括等效Al屏蔽厚度、目標(biāo)探測(cè)器類(lèi)型、充電介質(zhì)的幾何形狀、考慮的核反應(yīng)類(lèi)型等信息，計(jì)算出輸入時(shí)間段內(nèi)的累積輻射總劑量和輻射劑量增長(zhǎng)率。

3 模型特點(diǎn)

AP9/AE9/SPM模型不斷地將最新的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和理論知識(shí)進(jìn)行整合，衛(wèi)星設(shè)計(jì)人員可以使用該模型為穿越地球輻射帶的發(fā)射任務(wù)制定輻射規(guī)范。該模型涵蓋了從keV到GeV能量的捕獲粒子和等離子體。它提供了均值和瞬態(tài)環(huán)境，并采用置信度水平進(jìn)行評(píng)估。與以往的輻射環(huán)境模型相比，AP9/AE9/SPM有許多重要改進(jìn)，包括以下內(nèi)容：

1）擴(kuò)展能量覆蓋范圍。以往的模型能量范圍一般僅覆蓋高能質(zhì)子和/或高能電子，AP9/AE9/SPM能量覆蓋范圍擴(kuò)展到了等離子體。

2）增加了空間粒子分布和計(jì)算結(jié)果不確定度的描述。以往的模型以單一數(shù)值的方式表示輻射帶狀態(tài)，AP9/AE9/SPM用統(tǒng)計(jì)學(xué)方式描述空間粒子分布和計(jì)算結(jié)果的不確定度。

3）增加了輻射帶粒子隨時(shí)間演化的描述。以往的模型不能表示輻射帶的時(shí)間演化，或僅能單獨(dú)給出幾個(gè)離散的狀態(tài)。AP9/AE9/SPM基于統(tǒng)計(jì)方式給出了輻射帶粒子隨時(shí)間的演化，在時(shí)間演化中考慮了多種粒子輻射效應(yīng)對(duì)應(yīng)的特征時(shí)間尺度。

4）更加靈活便捷的使用方式。以往的模型一般以應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）形式提供給用戶(hù)，要求用戶(hù)具備一定的編程能力，使用起來(lái)有一定難度。AP9/AE9/SPM以應(yīng)用程序或圖形界面的形式提供給用戶(hù)，程序運(yùn)行在命令行或圖形模式下，包含輸入和輸出界面，用戶(hù)體驗(yàn)較好。同時(shí)，AP9/AE9/SPM也保留了API模式，用于應(yīng)用程序的擴(kuò)展和滿(mǎn)足某些用戶(hù)的二次開(kāi)發(fā)需求。程序除了包含有AP9/AE9/SPM的功能以外，還集成了劑量計(jì)算程序SHIELDOSE-2、輻射環(huán)境模型AP8/AE8、CRRESPRO、CRRESELE和等離子體模型CAMMICE/MICS。

4 模型局限性

目前，AP9/AE9/SPM最新版本V1.50仍然存在一些局限性，這些局限主要是由以下2方面原因引起。其一是某些特定能量、空間和時(shí)間范圍的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少甚至缺失；另外，AP9/AE9/SPM集成了特定的外部模型，而這些外部模型又具有各自的局限性。AP9/AE9/SPM的局限性主要包括：

1）不能描述太陽(yáng)活動(dòng)周變化，特別是LEO軌道質(zhì)子變化。

2）LEO區(qū)域<20 MeV質(zhì)子通量的不確定性過(guò)大，這是由衛(wèi)星實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性較低以及數(shù)據(jù)覆蓋稀疏造成的。

3）LEO區(qū)域粒子通量沿高度的變化梯度存在較大的不確定性。

4）內(nèi)輻射帶所有能量電子的誤差棒不準(zhǔn)確。范艾倫探針的探測(cè)結(jié)果表明，內(nèi)輻射帶內(nèi)不存在>1.5 MeV的電子。這與過(guò)去的探測(cè)結(jié)果相矛盾，目前尚不清楚內(nèi)輻射帶的這一狀態(tài)是臨時(shí)性的還是常態(tài)。

5）目前AP9估算的內(nèi)輻射帶質(zhì)子通量水平過(guò)高，希望通過(guò)改進(jìn)范艾倫探針數(shù)據(jù)的處理，在未來(lái)版本中解決這一問(wèn)題。

6）在特定的區(qū)域和狀態(tài)下，AP9沿同一路徑估算的通量會(huì)出現(xiàn)不連貫的現(xiàn)象。這是由于模型中低高度和較高高度2個(gè)區(qū)域的通量是分開(kāi)計(jì)算的，模型對(duì)這2部分結(jié)果的銜接處理不足。這一現(xiàn)象預(yù)計(jì)隨著建模數(shù)據(jù)的積累會(huì)逐步得到解決。

7）SPM的誤差棒比實(shí)際的不確定度要低，特別是O和電子。O和He模型僅由1個(gè)數(shù)據(jù)集構(gòu)建，不能通過(guò)測(cè)量不同數(shù)據(jù)集之間的不一致性確定不確定度。

8）SPM不包含磁地方時(shí)變化，未來(lái)版本將會(huì)解決這一問(wèn)題。

9）模型不能對(duì)非捕獲粒子（如太陽(yáng)質(zhì)子）進(jìn)行計(jì)算，未來(lái)版本將會(huì)解決這一問(wèn)題。

10）采用國(guó)際地磁參考場(chǎng)模型（International Geomagnetic Reference Field，IGRF）描述主地磁場(chǎng)，受IGRF自身系數(shù)表的限制，2020年1月1日以后的地磁場(chǎng)變化將不能被描述，后續(xù)的模型研發(fā)可能會(huì)使模型具備跨越該日期的能力。

11）IGRF每5年更新1次系數(shù)，如果分別使用新、舊系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果之間的均方根誤差大約為1%。如果將這1%的誤差引入到模型對(duì)通量的計(jì)算中，可能會(huì)帶來(lái)5%~15%的均方根誤差。當(dāng)模型的新、舊版本使用的IGRF系數(shù)不同時(shí)，對(duì)同一場(chǎng)景的計(jì)算結(jié)果會(huì)有較大差距。

12）即使在使用多線(xiàn)程處理的情況下，輻射劑量的計(jì)算速度依然較慢，未來(lái)版本將通過(guò)采用新計(jì)算內(nèi)核和調(diào)整并行任務(wù)的調(diào)度算法來(lái)改善計(jì)算性能。

13）目前32位Windows平臺(tái)還不支持命令行模式和API模型下的多線(xiàn)程運(yùn)行，這是因?yàn)镮ntel當(dāng)前版本的消息傳遞接口（Message Passing Interface，MPI）庫(kù)對(duì)該平臺(tái)的支持不好。

5 發(fā)展趨勢(shì)

AE9/AP9/SPM輻射環(huán)境模型仍在不斷發(fā)展，它可用于指導(dǎo)航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用于評(píng)估航天器運(yùn)行過(guò)程中可能遭受的平均和最壞空間輻射環(huán)境情況。模型每1~2年更新1次，包括新數(shù)據(jù)、新算法和新理論的使用。目前V1.5版本的最明顯改進(jìn)在于添加了新的數(shù)據(jù)源，極大地提高了模型的空間覆蓋范圍。在V1.5版本發(fā)布后，開(kāi)發(fā)小組將繼續(xù)向AE9/AP9/SPM模型添加新功能。具體來(lái)說(shuō)，V1.6版本將增加新的范艾倫探針衛(wèi)星數(shù)據(jù)；V2.0版將過(guò)渡到模塊化體系結(jié)構(gòu)，加入新的質(zhì)子模型；V2.5版除了添加新的模型，還會(huì)使用DSX和Arase衛(wèi)星探測(cè)的新數(shù)據(jù)。

隨著AE9/AP9/SPM模型的不斷發(fā)展，國(guó)際合作越來(lái)越密切，AE9/AP9/SPM從V1.5版本開(kāi)始向國(guó)際近地輻射環(huán)境（International Radiation Environment Near Earth，IRENE）命名法過(guò)渡。在過(guò)渡期間，AE9/AP9/SPM和IRENE命名法將一起使用，在此之后，模型將簡(jiǎn)單地稱(chēng)為IRENE。

6 結(jié)語(yǔ)

新一代輻射環(huán)境模型AP9/AE9/SPM是一套用于空間系統(tǒng)設(shè)計(jì)、任務(wù)規(guī)劃和其他氣候規(guī)范應(yīng)用的近地空間輻射環(huán)境模型，可用于指導(dǎo)航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，評(píng)估航天器運(yùn)行過(guò)程中可能遭受的平均和最壞空間輻射環(huán)境情況。與以往模型相比，AP9/AE9/SPM不斷將最新的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和理論知識(shí)進(jìn)行整合，擴(kuò)展了模型能量覆蓋范圍，增加了空間粒子分布和計(jì)算結(jié)果不確定度的描述，使得模型使用更加靈活便捷，提供了命令行應(yīng)用程序和圖形用戶(hù)接口應(yīng)用程序2種使用方式。新的AP9/AE9/SPM輻射環(huán)境模型能覆蓋完整的輻射帶空間，基本實(shí)現(xiàn)了電子和質(zhì)子能量范圍的全覆蓋。但目前最新版本的AP9/AE9/SPM仍然存在一些局限，比如不能描述太陽(yáng)活動(dòng)周變化，LEO上<20 MeV質(zhì)子通量的不確定性過(guò)大等。部分局限是由于某些特定能量、空間和時(shí)間范圍的輻射帶實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少甚至缺失造成的，另外一些局限是由集成到AP9/AE9/SPM的外部模型自身固有缺陷造成的。

隨著輻射帶探測(cè)數(shù)據(jù)的積累和人類(lèi)對(duì)輻射帶機(jī)理的進(jìn)一步認(rèn)知，AP9/AE9/SPM模型的不斷發(fā)展會(huì)為航天器設(shè)計(jì)提供更精確的輻射帶和等離子體環(huán)境描述。本文對(duì)AP9/AE9/SPM輻射環(huán)境模型的發(fā)展歷程、建模數(shù)據(jù)、模型能力、模型使用方法、模型特點(diǎn)、局限性以及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了系統(tǒng)描述，可幫助用戶(hù)正確使用AP9/AE9/SPM輻射環(huán)境模型，為我國(guó)自主輻射環(huán)境模型研發(fā)提供參考。