顾名思义，卫星在轨寿命是指卫星在轨道上存留的时间，是从卫星进入轨道到陨落为止的时间间隔。卫星在轨寿命的影响因素有很多，最主要的因素就是地球大气的阻碍作用，卫星与大气之间的摩擦使卫星动能逐渐损失，导致轨道不断衰减进而陨落。此外，卫星面质比、运行姿态、空间环境等因素也会对卫星在轨寿命产生影响。

地球大气对卫星在轨寿命的影响

      我们知道，地球周围是厚厚的大气层，它从地球表面往外延伸至约1000km的高度，像襁褓一样给了地球上的生命婴儿般的保护。它是地球的保温层，使地表温度维持在相对稳定的状态；它吸收了大部分紫外线辐射，因此地球上的生命免于灭绝的危险；外太空不时有陨石坠向地球，也正是因为有大气层的保护才得以化解了大部分的灾难。但是，大气层的作用并非尽如人意。对于陨石而言，大气层产生的摩擦阻力可以使其迅速坠毁，但对于人造地球卫星而言，这个阻力却是卫星在轨寿命的隐形杀手。

图1 美国亚利桑那州的巴林杰陨石坑，直径约1200m，宽约170m，形成于约5万年前

图2 卫星在大气阻力的作用下，轨道高度像下降的螺旋线一样逐渐衰减

      卫星的运行高度范围比较广，按照1960年第53届巴塞罗那国际航空联合大会的规定，地球表面100km以上的空间为航天空间，卫星可在该高度以上飞行，但是卫星运行高度往往都高于100km，比如我们常见的近地卫星，其轨道高度一般在400km左右。为什么卫星运行高度不能太低呢？主要是考虑到大气密度的因素。大气层90%的质量集中在30km以下，在30km以上，大气密度随着高度的增加急剧下降，在100km高度上，大气密度约为海平面的一百万分之一，在120km高度上约为几千万分之一，在200km高度上约为五亿分之一，可见随着高度的增加，大气密度呈指数式衰减。卫星运行高度越低，大气密度就越稠密，卫星在轨寿命也就越短。

轨道高度最低的卫星莫过于侦查卫星，它们有的甚至能达到120km左右的高度，但这些带着特殊任务的卫星其寿命往往都很短，它们要么很快陨落，要么就携带大量燃料进行一次次的变轨制动，维持在轨状态。比如1959年2月美国发射的人类历史上第一颗侦查卫星“发现者1号”，其近地点高度约114km，在轨寿命仅有3天。

图3 大气密度分布曲线

空间环境扰动对卫星在轨寿命的影响

空间环境扰动可以引起大气密度的剧烈变化，在各种航天活动中，我们常常采用大气模型来描述空间环境扰动对大气密度的影响。这些大气模型往往包含两个最重要的输入参数，一是F10.7指数，用来描述太阳辐射的影响，二是Ap指数，用来描述地磁场的影响。

F10.7主要描述太阳极紫外辐射的大小。高层大气吸收太阳极紫外辐射，吸收能量的20%~30%用来加热高层大气，因此当F10.7升高时，大气温度升高，大气密度增加；Ap指数主要描述地磁场的变化。当地磁平静时，太阳风携带的能量仅为太阳极紫外辐射的十分之一，但在地磁暴时，太阳风带来的能量是极紫外辐射能量的十倍或者更多，此时受高纬焦耳加热和高能粒子沉降等的影响，大气密度会在短时间内快速上升，卫星受到的大气阻力也会突然增加，从而加快卫星轨道的衰减。

比如，美国“哥伦比亚”号航天飞机在1981年4月12日飞行时，遇到一次剧烈的空间环境扰动事件，陡增的大气密度导致该航天飞机下降到较低轨道的时间比预期快了60%。再比如1989年3月份的“卡林顿事件”中，空间环境的剧烈扰动引起大气密度急剧增加，使840km高度的大气密度增加了9倍。大气密度的剧增引起了美国的太阳峰年卫星（SMM）在整个事件期间的运行高度下降了5km，从而提前陨落。

图4 卡林顿事件期间，空间环境出现剧烈扰动，大气密度急剧增加

卫星在轨寿命的其他影响因素

除了大气密度之外，卫星自身的物理参数也会对在轨寿命产生很大的影响，其中非常重要的一个参数就是卫星的面质比，它是卫星质量与横截面积的比值。卫星质量越大，表示卫星的惯性越大，横截面积越小，表示卫星受到的大气阻力越小，因此面质比越小表示卫星的在轨寿命越长，反之越短。

卫星质量一般容易确定，但是横截面积的计算却没那么简单。横截面积与卫星形状和运行姿态有关，通常情况下，卫星形状比较复杂，运行姿态经常发生变化，即使姿态稳定的卫星，其有效横截面积也会随时间变化，因此卫星的面质比大多时刻发生着变化。

图5 姿态稳定的CHAMP卫星，其横截面积变化曲线

如何预测卫星在轨寿命

综上所述，影响卫星在轨寿命的主要因素是大气密度，而大气密度与卫星高度和空间环境状况有着密切的联系，此外，卫星面质比和运行姿态也是非常重要的因素。若能正确的考虑这几个因素的影响，则可以大致估计出卫星的在轨寿命。

图6是利用国际上著名的STK软件模拟的400km高度处不同发射年份下、面质比为0.01的球形卫星其轨道衰减的时间曲线。横轴表示发射时间，代表了不同的空间环境状况，纵轴表示卫星由400km降至250Km所需的时间。

图6不同发射年份下，面质比为0.01的卫星其轨道衰减时间曲线

      由于第24太阳活动周低年在2019年左右，因此2016-2019年太阳活动逐渐降低，大气密度逐渐减小。在该面质比下，400km高度处的卫星寿命一般为1-2年左右，因此卫星在轨寿命逐年增加。

正是由于影响卫星在轨寿命的因素较多，因此在设计在轨寿命的时候需要统筹兼顾多方面的影响。只有正确的考虑了各种因素的影响，卫星才能按人们预期的那样驻留在太空中，完成各项科研实验任务。

　　太阳黑子是太阳活动水平的标识，但是在2015年6月底，太阳上连续十几天没有黑子，难道很快要进入太阳活动低年？太阳马上要进入休眠状态了？地球要进入新一轮“冰河期”了？

　　1、“冰河期”真的要来了吗？

　　最近，随着第24活动周太阳活动水平的不断下降，太阳上的黑子真是越来越少了，以前还可以板着指头数，现在恐怕只能握着拳头数了。甚至在6月下旬开始的十几天里，太阳上便没有了黑子，明亮的太阳上干干净净。

               图1 7月5日没有黑子的太阳（SDO卫星观测）

　　眼瞅着这么冷冷清清的太阳，仿佛要进入休眠状态了。这不禁让我们想起了去年流传甚广的一篇报道——《太阳2030年将休眠地球即将步入冰河时期》。文章回忆起了1645-1715年期间的“小冰河期”，当时的情况简直太凄凉了。据记载彼时太阳活动衰减到极低状态，太阳黑子几乎没有记录。而这段时间，全球普遍出现气温下降趋势。英国大部分河流都结冰了，人们纷纷在泰晤士河上溜冰。全世界范围内农作物产量降低，许多地方都出现了大量饿死人的现象。

图2 泰晤士河上溜冰的英国小伙伴们

　　对着这么衰弱的太阳再细看一眼，是不是背后反而有点冒冷汗了。莫非历史要重现，地球提前要进入寒冷的“冰河期”了。

　　然而，实际上，虽然太阳黑子变弱和地球变冷表面看有着70年的重合，但没有证据表明“小冰期”是由太阳黑子无记录造成的。与太阳活动周强弱有关的全球气温变化幅度其实是很小的，根据经验，最近几次太阳活动周影响全球平均气温的变化，大约只有0.1度左右。因此，千万别随便就断言太阳周期变化能直接影响地球气温的骤变。

　　不过，太阳上持续无黑子，还是需要引起我们的重视，这究竟是不是意味着太阳上的黑子很快变得极其稀少了？太阳活动低年马上要到来了吗？

　　2、太阳黑子会迅速变少吗？

　　答案是否定的。

　　众所周知，当太阳活动水平较高时，日面上的黑子就会非常多；反之，当太阳活动水平较低时，日面上的黑子就会比较少。尤其是当太阳非常平静时，日面上就没有黑子，这种情况称之为“无黑子日”。在太阳活动谷年这种现象将会频繁出现。

　　在图3中，我们给出了自1849年有记录以来至今所有年份的无黑子日的天数，并附以年均黑子进行一番比较。可见，自第10活动周（1855-1867）以来，在所有大活动周（即太阳活动整体水平较高）里，无黑子日持续出现的年份基本上都是处于该活动周接近末尾的下降段和末尾；而在小活动周（即太阳活动整体水平相对低）里，无黑子日持续出现的年份大部分处于该活动周的下降段。

　　值得注意的是，在太阳活动水平最小的第12活动周（1878-1890）和第14活动周（1902-1913）里，太阳高年偶尔出现了无黑子日。第24活动周也是一个小活动周，太阳活跃程度与上述两个活动周水平相当，巧合的是在2014年也出现了1天无黑子日。

　　因此，回顾历史，我们可知，本活动周与第12和14活动周类似，在未来的几年里，无黑子日将会越来越多，太阳上的黑子将会慢慢地逐渐变少，一直到本活动周结束。

图3 1849年以来每年无黑子日和年均黑子数

　　然而，众所周知，太阳黑子是太阳活动的标识，随着无黑子日越来越多，该活动周慢慢地到达它的谷年。那么，本活动周的太阳活动究竟到了哪个阶段呢？

　　3、第24活动周什么时候到底？

　　首先，我们简单给出第1-24活动周每周太阳黑子数的出现情况，看一看第24活动周的进展。图4中，每个空心柱子是整个活动周的数量；每个斜线实心柱子则是每个活动周前91个月的数量（截至2016年6月，第24活动周过去了91个月）。从图可见，第1-23活动周前91个月的黑子数占活动周总黑子数的比例为85%。若以此类推，那么第24活动周在未来的几年里还剩大约85%的黑子还没有出现。

图4 第1-24活动周的黑子数

　　此外，根据对过去太阳活动周的统计，平均一个活动周大约有11年的长度。但是，每个活动周的长度不同，有的活动周持续时间很长，有的活动周持续时间较短。由图4可见，第4活动周长达164个月，而第2活动周则仅有107个月。并且，由图4和图5的比较可知，太阳活动周的长度与太阳活动水平高低不是相对应的，太阳活动水平较低并不意味着活动周也较短。因此，单纯从历史统计上不能断定第24活动周的长度究竟有多长。即使最保守的估计，以第2活动周作为参考，本活动周仍将持续一年多的时间；而最乐观的估计，以第4活动活动周作为参考，那么本活动周还将持续6年之久。

图5 第1-23活动周的长度

　　当然，我们不能简单地根据历史统计，给出过于迷糊的结论，必须采用一定的预报方法进一步分析本活动周的长度。在第23活动周的预报中，我们采用相似周方法得到比较理想的预报结果。鉴于本活动周与第12和14活动周活动水平相当、走势相似，在第24活动周预报中，我们以这两个活动周作为相似周，图6给出了预报结果。预计，本活动周将在2019-2020年结束，大致持续11-12年。

图6 第24活动周太阳黑子数的预报

　　4、我们可以高枕无忧了？

　　既然本活动周还剩下3-4年的时间，并且是持续的下降年份，是不是没啥严重的空间环境事件值得我们注意了？

　　现实当然没那么简单，不要天真地幻想风平浪静的日子，那样只会分分钟被火热的太阳打红脸。因为，即使在太阳活动下降年，还是有着许多的暗礁等待着地球这艘大船。

　　首先，不能排除有强空间环境事件发生的可能性。例如，在2003年10月底至11月初，发生了著名的“万圣节太阳风暴事件”，爆发了X28级太阳耀斑，是史上有记录以来最强大的耀斑。当时，约半数卫星出现故障，全球范围内的通讯受到干扰，全球定位系统精度降低。而2003年正值第23活动周的下降年，已进入该活动周的第8个年头。掐指一算，今年乃2016年，我们恰还处在第24活动周第8个年头。

图7 万圣节事件期间的X28级耀斑          图8 日本ADEOS-2卫星在事件期间失效

　　其次，地磁活动与和太阳黑子数的发展特性有明显的差异，它总是要慢上半拍。一般来说，地磁指数的极值会出现在太阳黑子数极值后一年左右，且呈现出明显的双峰结构。这主要是因为在太阳活动下降年，冕洞会频繁地登上太阳活跃的舞台，它喷出的高速等离子流会冲击地球的磁场，造成地磁的扰动。图10是我们对地磁Ap指数的预测结果，可见在未来的几个下降年里，地磁活动仍然会比较活跃。

图9 黑糊糊的冕洞                           图10 第24活动周Ap指数平滑月均值预测

　　此外，根据对第22和23太阳活动周的分析，高能电子暴主要发生太阳活动周下降段（图11），且随着活动周逐步进入谷年，该事件持续不断爆发，并没有因为太阳活动水平的下降而减弱。高能电子暴，俗称“卫星杀手”，会造成卫星的深层充电效应，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。

　　参照过去两个活动周，截至目前，本活动周预计还有不到一半的高能电子暴没有发生。

      图11 第22-24活动周高能电子暴发生次数分布图                                      图12 深层充电效应

　　因此，很明显，在未来的3-4年里，我们当然不可对空间环境掉以轻心，尚需关注太阳黑子的演化情况，持续关注地磁暴的发生性，密切关注高能电子暴的频繁爆发。

　　随着信息化时代的到来，太阳活动对人类社会活动的影响力和破坏力日益凸显。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。俗话说千里之行始于足下，任何空间环境的探索都立足于对相关数据的透彻分析。而研究学者或空间环境科学爱好者在数据分析的过程中，往往会遇到以下 4 大困境。困境一：搜索数据“慢”。空间环境数据包括 SOHO 卫星太阳图片、太阳黑子数等上百种数据，分散在 NOAA、NASA 等多个网站上。借助于传统的网络信息检索，研究人员需要花费大量的时间搜集所需的数据。困境二：查看数据“烦”。研究者通常需要打开多个相关数据文档或界面，在各相关数据间来回切换、查看，以及分析。困境三：绘制曲线图“丑”。通常 Origin 等软件所生成的默认曲线图并不美观，需要投入过多的精力在曲线图样式调整上。困境四：分析数据“难”。空间环境科学爱好者在空间天气分析过程中难免会遇到很多疑惑，但是又不知道应该向谁求助。那么，是否有办法可以摆脱这 4 大困境呢？

　　“即插即用式”空间环境分析绘图软件（Plug-and-Play SWx Analysis and Plotting Program，以下简称 PPSWAP）应运而生，是研究人员和空间环境科学爱好者们可依赖的辅助在线决策及绘图工具（下图为 PPSWAP 软件启动界面）。PPSWAP 的源代码由 C# 编写而成，其运行平台为微软 Windows 操作系统。软件具有以下 4 大特点。

图：PPSWAP软件启动界面

　　1. 预报相关信息的“一站式服务”

　　与网络上传统的桌面客户端 / 服务器相比，基于创新网页服务技术的 PPSWAP 可以更加方便地为用户提供储存于远程数据库中的大量准实时数据及历史数据。PPSWAP 所提供的数据既包括国内外地基观测站和空间卫星的监测数据，也包括空间环境预报中心（Space Environment Prediction Center，以下简称 SEPC）整理的事件统计，以及 SEPC 自主模型的预报。也就是说，用户在家就能够通过 PPSWAP 随意查看各种空间环境数据，包括 SOHO 卫星太阳图片、太阳黑子数等，从而摆脱了传统的网络信息检索。

　　2. 空间环境信息的“随意组合” 

　　PPSWAP 在线工具可提供图表、影像及统计表格等多种格式的数据查看，用户可以通过点击分析操作界面左侧的数据列表菜单，将所有感兴趣的元素添加至右侧界面中。PPSWAP 显示界面左侧的数据名称是基于易识别的规则来命名的，如以“ACE_SIS_Proton”命名的数据表示是由 ACE 卫星上的太阳同位素质谱仪（Solar Isotope Spectrometer）所提供的质子通量。用户还可以通过历史数据查询及空间环境事件统计结果查询功能获取空间环境预报所需的数据，随意组合各种空间环境信息，定制个人操作界面。图 19 显示了 CME 事件的空间环境扰动分析界面。

图：PPSWAP软件分析界面截图（截图显示了CME事件的空间环境扰动分析）

　　3.专业的绘图功能

　　PPSWAP 还集成了专业的绘图功能，用户可以通过点击绘图操作界面左侧的数据列表菜单，将所需的绘制元素添加于右侧界面中。用户还可以在右侧界面中对表格标题、边框、曲线等样式进行更改，通过保存按钮将图片保存至指定位置。默认的表格样式都是由设计人员精心配置的，通常不需要调整或只需要微调即可。图 20 显示了行星际太阳风参数和地磁 Kp 指数的曲线图绘制界面。

图：PPSWAP软件绘图界面截图（截图显示了行星际太阳风参数和地磁Kp指数的曲线图绘制）

　　4.聊天室服务 

　　聊天室服务集成了消息框及实时消息功能，由此能促进用户之间的讨论及信息分享。如果研究学者遇到了较为罕见的太阳爆发活动，在空间环境分析上面有举棋不定的地方，完全可以在聊天室里和在线的同事们探讨一番再做决断，而不必为自己独立做出的判断惴惴不安。当然，如果你只是空间环境科学的爱好者，遇到有不明白的地方，也可以通过聊天室向专业人员请教切磋。

　　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科学爱好者们可以在网上免费试用此软件，下载地址为：http://eng.sepc.ac.cn/sfdownload.php。

　　2016年5月10日至13日，地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量连续4天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。5月13日，地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到1.1E+09 个/ cm2·sr·day，目前高能电子日积分通量已逐渐下降。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。

　　预计14日地球同步轨道大于 2MeV高能电子日积分通量将会下降至小高能电子暴水平。预计高能电子暴事件还将持续1-2天。

　　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。

2016年5月11-13日持续中等高能电子暴事件

　　2016年5月10日至12日，地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量连续3天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。5月12日，地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到2.5E+09 个/ cm2·sr·day，目前仍处于高水平。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。

　　预计中等高能电子暴事件还将持续2-3天。

　　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。

2016年5月10-12日持续中等高能电子暴事件