随着社会信息化水平的提高，太阳活动与人类的生产和生活关系日益密切。因此，越来越多的人开始关注和研究太阳活动对地球空间环境的影响。但是，空间天气学和太空物理学晦涩难懂阻挡了一部分空间科学爱好者进一步探索太空的步伐；对于空间科学爱好者而言，空间科学数据分析的获取和分析往往又面临数据搜索“慢”、查看数据“烦”、绘制曲线图“丑”和分析数据“难”等一系列困境。为了帮助更多空间科学爱好者进入空间科学的大门，揭开神秘太空的面纱，了解空间环境预报的流程，在中国人民解放军航天工程大学的课题资助下，空间环境预报中心与航天工程大学一起研发了空间环境模拟器软件。

    空间环境模拟器软件主要由三大部分组成：科普、环境模拟和预报流程模拟。

1、 科普

    对于刚刚开始了解空间环境科学的学生和空间科学爱好者（以下统称为学员）而言，生冷的书本，晦涩难懂的知识点，让他们探索神秘太空的兴趣大减。科普部分以图片和科普视频的形式帮助学员快速步入空间科学的大门。该部分列举了卡林顿事件和万圣节事件等经典事件，讲解了太阳活动周、CME和耀斑等与太阳相关的知识，以及磁层与辐射带等近地空间环境。图1是讲解CME与耀斑区别的科普视频。 

图1  科普-CME与耀斑的区别

2、 环境模拟

环境模拟部分提供了历史环境模拟和空间环境可视化功能。该部分让学员了解太阳风暴爆发时，日地链条上空间环境各要素的响应，以及利用可视化技术把空间环境中看不见摸不着的粒子和场景形象的表达出来，便于学员理解空间环境要素。不同级别的太阳风暴引起的反应各不相同，学员可以通过参数设计界面（如图2所示）随意定制风暴级别等参数。该部分主要包括空间环境监测数据现报、预报、警报以及太阳成像展示、磁层环境、电子辐射环境、质子辐射环境、大气环境和电离层环境。图3展示了部分环境模拟功能。

图2 环境模拟参数设置

图3 环境模拟

A 空间辐射环境（电子辐射带、质子辐射带和磁场环境）  B 空间环境监测数据现报图3 环境模拟 C 卫星轨道平面质子辐射环境  D大气环境下单卫星场景

    环境模拟可以再现历史事件，以用户友好的方式展示监测数据和环境状况，帮助学员深刻理解空间环境。

3、 预报流程模拟

    中国科学院空间环境研究预报中心每天会定时发布昨日空间环境综述和未来三天的空间环境预报。预报流程部分是为了帮助学员深入的了解空间环境预报的制作发布流程而设计的。主要包括事件警报的发布（如图4所示），日报、周报和月报的制作流程。学员通过分析过去空间环境监测数据，做出空间环境综述和未来三天空间环境预报（如图5所示）。为了方便学员的学习，该部分包括教学模式和实习操作两种模式，方便学员学习和了解空间环境预报的制作发布流程。 

图4 空间环境事件警报发布

图5 日报制作流程演示

    此外，为了帮助研究学者和空间科学爱好者更好的分析空间科学数据，我们还开发了“即插即用式”空间环境分析绘图软件（Plug-and-Play SWx Analysis and Plotting Program，简称PPSWAP）。此软件具有方便的人机交互功能，空间环境预报员、研究学者以及空间环境爱好者们可以在我们的官方网站上免费下载试用此软件。下载地址为：http://www.sepc.ac.cn/sfdownload.php。

受重现性冕洞高速流影响，2017年8月17-20日地磁发生扰动。8月19-20日，地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到小高能电子暴水平；21日，地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量持续上升，超过中等高能电子暴事件阈值（1.0E+09 个/cm²·sr·day），达到橙色警报等级，高能电子日积分通量为2.1E+09个/cm²·sr·day，目前仍处于高水平。预计中等高能电子暴事件还将持续2-3天左右。鉴于近几日高能电子通量持续处于高水平，请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

关于近地空间环境的发展态势，我们将密切关注并及时通报。具体的预报情况请关注我们的网站www.sepc.ac.cn。

    我们通常将距离地表90km以上的高空大气称为高层大气，在这个高度以上，大气密度随着高度的增加急剧下降，到200km高度时，大气密度已经约为地面的五亿分之一！尽管那里的大气密度已经如此稀薄，但卫星高速地绕地球运行（约7.9km/s），所受到的大气阻力仍然不可小视。就像当我们在公路上骑行，经常因来自空气的阻力感到吃力一样，卫星也会因为大气阻力的影响而慢慢感到“劳累”从而发生轨道衰减。现有的科学技术已经可以非常准确地模拟出除大气阻力之外卫星所受的各种扰动力，包括地球非球形扰动、日月扰动和辐射光压扰动等，因此大气阻力产生的扰动已经成为卫星定轨和预报的最大误差来源。为了计算出卫星受到的大气阻力，需要尽可能准确地知道那里的大气密度到底是多少，那么如何测量出这里的大气密度呢？下面本文列举出目前几种常见的测量方法。

图1 卫星在大气阻力的作用下逐渐衰减

大气密度探测器

    测量高层大气密度的传统方法是采用大气密度探测器进行探测，我国神舟系列飞船和天宫系列飞行器都搭载有该仪器，其主要的工作原理是通过直接探测传感器内的气体压力和温度，并结合由气体分子动力学理论所建立的基本关系式来获得自由大气密度。

    大气密度探测器由传感器、电子线路和结构件组成。传感器由取样室、离子源、B-A规和温度传感器四部分组成。外界环境中的气体分子进入取样室后，经过碰撞其温度被调节成接近器壁的温度，此时原子态的气体充分混合成中性。内置的PN结温度计可直接测量取样室的温度，B-A规电离计可测得传感器内气压。调节后的中性分子到达传感器的感测区，经过电离形成正离子，收集后从正离子流的强度获得传感器内气体的压强。

星载加速仪

    星载加速仪是一种精度非常高的测量方法，重力卫星CHAMP、GRACE、GOCE和以研究地球磁场为目的的欧空局SWARM卫星均搭载有这种载荷。以CHAMP卫星为例，其携带的是一种三轴静电悬浮星载加速仪，由法国国家空间研究中心（CNES）和法国国家航空空间研究局（ONERA）共同设计制造，下面给出具体的探测原理。

图2  CHAMP卫星示意图（加速仪放置于卫星质心处）

图3  GRACE-A/B双星示意图

    将试验物体自由地放置于容器中，该容器的器壁装有电极，可以通过静电悬浮作用控制试验物体的运动，通过在传感器单元内部提供一个闭合的环路控制，可准确地使试验物体静止在容器中央。我们将卫星不受外力时的状态称为初始状态，在该状态下，试验物体的质心与卫星质心重合。若卫星只受到地球引力而没有受到任何其他非保守力的影响，则初始状态不变，当卫星受到其他非保守力扰动时（大气阻力、日月、潮汐、光压扰动），试验物体质心就会由于惯性偏离卫星本体质心，并与各内壁的距离产生变化，传感器感应到这种变化后，会立即调整电压，将物体重新“推”回中心位置，这种增加的“电推力”等效于外部受到的非保守力。电压的变化经过换算，就能获得非保守力加速度的大小。这个非保守力又与大气密度直接相关，因此可以计算出对应的大气密度。

 图4 CHAMP卫星搭载的加速仪

图5 星载加速仪原理图

    星载加速仪数据具有精度高、分辨率高的特点。通过表1可以看出CHAMP加速仪精度达10^-9m/s²，GRACE卫星精度更是达到10^-10m/s²，换算成大气密度，精度可达10^-15~10^-14kg/m³。而在CHAMP和GRACE的高度，大气密度量级约为10^-13~10^-11 kg/m³。因此通过加速仪数据可以较为准确地测量出卫星轨道处的大气密度。

表1 加速仪基本信息

    从表1中我们能够发现目前的高精度加速仪大部分都是法国生产的，遗憾的是，我国目前尚不具备生产如此高精度加速仪的能力。我国航天工程中的加速度计多用于载体的微重力测量系统和高精度惯导系统中，也可用于高精度的静态角度测量系统中，将加速度用于大气反演方面尚无工程先例。如图5是国内工业级的用于惯导方面的加速度计，其分辨率量级约为10^-6m/s²。

图6 星载加速仪原理图

    与加速仪原理类似的一种仪器是“阻力平衡仪”，它由弹簧系统取代静电系统，通过弹簧位移得到阻力，进而得到大气密度。该方法最初由意大利罗马大学率先提出，主要搭载于微小卫星平台。该方法曾为MSIS90模式的建立提供了阻力平衡器数据。

轨道数据反演

    利用卫星轨道数据反演大气密度也是测量大气密度的一项重要来源，许多已知的半经验大气模型都是以这种方法计算得到的大气密度作为数据基础而建立的，如Jacchia和CIRA系列模型。其基本原理（图7）是：卫星在大气阻力的作用下会偏离预定轨道，利用轨道参数的变化与大气密度的关系即可反演出大气密度。

图7 利用轨道衰减反演大气密度示意图

    近十几年出现了利用卫星两行轨道根数（TLE）反演大气密度的方法。顾名思义，TLE数据是由两行轨道根数组成的，包含了卫星的编号、时间和六个轨道参数（轨道倾角、偏心率、每日绕行圈数、升交点赤经、近地点角距、平近点角）等信息。TLE数据从上世纪50年代起就开始记录，截止2017年6月底，在编目标已达42000多个，共累计数据1亿多组，因此TLE数据具有良好的空间覆盖率和时空连续性，这为大气密度的反演和研究大气密度的长期变化趋势提供了宝贵的数据来源。

TLE中的每日绕行圈数可以提供轨道衰减信息。卫星在大气阻力的作用下轨道逐渐衰减，导致每日绕行圈数逐渐增加，利用这一参数，并结合其他各项轨道参数与大气密度的关系即可计算出卫星轨道处的大气密度。

 图8 2016年天宫一号每日绕行圈数

    由于每颗卫星每天只记录有限的几组TLE数据，因此TLE的时间分辨率并不理想，针对这一问题，近几年又出现了利用卫星高精度GPS数据反演大气密度的方法，该方法原理与TLE类似，但由于GPS数据记录频率高，因此具有非常高的时间分辨率。该方法的缺点是对GPS数据的质量要求非常高，需要GPS精度达到厘米量级，而目前达到这一要求的卫星数据非常少，因此所能反演的大气密度十分有限。

    以上是目前测量大气密度的几种常见方法，所得大气密度即可用来建立新的密度模型，又可对已有的模型进行修正。在实际应用过程中，卫星定轨和预报大部分是用大气模型来模拟大气密度的影响，而现有的模型普遍存在15%以上的误差，因此如何测量出更加准确的大气密度仍然任重而道远。

    随着空间环境预报技术的发展以及预报产品和服务内容的增多，为了更好地服务于各类空间环境用户，实现以用户体验为主的服务宗旨，空间环境预报中心（以下简称“预报中心”）提供了面向用户的电子邮件及手机短信主动推送功能。用户可以通过预报中心门户网站（www.sepc.ac.cn）进行产品订阅，选择感兴趣的空间环境产品，成功订阅后即可免费享受相应的短信或邮件推送服务。

一、 产品内容

    用户可以订阅的空间环境产品包括环境预报、事件警报和事件通报三大类，具体内容参见表1。

        用户可以通过预报中心门户网站中“产品服务”下面的“产品介绍”栏目，查看环境预报、事件警报和事件通报的相关产品简介。图1为“环境预报产品简介”网页，网页向用户介绍了产品功能、发布时间和频次、用户服务方式等信息。用户还可以通过“产品服务”下面的“能力介绍”栏目，了解预报中心的空间环境预报、空间碎片预警等能力。

图1 “环境预报产品简介”页面

二、 订阅流程

    用户可以通过如下四个步骤完成产品订阅工作：

    第一步，登入空间环境预报中心门户网站，访问“产品订阅”栏目。

    第二步，注册为新用户。如需申请手机短信产品，注册时必须填写手机号码，并设置短信接收时间，默认为全天实时接收。如果你担心半夜的突发空间环境事件短信会打扰睡眠，可以将接收短信的时间范围设定在白天，如8:00-16:00。

    第三步，注册成功，等待审核。审核通过后，您将接收到系统发出的一封邮件。

    第四步，订阅所需产品。如需订阅警报产品，订阅时请选择警报级别。警报级别分为黄色、橙色和红色三个级别，默认订阅的是黄色及以上级别警报。图2为“产品订阅”网页。 

图2 “产品订阅”网页

    短信服务订阅成功后，系统将产品发送至用户指定的手机号码；邮件服务订阅成功后，系统将产品发送至用户指定的电子邮箱。如欲调整已订阅的产品或更新个人账户信息，请您访问预报中心的“产品订阅”网页，登陆注册账户进行修改。

三、 产品示例

    图3为短信服务和邮件服务的产品示例，其中图3-a)显示了2017年4月23日地磁暴警报短信的手机界面，图3-b)为2017年4月份空间环境月报邮件中的PDF附件截图。

图3 订阅产品示例

    欢迎大家使用产品订阅服务！如在订阅过程中遇到任何问题，请通过sepcwebmaster@sepc.ac.cn与我们联系，我们将及时给您回复。

    大家也可以通过“空间环境预报”微信公众号或“e SpaceWx”手机app来掌握空间天气最新动态。图4是“空间环境预报”微信公众号和“e SpaceWx”手机app下载的二维码。

图4 “空间环境预报”微信公众号和“e SpaceWx”手机app下载的二维码

       关注空间环境预报的朋友们可能会发现，在近期发布的每日空间环境总结中，太阳活动水平常常出现“低水平”、“极低水平”等字眼。随着第24活动周进入下降年，太阳活动水平不断下降，太阳上的黑子越来越少，耀斑爆发也陷入沉寂。据统计，2016年1月至2017年4月只有13天爆发了M级及以上级别耀斑，其余时间太阳活动均在低水平以下，占总数的97%。太阳这座随时可能爆发的“活火山”逐渐进入休眠。

图1 太阳活动进入下降年，月平均黑子数不断减小

      太阳活动周下降段的到来，是不是意味着空间环境将会风平浪静？未来几年航天器在轨运行是否将高枕无忧？实际情况完全相反，在太阳活动下降年、低年，我们需要时刻警惕以下几种空间环境现象对航天器的恶劣影响。

1、  高能电子“海啸”

        在太阳活动下降年，冕洞频繁地登上太阳活跃的舞台。冕洞是高速太阳风的源头，它喷出的高速等离子体流随太阳自转以27天左右为周期扫过地球。这些周期性出现的太阳风高速流能够引起地球磁场强烈“地震”，在近地空间外辐射带内掀起高能电子的“海啸”——高能电子暴。如图2所示为同一冕洞分别在2017年2月25日、3月25日及4月21日经过日面中央时的形态变化。该冕洞喷发出的高速流到达地球，造成三月上旬、三月底至四月初、四月底至五月初近地空间高能电子通量上升几个量级，事件持续时间最长达14天。

       太空中最为繁忙的航天器轨道——地球同步轨道正好位于外辐射带内，高能电子暴期间，轨道上激增的“杀手电子”能够穿透卫星的外壳屏蔽，在内部器件上沉积，损坏卫星材料，破坏电子器件，严重时甚至导致卫星报废。近十多年来，多颗卫星由于这种深层充电效应引发卫星故障和失效，造成了巨大的影响。例如，1998年5月19日的高能电子暴造成美国GALAXY-4通讯卫星由于内部充电而失效，造成美国80％的寻呼业务的损失，无数的通讯中断，并使金融交易陷入混乱。

图2 同一冕洞分别在2017年2月25日、3月25日及4月21日经过日面中央

2、  沉降电子“暴雨”

       在地球两极附近的高层大气中，长期存在着从空间沉降进入的高能带电粒子。空间环境活跃的时候，这些沉降粒子如同“暴雨”一般落入地球，在电离层与大气分子、原子作用，引起变幻莫测、绚丽多彩的极光现象。然而与此同时，卫星如果经过这片区域，“暴雨”中的电子就会附着到卫星的外壳上，改变卫星表面电位，电荷累积到一定程度便会引发卫星表面的静电放电。这种放电轻则影响到卫星上携带的有效载荷，重则会危及其在轨安全。高倾角的低地球轨道卫星常常会穿越这一危险区域，其中包括与我们日常生活息息相关的对地观测卫星、测地卫星、通信卫星等。

        值得注意的是，卫星遭受电子“暴雨”袭击，并不意味着负电荷能够无限地在卫星表面累积。低轨卫星位于电离层之内，这里充斥着温度较低的电离层等离子体。当卫星表面受到沉降电子轰击电位降低时，电离层中带正电的低温离子会受卫星表面吸引，与负电荷中和并缓解表面的负充电，保护卫星免受表面充电效应影响。

图3 沉降电子在卫星表面沉积，电离层离子缓解表面充电电位

       不幸的是，在太阳活动低年时，太阳极紫外辐射通量降低。它的降低会造成电离层电离降低，进而导致正电荷“补给”不足，这时被负电荷“侵害”的卫星发生表面静电放电星的几率又再次增大，卫星故障的危险系数将大大提高。图5所示为1989年至2001年低轨卫星DMSP发生表面充电事件的概率（实线）和太阳黑子数（虚线）随时间的变化情况。从图中可以看到，在太阳活动低年，表面充电事件发生率高，反倒是在太阳活动高年，表面充电事件发生率低，两者的总体变化趋势呈现了相反的关系。

图4 太阳极紫外辐射随太阳活动呈周期性变化

图5 1989年至2001年低轨卫星DMSP发生表面充电事件的概率（实线）

和太阳黑子数（虚线）随时间的变化情况

 3、  银河宇宙线“偷袭”

        卫星运行期间，除了受太阳活动、地磁活动影响之外，还暴露在来自银河系的高能宇宙线中，这些宇宙线起源于太阳系之外，主要由质子（约占87%）、α粒子（约占12%）和其他各种原子核组成。银河宇宙线能量极高，可以达到GeV量级，是引起航天器单粒子效应的原因之一。银河宇宙线高能粒子在穿过微电子器件的灵敏结时会沉积能量、产生电荷，这些电荷被器件电极收集后，可能造成器件逻辑状态的非正常改变，威胁航天器在轨安全。此外在载人航天任务中，银河宇宙线也是航天员人体辐射防护的重点。举例来说，国际空间站上航天员受到的辐射剂量当量有75%至85%（铝屏蔽厚度10cm至2cm）来自银河宇宙线。

        那么太阳活动强弱对银河宇宙线的影响如何呢？这得从源自太阳的行星际磁场说起。在太阳活动高年，太阳磁场也较强，稠密的磁场会把宇宙射线粒子阻挡在太阳系外部，也就自然的形成了一道安全的屏障。而太阳活动低年时，太阳磁场较弱，银河宇宙线就会“趁虚而入”。图6反映了在不同的太阳活动时期，行星际磁场对银河宇宙线的阻挡作用。如图可见，受到太阳活动周的影响，宇宙线强度变化也表现出明显的 11 年的周期变化。太阳活动高年时行星际磁场的作用增强，太阳系内部的银河宇宙线强度较弱，相反在太阳活动低年银河宇宙线强度达到峰值，其结果就是在人类空间活动频繁的地球周围造成负面影响。

图6 Deep River 宇宙线台中子计数率随太阳活动水平的变化

       未来几年我国将加速推进太空探索的步伐，随着越来越多的航天器进入太空，我们更不应该对空间环境掉以轻心。太阳活动低年的空间天气环境复杂多变，需要我们加强对空间环境的日常监测和预报，为航天任务保驾护航。