中國氣象局為“天宮一號(hào)”安全運(yùn)行提供空間天氣保障服務(wù)

【字體：大 中 小】 2011-08-15 15:22:09   來源： 中國天氣網(wǎng)

“天宮一號(hào)”的重量有8噸，使用壽命兩年，類似于一個(gè)小型的太空空間實(shí)驗(yàn)室。在發(fā)射后的兩年中，中國將相繼發(fā)射神舟8、9、10號(hào)飛船，分別與“天宮一號(hào)”實(shí)現(xiàn)對(duì)接。“天宮一號(hào)”是我國空間站實(shí)驗(yàn)飛船，載人航天二步一階段第一艘飛船，是建立我國自主空間站的基礎(chǔ)工程，飛船系統(tǒng)更加先進(jìn)和復(fù)雜,對(duì)空間環(huán)境狀況及其可能對(duì)任務(wù)各系統(tǒng)的影響的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)對(duì)于天宮一號(hào)任務(wù)的圓滿完成至關(guān)重要。

影響“天宮一號(hào)”安全運(yùn)行的空間天氣要素主要有：高能帶電粒子、沉降粒子、高層大氣、電離層和空間碎片，它們?cè)斐傻挠泻π?yīng)包括：?jiǎn)瘟Ｗ邮录?、表面和深層充電效?yīng)、總劑量效應(yīng)、軌道衰變、姿態(tài)改變、定軌誤差、通訊中斷和碎片撞擊。因此，在飛船的發(fā)射和運(yùn)行期間應(yīng)當(dāng)對(duì)這些空間天氣要素進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，對(duì)可能發(fā)生的嚴(yán)重空間天氣擾動(dòng)事件做出警報(bào)，保障飛船的順利發(fā)射和安全的在軌運(yùn)行。

國家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心將在太陽活動(dòng)、空間輻射環(huán)境、地磁活動(dòng)、粒子沉降、電離層騷擾和碎片空間分布的預(yù)報(bào)和警報(bào)方面開展工作，對(duì)“天宮一號(hào)”的飛船發(fā)射、飛船在軌運(yùn)行和飛船返回提供空間天氣保障服務(wù)。

國家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心曾在“神舟七號(hào)”載人航天飛船的發(fā)射與返回空間天氣服務(wù)保障工作中出色地完成了航天飛行空間天氣保障服務(wù)任務(wù)?？紤]到神舟七號(hào)任務(wù)期間的空間環(huán)境態(tài)勢(shì)和軌道空間環(huán)境的影響，同時(shí)還考慮到國內(nèi)外監(jiān)測(cè)和研究所能達(dá)到水平，國家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心選擇了航天員輻射環(huán)境、高層大氣環(huán)境、電離層環(huán)境和空間碎片環(huán)境，對(duì)神舟七號(hào)任務(wù)期間的空間天氣環(huán)境特征及其對(duì)任務(wù)各系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析，并建立了此環(huán)境的效應(yīng)的評(píng)估模式，為神舟七號(hào)任務(wù)提供了成功的空間環(huán)境保障。

為了保障神舟七號(hào)航天員的輻射安全，需要建立航天員輻射劑量計(jì)算系統(tǒng)，系統(tǒng)由輻射環(huán)境模塊、傳輸模塊和劑量計(jì)算模塊組成。輻射環(huán)境模塊可以根據(jù)用戶提供的飛船軌道參數(shù)，調(diào)用環(huán)境計(jì)算模式并調(diào)用探測(cè)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，對(duì)軌道上的輻射環(huán)境狀況進(jìn)行仿真計(jì)算，主要的計(jì)算模式包括：1、神舟七號(hào)軌道輻射帶異常區(qū)環(huán)境推算模式；2、神舟七號(hào)軌道太陽高能粒子分布模式。傳輸模塊可以根據(jù)飛船艙室和航天服的結(jié)構(gòu)，對(duì)航天員周圍屏蔽物質(zhì)的厚度進(jìn)行快速分析，并計(jì)算高能粒子到達(dá)該點(diǎn)的能譜，為效應(yīng)計(jì)算打下基礎(chǔ)。需要調(diào)用的計(jì)算模式主要有：1、衛(wèi)星三維屏蔽快速分析模式；2、高能粒子傳輸模式。劑量計(jì)算模塊對(duì)航天員的吸收劑量進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)航天員正在遭受和即將遭受的危險(xiǎn)劑量率進(jìn)行告警：1、總劑量計(jì)算模式；2、吸收劑量告警模式。

對(duì)中高層大氣的環(huán)境監(jiān)測(cè)，在神舟七號(hào)載人航天任務(wù)的空間天氣服務(wù)中，我們可以根據(jù)太陽活動(dòng)的情況應(yīng)用NRLMSIS-00中性大氣模式結(jié)合太陽射電流量（F107）預(yù)報(bào)和地磁（Ap）預(yù)報(bào)結(jié)果，預(yù)測(cè)高層大氣密度，計(jì)算飛船的軌道衰變率。由于NRLMSIS-00模式在地磁活動(dòng)水平較高（發(fā)生磁暴）時(shí)，其計(jì)算結(jié)果誤差較大。因此在此種情況下，我們將引入CHAMP衛(wèi)星的準(zhǔn)實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，來修正NRLMSIS-00模式的計(jì)算結(jié)果。這樣就可以在可能發(fā)生大磁暴造成大氣密度突增的情況下給出軌道突降預(yù)警，并且半定量分析軌道突降程度。

為完成對(duì)神舟七號(hào)飛船的空間天氣保障對(duì)電離層部分我們使用并研制的軟件及軟件模塊包括：1、廈門電離層臨頻監(jiān)測(cè)軟件模塊；2、珠三角地區(qū)電離層閃爍監(jiān)測(cè)軟件模塊；3、中國區(qū)域離層TEC分析模塊；4、中國地區(qū)電離層hmF, NmF2, TEC背景趨勢(shì)預(yù)測(cè)軟件；5、電離層D區(qū)吸收預(yù)報(bào)軟件；6、地面兩點(diǎn)短波通可用頻率范圍計(jì)算軟件。研制了：1、廈門電離層臨頻分析模塊；2、廣州電離層閃爍分析模塊；3、電離層環(huán)境演示系統(tǒng)。電離層環(huán)境模塊可以根據(jù)用戶提供的飛船軌道參數(shù)，調(diào)用環(huán)境計(jì)算模式并調(diào)用探測(cè)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，對(duì)軌道上的電離層環(huán)境狀況進(jìn)行仿真計(jì)算。

采用Ordem2000模型對(duì)神舟七號(hào)飛船所處的空間碎片環(huán)境進(jìn)行評(píng)估。Ordem2000是NASA根據(jù)遙測(cè)數(shù)據(jù)和地面測(cè)量數(shù)據(jù)開發(fā)的半經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的空間碎片環(huán)境工程模型，被國際空間組織廣泛應(yīng)用于對(duì)運(yùn)行高度介于200km至2000km之間的近地軌道區(qū)域的航天器進(jìn)行空間碎片風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。具體來說，Ordem2000碎片模型為一個(gè)有限元模型，將空間及速度離散化，基于已有觀測(cè)數(shù)據(jù)再進(jìn)行偏差修正得出空間碎片通量分布等分布狀態(tài)。以飛船運(yùn)行的軌道參數(shù)及時(shí)間作為Ordem2000模型的輸入，其中軌道參數(shù)包括遠(yuǎn)地點(diǎn)高度、近地點(diǎn)高度和軌道傾角，或是以軌道半長軸、離心率和軌道傾角的形式表示。經(jīng)過Ordem2000模型計(jì)算得到給定軌道的空間碎片通量分布，對(duì)飛船進(jìn)行空間碎片碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

為了更好地為神舟七號(hào)提供空間環(huán)境保障服務(wù)，國家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心除了針對(duì)四個(gè)空間環(huán)境要素及其影響進(jìn)行分析、預(yù)報(bào)和準(zhǔn)確的評(píng)估外，還對(duì)四個(gè)模式系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輸出結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)化，方便了業(yè)務(wù)服務(wù)的順利進(jìn)行和用戶對(duì)服務(wù)產(chǎn)品的使用。通過集成，神舟七號(hào)保障服務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)采集，并形成公共數(shù)據(jù)庫；建立模式驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，協(xié)調(diào)四個(gè)模式系統(tǒng)的運(yùn)行；建立產(chǎn)品展示平臺(tái)，直觀形象展示預(yù)報(bào)結(jié)果，生成標(biāo)準(zhǔn)化的保障產(chǎn)品。