2015年12月17日8时12分，中国在酒泉卫星发射中心成功将暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空。“悟空”是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批立项研制的4颗科学实验卫星的首颗星，是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。2015年12月处于第24太阳活动周的下降期，“悟空”任务期的空间环境如何？中科院国家空间科学中心的空间环境预报中心（简称预报中心）又是如何为其保驾护航的呢？

图1 暗物质粒子探测卫星成功发射

    “悟空”探索路上的空间环境

    “悟空”是一颗太阳同步轨道卫星，影响卫星发射运行安全的轨道空间环境主要是高能辐射环境、中高层大气环境、等离子体环境、碎片和微流星体环境等。

     辐射环境

    卫星轨道上的辐射环境包括银河宇宙线、辐射带高能粒子和太阳爆发质子事件时到达轨道的部分高能质子和重离子。“悟空”的飞行轨道属于低地球轨道，由于地磁场的屏蔽作用，轨道上的银河宇宙线通量较低，主要分布在极区上空。辐射带是卫星轨道上的主要辐射环境，包括南大西洋异常区上空的内辐射带和靠近极区的外辐射带。内辐射带主要是高能质子，比较稳定，通常能引起单粒子、总剂量、位移损伤等效应；外辐射带主要成分是高能电子，在低高度主要分布在极区，受地磁影响高能电子通量变化幅度较大，对卫星的主要影响是充放电效应。

图2 500公里上的电子辐射带

    太阳质子事件会引起卫星轨道上辐射环境的显著变化，受地磁场屏蔽的影响，质子事件产生的高能质子和重离子主要分布在极区，能够引起单粒子、总剂量、位移损伤等效应。

       中高层大气环境

    “悟空”主要运行于中高层大气区域，该层大气环境的波动会对卫星产生阻力效应，会导致卫星的轨道姿态、轨道衰变率和在轨寿命的改变。原子氧对卫星表面的腐蚀效应，也会引起表面材料质量损失和材料物理与化学性质的改变。

图3 卫星轨道高层大气密度变化

     等离子体环境

    高密度等离子体环境在卫星发生表面充电事件时容易引发静电放电，危及卫星安全。夜侧的极区沉降带是卫星发生表面充电事件的高危区，卫星在此区域有一定的概率发生大于100V的高表面充电事件。随着地磁活动水平的增高，卫星发生高表面充电事件的概率将明显增加。

图4 卫星表面充电环境变化

      空间碎片和微流星体环境

    “悟空”所处的低轨道是碎片密集的区域，因此要对空间碎片进行在轨碰撞预警。当地球绕太阳公转穿过流星体密集的区域时，会接近或穿越它们的轨道，就会发生流星雨。这时地球及围绕地球运行的卫星就会遇到流星体撞击。因此，卫星发射应尽可能避开“流星暴”发生时段。

    太阳活动是近地空间环境的扰动源，大的太阳爆发活动直接影响近地空间环境。其中大气环境和高能辐射环境的变化主要受太阳与地磁活动的制约。因此，“悟空”发射运行期间的太阳和地磁活动是需要重点关注的空间环境预报要素。

     空间环境预报保障

    空间环境预报保障的目的是为卫星的设计、发射、试验和在轨运行提供空间环境参数的长期、中期、短期预报和效应评估，为试验任务决策提供空间环境依据。针对“悟空”的空间环境保障任务，预报中心首先分析空间环境对卫星平台和探测载荷的影响，制定了详细的空间环境保障方案。为开展空间环境保障服务工作，预报中心研制了 “先导卫星空间环境态势软件”。

     发射前的空间环境保障

     预报中心从“悟空”发射前三个月开始提供发射安全期预报，发射前7天至发射当天每天提供一次；在发射前三天每天提供一次针对“悟空”发射窗口的空间碎片碰撞预警报告。

图5 空间环境发射安全期短期预报和碎片碰撞预警

     针对“悟空”发射窗口2015年12月中旬，预报中心详细分析了最近半年的太阳和地磁活动状况，并根据最新的空间环境监测数据，做出了卫星发射安全期预报：暗物质粒子探测卫星发射窗口期间，发生大太阳爆发活动和地磁扰动的可能性较小，预计发射窗口的空间环境是安全的。

图6 暗物质粒子探测卫星任务期间的空间环境

    卫星在轨测试空间环境保障

    在卫星发射和在轨测试阶段，预报中心24小时不间断对空间环境进行监测，每日提供空间环境预报和效应分析产品，供卫星平台和载荷研制单位使用。预报中心提供了两类9种产品，第一类是空间环境要素和事件的预报，包括在轨空间环境预报、空间环境事件警报、太阳和地磁指数中期预报；第二类是空间环境效应分析，包括卫星轨道大气密度变化、卫星轨道大气密度二维分布、卫星穿越南大西洋异常区预报、太阳质子轨道分布、卫星表面充电环境和卫星载荷异常空间环境分析报告。

    卫星发射、载荷加电以及载荷加高压期间，空间环境都是安全的。

图7 预报员在怀柔在轨监测大厅提供空间环境保障服务

      空间辐射环境分析

    “悟空”携带有精密的探测设备，这些设备对空间辐射非常敏感，因此卫星的运控部门非常关心轨道上空间辐射环境的状况。预报中心对卫星轨道上的空间辐射环境和辐射效应进行了分析与计算，与卫星载荷、运控等部门讨论了卫星经过南大西洋异常区（SAA）的运控策略，为地面应用系统提供了精确的南大西洋异常区轮廓数据，同时，每天通过公共服务平台发布暗物质粒子探测卫星经过质子辐射带、电子辐射带的时间，以及经过SAA时每一时刻的质子能谱通量。

图8卫星穿越南大西洋异常区时间预报

    空间环境保障软件研制

    为顺利实施空间环境保障任务，预报中心研制了“先导卫星空间环境态势软件”。该软件动态展示了卫星在轨预报所需要的太阳活动和地磁活动参数，所经历的辐射环境、大气环境变化信息，有质子事件发生时轨道上质子通量的变化等。

图9 先导卫星空间环境态势软件

      未来之路任重道远

    中科院国家空间科学中心是我国载人航天工程任务的空间环境保障责任单位，曾参加了载人航天历次飞行任务，成功完成了神舟一号到神舟十号以及天宫一号的空间环境保障任务。怀着对我国空间科学研究探索的崇高使命感以及强烈的责任心，又出色地完成了空间科学先导专项首颗星——“悟空”发射飞行的空间环境保障工作。

图10先导卫星任务期

    未来，预报中心继续为“悟空”在轨运行提供空间环境保障服务，还将承担量子卫星、实践十号和空间硬X射线调制望远镜卫星发射飞行的空间环境保障任务。空间科学先导专项四颗卫星的任务期处于第24太阳活动周的下降期和第25太阳活动周的上升期，因此，先导卫星任务的空间环境保障，我们仍任重道远。

    2015年10月29日，美国白宫颁布了一项新的战略纲要：《国家空间天气战略和行动计划》，从国家层面来应对极端太阳风暴所带来的威胁。而引用美国白宫科学顾问约翰•霍尔德伦所言：“空间天气已经成为奥巴马政府需要优先考虑的事项之一”。为何白宫如此看重空间天气？为何需要专门出台国家战略？其战略目标和行动计划有哪些内容？本文为您一一解读。

图1 空间天气对国家技术系统和关键基础设施的影响

1.战略制定

    众所周知，太阳爆发引起的空间天气事件会对电力系统、无线电通讯、导航系统、卫星及航天器等国家关键技术系统和基础设施产生潜在乃至严重的破坏。美国国家海洋和大气局行政主管凯瑟琳·苏利文曾犀利地指出，“尽管人类对空间天气的物理现象研究甚多，但社会在太阳风暴面前依然脆弱”。有鉴于此，美国国土安全部2011年发布了《国家战略风险评估报告》，将空间天气确定为对国家安全构成重大危险的灾害之一。而空间天气更是一个全球性的问题。与地面天气事件（如飓风）不同，空间天气有可能同时影响整个北美或更广泛的全球地区。美国政府认为，鉴于可靠的电力和太空资产对国防和经济安全的重要性与日俱增，构建能提高国家乃至国际间对空间天气事件潜在的灾害影响的保护、减缓、响应、恢复能力的战略至关重要。因此2014年，经过国会参众两院批准，来自联邦政府不同部门的24名代表成立了一个特别委员会——空间天气运作、研究、与缓解工作组——着手制定美国国家空间天气战略和行动计划，并在一年后正式成文。

2.战略目标

    白宫发布的美国国家空间天气战略旨在通过整体性的国家行为，提升对空间天气风险的预防、缓解和管控能力，提升关键设施与技术系统的适应能力，加强政府和公民对空间天气影响的理解和应对能力，提高空间天气监测和预报的准确性、及时性和可靠性，确保国家具备承受极端空间天气事件并迅速恢复的能力。该战略共包括六项具体战略目标。
建立空间天气事件基准

    基准是对空间天气现象的相关物理参量进行的清晰一致的描述，是一组可以衡量空间天气事件性质的特征和条件。事件基准能增进国家和民众对空间天气效应的理解，帮助评估关键设施的弱点，提供减缓程序和实施的参考要点，以及增加响应和恢复行为的计划性。

提高响应与恢复能力

    极端的空间天气事件发生频次低、潜在影响大，需要全国协作响应与恢复。国家需要制定一项在灾害条件下重点区域或者全国性的应急响应与恢复计划，以更逼真地模拟和评估极端空间天气事件对于关键基础设施和全社会的影响。同理，国家需要发展出全面的恢复架构，提供必要的指导准则，以确保联邦、各州政府、地区政府、以及全社会能够在极端空间天气事件影响下继续履行职能并尽快恢复常规。

提升保护力与减缓力

    关键基础设施系统的相互依赖性日益增加，加剧了其在空间天气事件前的潜在脆弱性。为建立空间天气国家应急准备，必须提升保护力与减缓力。保护力重在消除关键基础设施在空间天气方面的脆弱性；减缓力关注长期缺陷消减并提升抗灾能力。这些应急准备任务共同构成了对空间天气事件进行缺陷消减和风险管控的国家努力。

改进对关键基础设施影响的评估、建模、预报能力

    在空间天气风暴时期，国家亟需及时、可行、相关的决策支持服务。而这些服务需要建立在对国家关键基础设施（例如电力、运输、通信、导航系统）的效应观测、评估、建模、以及最终的减缓预报等能力之上。这样才能够更清醒的认知空间天气对社会的影响，以便在极端事件期间更好地进行行动紧迫性报告，并努力在灾害事件发生前做出适当的减缓和保护措施。

促进空间天气理解和预报，提升空间天气服务能力

    增进对空间天气的基础理解必须付诸行动。准确、可靠、及时的空间天气监测和预报（及相应的产品与服务）是国家应急准备的关键要素。空间天气基础科学研究，是提供高质量的空间天气产品与服务之匙，有助于提升必要的建模能力，以满足用户决策需求。

增加国际合作

    在一个基础设施越发相互关联和依赖的世界中，任何对这些关键技术的破坏都会引发区域性乃至全球性的后果。因此，空间天气应被视作需要国际协同响应的全球性挑战，必须动员广泛的全球支持。美国需要在政策层面构建国际支持，加强基础科研领域的国际参与和数据共享，加强空间天气产品和服务的国际协调与合作，开发全球化的应对策略。

3.行动计划

    针对上述六大战略目标之外，白宫当局还发布了行动计划，即联邦机构和不同部门如何实施该战略的具体措施、时间节点、行动步骤、以及细致的任务安排。该战略计划自2016财年开始执行，初步安排以3年为期，并在执行过程中根据目标完成情况和具体进展进行调整。

4.社会反响

    空间天气事件给国家关键基础设施带来了严重且复杂的风险，并且有可能导致重大经济和社会损害。美国出台这一战略及行动计划为管控及减缓空间天气风险迈出了国家层面的一步。美国社会抗灾组织主席托马斯皮克认为：“该项战略是对严重缺乏监管和适当标准的美国电网的补偿”。美国国家海洋和大气局前任行政长官巴赫尔则认为，该项战略计划提供了契机，有助于美国政府、学界、工业界通力协作，提升对空间天气事件的预报力和抗灾力。美国科罗拉多大学大气与空间物理实验室主任贝克尔希望该项战略和行动计划能成为分水岭，为人类应对空间天气带来转机。

图2 美国《国家空间天气战略》和《国家空间天气行动计划》

5.机遇与挑战

    空间环境预报中心是空间中心专门从事空间环境研究、提供空间环境预报和效应服务的科研单元，是中国科学院空间环境研究预报领域的主要执行机构之一。中心每年365天不间断公开实时发布空间环境预报信息，通过专线、网站、手机短信、客户端App等方式及微信、微博等社会服务平台，为用户提供定制、多样化、实时、准确的空间环境服务；并出色完成了我国载人航天、探月工程以及在轨卫星运行安全等各项重大航天工程的空间环境保障任务，建立了先进的空间环境保障系统。此外，空间环境预报中心也是国际空间环境服务组织（ISES）的联合警报中心之一，倡议和承担了组织中的多项活动，其中包括ISES章程修订、网站设计更新、ISES空间天气共同产品界定、空间天气数据交换方式等；并与他国空间环境服务中心开展了多项关于数据及模型共享、预报产品及服务交流、空间天气事件标准研制等相关领域的交流合作。

    当前我国针对空间天气的防备和预报尚缺乏国家层面的战略设计，而随着我国科技文明的进步和信息化水平的不断提高，灾害性空间环境事件对我国社会的影响力和破坏力将不容小觑。我们必须持有充分的思想准备和应对预案，才能够采取正确的防范措施，最大限度地降低其可能带来的危害，保障国家重要基础设施和技术系统，乃至经济和民生的安全。

图3 空间环境预报中心预报产品在线发布网站（左上）、手机客户端App界面（右上）和空间环境业务保障服务大厅（下）

　　2015年11月11日至13日，GEO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阈值（1.0E+09个/cm2·sr·day），达到橙色警报等级。截至14日00:00UTC，GEO轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到1.6E+09个/cm2·sr·day。目前高能电子通量水平已明显下降，预计14日GEO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。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。

图1 2015年11月11-13日持续中等高能电子暴事件

　　2015年11月11日至12日，GEO轨道大于2MeV高能电子日积分通量持续超过中等高能电子暴阈值（1.0E+09个/cm2·sr·day），达到橙色警报等级。11月12日，GEO轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到1.8E+09个/cm2·sr·day，目前仍处于高水平。预计13日GEO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。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。

图1 2015年11月11-12日持续中等高能电子暴事件

　　受重现性冕洞高速流的影响，2015年11月9-11日地磁发生扰动。11月9-10日，地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量分别达到1.3E8个/cm2·sr·day、2.8E8个/cm2·sr·day，11月11日通量增加至2.0E9个/cm2·sr·day，达到中等高能电子暴水平。受其影响，卫星轨道高能辐射环境水平增加，深层充电概率上升。

　　预计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。

图1 2015年再次发生中等高能电子暴事件

图2 11月9日的冕洞示意图