我國空間環(huán)境及效應(yīng)研究新需求與發(fā)展對策思考

王 健，郭 康，李 媛，高 欣，馮展祖，王亞龍

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000；2.中國航天科技集團(tuán)有限公司，北京 100048；3.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

0 引言

空間環(huán)境是指影響人類活動的、距地面幾十km高度以上直至太陽的廣闊空間內(nèi)的環(huán)境，涵蓋的區(qū)域包括地球高層大氣、電離層、磁層、行星際空間以及太陽活動區(qū)域，其中含有各種成分的帶電粒子和中性粒子、各個波段的電磁輻射、電磁場、微流星體和空間碎片等，是衛(wèi)星、飛船和空間站等航天器的運行環(huán)境，也是導(dǎo)航、定位、通信等衛(wèi)星業(yè)務(wù)的路徑環(huán)境。

空間各種環(huán)境因素對在軌航天器的安全運行以及航天員的身體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅，同時對依賴于天基手段的人類活動造成不同程度的影響。例如，一次太陽爆發(fā)事件輸出的能量可能使得地球空間環(huán)境狀態(tài)發(fā)生劇烈變化，引發(fā)災(zāi)害性空間環(huán)境事件，如太陽質(zhì)子事件、高能電子暴等，嚴(yán)重影響航天、航空、通信等行業(yè)技術(shù)系統(tǒng)，造成重大損失。據(jù)統(tǒng)計，航天器約40%的在軌故障是由空間環(huán)境引起的[1]。因此，認(rèn)識空間環(huán)境不僅是人類對自身生存空間認(rèn)知的需要，也是以航天器為依托的經(jīng)濟(jì)活動及科技活動的安全保障基礎(chǔ)。

空間環(huán)境科學(xué)探測與空間環(huán)境工程密切相關(guān)、相互促進(jìn)：空間科學(xué)衛(wèi)星有明確的研究目的，為實現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)而設(shè)計的科學(xué)探測載荷的探測結(jié)果可以滿足空間環(huán)境建模、空間天氣預(yù)報等業(yè)務(wù)需求，促進(jìn)空間環(huán)境經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷慕?、地面環(huán)境評估技術(shù)與航天器環(huán)境防護(hù)技術(shù)的發(fā)展；同時，通過空間環(huán)境工程實施，可以保障空間環(huán)境科學(xué)探測活動的安全與可靠性。

本文通過調(diào)研各國在空間環(huán)境領(lǐng)域的政策、計劃、研究成果及發(fā)展趨勢，對比、分析、總結(jié)存在的差距，總結(jié)我國空間環(huán)境工程長期發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和亟需解決的瓶頸技術(shù)，提出我國空間環(huán)境領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展路線和相應(yīng)對策建議，旨在為我國航天發(fā)展戰(zhàn)略從“認(rèn)識空間、進(jìn)入空間”向“利用空間、控制空間”轉(zhuǎn)變提供必要的支撐。

1 空間環(huán)境領(lǐng)域政策和技術(shù)發(fā)展趨勢

1.1 空間環(huán)境領(lǐng)域相關(guān)政策

空間環(huán)境研究作為和人類生存發(fā)展密切相關(guān)、能夠引領(lǐng)密集技術(shù)創(chuàng)新的前沿交叉學(xué)科，在國家科技發(fā)展中發(fā)揮的作用越來越重要，成為世界強(qiáng)國高度重視和爭相支持的重要學(xué)科領(lǐng)域。政府支持的空間探索活動的科學(xué)內(nèi)涵開始逐步增加，對空間環(huán)境研究的投入在航天領(lǐng)域研究總投入中的占比逐年提高。

美國政府認(rèn)為，鑒于可靠的太空資產(chǎn)對國防和經(jīng)濟(jì)安全的重要性與日俱增，構(gòu)建能提高國家乃至國際間對空間天氣事件潛在災(zāi)害影響的保護(hù)、減緩、響應(yīng)和恢復(fù)能力的戰(zhàn)略至關(guān)重要。2014 年11 月，由美國國家科學(xué)技術(shù)委員會組織跨部門成立了“空間天氣觀測、研究與減緩”小組，對應(yīng)對空間天氣事件的戰(zhàn)略與行動計劃進(jìn)行研究，并于2015 年10 月發(fā)布《國家空間天氣戰(zhàn)略》（National Space Weather Strategy，簡稱《戰(zhàn)略》）與《國家空間天氣行動計劃》（National Space Weather Action Plan，簡稱《行動計劃》）[2-3]。這2 份文件詳述極端空間天氣事件對國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的潛在危害，并就空間環(huán)境探測研究、產(chǎn)品服務(wù)與影響應(yīng)對等提出戰(zhàn)略目標(biāo)和行動計劃。

空間環(huán)境帶來的安全威脅是人類利用太空資源的重要障礙。2020 年加拿大等國聯(lián)合出版了《太空安全索引》，將太空安全描述為“能夠安全、可持續(xù)地進(jìn)入和利用太空資源，避免受到來自深空環(huán)境的威脅”；《中華人民共和國國家安全法》（2015 年）闡述了太空安全相關(guān)內(nèi)容：“國家堅持和平利用外層空間，增強(qiáng)安全進(jìn)出、科學(xué)考察開發(fā)利用的能力，加強(qiáng)國際合作，維護(hù)我國在外層空間的活動、資產(chǎn)和其他利益的安全?！币虼?，空間環(huán)境工程的技術(shù)發(fā)展是保障未來國家太空安全的技術(shù)基礎(chǔ)之一。

1.2 空間環(huán)境領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展趨勢

1）商業(yè)航天及空間4.0 發(fā)展趨勢

2016 年歐空局召開的部長級會議提出“空間4.0 時代”的概念[4]，形成了《為歐洲統(tǒng)一的空間戰(zhàn)略邁向空間4.0 時代》的決議。“空間4.0”是一種互動式的、商業(yè)化、國際化的模式，有助于回應(yīng)未來人類社會發(fā)展的多種需求。近年來，美國以SpaceX 公司為代表的商業(yè)航天公司的快速發(fā)展很好地詮釋了“空間4.0”對于未來航天發(fā)展的劃時代意義。中國亦積極布局商業(yè)航天領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展規(guī)劃與建設(shè)，改變傳統(tǒng)航天產(chǎn)業(yè)格局，形成傳統(tǒng)國有大型航天機(jī)構(gòu)與股份制商業(yè)航天公司良好的競爭與互補(bǔ)發(fā)展局面，推動航天技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新進(jìn)入快車道。

2）一體化的空間環(huán)境技術(shù)發(fā)展趨勢

過去的航天發(fā)展主要是面向?qū)ο笕蝿?wù)的發(fā)展模式，根據(jù)任務(wù)組織總體技術(shù)、分系統(tǒng)指標(biāo)及產(chǎn)品保證技術(shù)，型號任務(wù)更偏重于研制，產(chǎn)品化能力較差。一體化的空間環(huán)境技術(shù)發(fā)展趨勢要求空間技術(shù)的主體提升，通過空間技術(shù)的一體化設(shè)計使航天器達(dá)到空間環(huán)境的使用要求，未來實現(xiàn)搭積木式空間技術(shù)發(fā)展路線，進(jìn)一步提高應(yīng)對空間環(huán)境的保障能力。

通過對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行深入分析發(fā)現(xiàn)，未來“天地一體化空間環(huán)境及效應(yīng)研究”將成為空間環(huán)境工程技術(shù)的發(fā)展趨勢，即：應(yīng)用先進(jìn)的微納技術(shù)開發(fā)小型化空間環(huán)境探測及效應(yīng)監(jiān)測載荷，在未來發(fā)射的覆蓋不同軌道、多種類型的航天器上進(jìn)行搭載，實現(xiàn)真實空間環(huán)境下的原位測量，并將空間獲取數(shù)據(jù)與地面理論研究、模擬試驗、仿真分析等數(shù)據(jù)融合共享，從而達(dá)到拓展空間環(huán)境認(rèn)識、系統(tǒng)地研究空間環(huán)境與航天器相互作用以及有效利用空間環(huán)境資源的目的，以全面提升空間環(huán)境科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)水平，為空間科學(xué)、空間技術(shù)和空間應(yīng)用提供有力的支撐。

3）“更高”“更遠(yuǎn)”的空間探索發(fā)展趨勢

深空探測是航天領(lǐng)域的一個制高點，無論從技術(shù)難度、規(guī)模還是科學(xué)貢獻(xiàn)來看，其都處于前沿位置。中國一直大力支持深空探測，未來的深空探測計劃擬在2030 年之前實現(xiàn)火星采樣返回，后續(xù)還準(zhǔn)備進(jìn)行太陽系邊際探測。太陽距離地球約1.5 億km（1 AU），而我國計劃于2049 年實現(xiàn)“雙百”目標(biāo)，即在新中國成立100 年之際，完成100 AU（150 億km）遠(yuǎn)的深空探測。此外，深空探測還包括近地小天體探測等任務(wù)。

2 我國空間環(huán)境及效應(yīng)技術(shù)發(fā)展需求分析

空間環(huán)境及效應(yīng)技術(shù)作為航天工程的基礎(chǔ)支撐技術(shù)之一，其主要技術(shù)及基礎(chǔ)為環(huán)境模型及數(shù)據(jù)、可靠性數(shù)據(jù)、空間環(huán)境及效應(yīng)評估技術(shù)（試驗標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范、環(huán)境及效應(yīng)預(yù)示）、地面試驗平臺、防護(hù)技術(shù)及防護(hù)產(chǎn)品等。對我國空間環(huán)境領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展需求的簡要分析如下：

1）長期在軌空間環(huán)境效應(yīng)技術(shù)發(fā)展需求

隨著航天商業(yè)化的發(fā)展，無論是軍事、科學(xué)研究還是商業(yè)任務(wù)都越來越依賴于空間系統(tǒng)。而高性能設(shè)備和系統(tǒng)的應(yīng)用要求更多采用空間環(huán)境綜合管理技術(shù)[5]，例如，使用耐輻射組件，進(jìn)行專門的屏蔽和系統(tǒng)冗余設(shè)計，開展臨界性分析和故障模式分析，實現(xiàn)環(huán)境效應(yīng)減緩和規(guī)避等。為了滿足這一新趨勢需求，需要充分利用長期以來在空間環(huán)境效應(yīng)、模擬試驗方面積累的技術(shù)基礎(chǔ)，提前策劃并注意跟隨國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，為未來航天產(chǎn)業(yè)化的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

隨著我國航天技術(shù)的發(fā)展，航天器性能不斷提高，大量的先進(jìn)技術(shù)及高性能新材料、新器件得到應(yīng)用。而這些采用先進(jìn)技術(shù)的高性能航天器對空間環(huán)境更加敏感，其空間環(huán)境適應(yīng)性研究將成為重要的考量，對空間環(huán)境效應(yīng)研究提出新挑戰(zhàn)，迫切需要開展相關(guān)的地面評價和防護(hù)技術(shù)研究。一方面，要加快空間環(huán)境地面模擬試驗平臺的建設(shè)，加速相關(guān)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究；另一方面，空間環(huán)境因素多，空間環(huán)境效應(yīng)研究面向的對象多，因此在一些專項領(lǐng)域還應(yīng)加強(qiáng)專門平臺和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如針對新型電子元器件的輻射效應(yīng)研究平臺和設(shè)備仍需加強(qiáng)。

當(dāng)前我國所處的外部環(huán)境對航天等高技術(shù)行業(yè)影響較大，在空間環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域，相關(guān)軟件缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)，加之耐空間環(huán)境的高等級材料、器件的短缺，對空間環(huán)境效應(yīng)的評估及航天器在軌壽命的保障構(gòu)成更大壓力。

2）天地一體化空間環(huán)境探測及應(yīng)用技術(shù)發(fā)展需求

美國的空間環(huán)境探測具有明確的科學(xué)目標(biāo)牽引，探測計劃完備、持續(xù)時間長、覆蓋范圍廣，探測數(shù)據(jù)的綜合利用水平高?？臻g環(huán)境探測覆蓋LEO、MEO、HEO、GEO 及深空環(huán)境，具備對帶電粒子、等離子體、電磁場、中性大氣、大氣輻射、極光、全球大氣溫/濕度、災(zāi)害性天氣監(jiān)測及預(yù)報、全球氣候變化等環(huán)境的綜合監(jiān)測能力。擁有自主的各類空間環(huán)境模型[6-11]，并且部分模型對全世界開放。建立了空間環(huán)境及效應(yīng)有關(guān)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，在體系保障下對數(shù)據(jù)進(jìn)行分級分層次的開放和系統(tǒng)應(yīng)用。相比而言，我國的空間環(huán)境探測數(shù)據(jù)來源均位于LEO，對于中、高軌道空間環(huán)境僅在“北斗”一期中進(jìn)行了少量探測，其探測數(shù)據(jù)根本無法滿足對全空間環(huán)境進(jìn)行研究的要求。雖然通過科學(xué)衛(wèi)星和業(yè)務(wù)衛(wèi)星的搭載，在部分軌道開展了帶電粒子環(huán)境、等離子體環(huán)境、單粒子效應(yīng)、輻射劑量等監(jiān)測工作，還開展了月球形貌、月球塵埃、月球表面物質(zhì)成分等深空環(huán)境探測，但是探測載荷大多功能單一，僅能探測高能帶電粒子及某類效應(yīng)，難以實現(xiàn)較寬范圍空間輻射效應(yīng)監(jiān)測功能。此外國內(nèi)的空間探測載荷技術(shù)長期處在跟蹤研究的水平，沒有形成技術(shù)體系，且載荷的性能指標(biāo)和探測精度與國外產(chǎn)品存在差距，產(chǎn)品種類單一，未實現(xiàn)工程化、系列化，且新技術(shù)應(yīng)用和轉(zhuǎn)化不足。此外，國內(nèi)尚無數(shù)據(jù)共享機(jī)制，數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用水平低：一方面，在軌數(shù)據(jù)少，主要集中在軍方或研制方手中；另一方面，地面試驗研究數(shù)據(jù)分散于各高校和研究所，研究缺乏系統(tǒng)性，試驗設(shè)備和裝置的標(biāo)準(zhǔn)化不足，加之空間環(huán)境十分復(fù)雜（環(huán)境因素多，環(huán)境參數(shù)的范圍大），地面模擬方法多樣，模擬試驗的等效性、加速倍率等差異較大，難以實現(xiàn)試驗條件與參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，影響了數(shù)據(jù)的共享和利用。同時，由于體系缺失，在軌數(shù)據(jù)和地面數(shù)據(jù)得不到充分的共享、融合和分析，已有數(shù)據(jù)的作用和價值沒有得到充足的發(fā)揮，至今仍未建立起自主適用的空間環(huán)境模型。

3）“更高”“更遠(yuǎn)”的空間科學(xué)任務(wù)帶來的“乏數(shù)據(jù)”軌道空間環(huán)境技術(shù)需求

隨著我國航天探測領(lǐng)域的不斷拓展，已發(fā)展到從深空至超低軌道整個空間。而我國的空間環(huán)境效應(yīng)研究目前仍主要集中在典型地球軌道范圍，在超低軌道、機(jī)動變軌、輻射帶槽區(qū)等范圍內(nèi)的環(huán)境效應(yīng)研究工作雖已取得一定進(jìn)展，但距離滿足我國航天技術(shù)發(fā)展的需求還有較大差距。

未來對深空如木星、太陽邊際等的探測，以及對行星及其衛(wèi)星進(jìn)行密集和更長時間的科學(xué)觀測都需要對有關(guān)環(huán)境進(jìn)行深入分析。例如：以太陽、水星探測為代表的極端高溫環(huán)境、高紫外線輻照、極高通量密度的高能質(zhì)子輻射環(huán)境[12-15]；以火星探測為代表的多塵環(huán)境 （巨大而漫長的風(fēng)暴）、中等強(qiáng)度光照條件、低溫條件、低輻射環(huán)境[16-20]；以木星系、土星系探測為代表的低光照強(qiáng)度、低溫環(huán)境、高能電子輻射環(huán)境、微流星環(huán)境等[21-26]。

根據(jù)已有深空探測器的經(jīng)驗，各個行星及其衛(wèi)星的空間環(huán)境差異較大[27-30]。具有全球磁場的行星，當(dāng)其偶極子磁矩足夠大時有可能存在輻射帶，在粒子到達(dá)行星大氣層頂部之前阻止太陽風(fēng)的流動，輻射帶內(nèi)的粒子將失去其碰撞產(chǎn)生的能量[31-33]。眾所周知，木星、土星和天王星具有高能輻射環(huán)境，研究人員認(rèn)為這些環(huán)境類似于地球俘獲的輻射帶[34-35]。探測數(shù)據(jù)顯示，火星也有輻射環(huán)境，火星、土星和天王星的輻射環(huán)境強(qiáng)度遠(yuǎn)低于地球，不會對電子設(shè)備構(gòu)成威脅，而木星的輻射環(huán)境比地球的要強(qiáng)烈得多。因此，航天器的任務(wù)規(guī)劃中應(yīng)針對木星的俘獲區(qū)域予以足夠的關(guān)注，包括對其輻射環(huán)境的詳細(xì)定義。例如，必須對能量＞100 MeV 的電子進(jìn)行建模以進(jìn)行準(zhǔn)確的劑量計算，而木衛(wèi)一（Io）上的火山活動會注入氧氣和硫離子，從而構(gòu)成顯著的單粒子效應(yīng)危害[36-38]。

相對于地球空間環(huán)境，深空探測場景中的環(huán)境數(shù)據(jù)相對缺乏，例如，相對數(shù)據(jù)較豐的木星輻射數(shù)據(jù)，NASA“伽利略”任務(wù)使用的基線輻射環(huán)境模型是Divine-Garrett（D-G）模型[39]，其數(shù)據(jù)基礎(chǔ)來源于20 世紀(jì)70 年代的“先驅(qū)者10 號/11 號”以及“旅行者一號/二號”的飛越任務(wù)；基于“伽利略”任務(wù)中高能粒子探測器（EPD）的捕獲電子數(shù)據(jù)，NASA 開發(fā)了伽利略臨時電子環(huán)境（GIRE）模型[40-41]。然而，這些模型只基于少量的軌道探測數(shù)據(jù)建立，因而存在較大不確定性。

3 空間環(huán)境及效應(yīng)技術(shù)發(fā)展要點

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國在空間環(huán)境工程領(lǐng)域取得了巨大成就，一系列重要成果成功應(yīng)用于航天器的研制過程中，對航天器的在軌可靠性給予了有力支撐；但仍有很多領(lǐng)域和方向有待進(jìn)一步發(fā)展。根據(jù)近年來國內(nèi)外空間環(huán)境工程技術(shù)的發(fā)展趨勢與需求，本文提出我國未來空間環(huán)境領(lǐng)域需要采取自主創(chuàng)新、集成創(chuàng)新、引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新的技術(shù)發(fā)展路徑，要點如下：

課堂教學(xué)中教師可以利用平臺針對某個知識點或者一節(jié)課的所有知識點，做一次課堂檢測，由于平臺可以同步看到學(xué)生的答題情況，匯總統(tǒng)計答題的結(jié)果，這樣教師就能夠根據(jù)隨堂練習(xí)的反饋結(jié)果及時把握學(xué)生的掌握情況，及時對學(xué)生進(jìn)行分層式的個性化指導(dǎo)，也便于后面教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整。

1）空間輻射環(huán)境危害綜合監(jiān)測技術(shù)

空間輻射環(huán)境危害綜合監(jiān)測技術(shù)是通過不同環(huán)境與效應(yīng)探測模塊對高能粒子的響應(yīng)特征表現(xiàn)的監(jiān)測，實現(xiàn)輻射效應(yīng)的綜合診斷和預(yù)警，并根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行處理。該項技術(shù)可應(yīng)用于中軌、高軌衛(wèi)星預(yù)警載荷，能夠直接反映輻射環(huán)境危害程度，是航天器故障診斷和預(yù)警的重要手段，可實現(xiàn)航天器在軌故障的快速監(jiān)測與定位。為應(yīng)對粒子誘發(fā)的輻射效應(yīng)危害，國外研發(fā)出的多功能、一體化空間環(huán)境危害監(jiān)測器有：美國緊湊型空間環(huán)境異常監(jiān)測器，ESA 標(biāo)準(zhǔn)輻射環(huán)境監(jiān)測器，法國空間環(huán)境監(jiān)測器等。國內(nèi)未來為拓展探測對象及提升探測器功能、性能，需要通過采用模塊化設(shè)計創(chuàng)新思路，形成實時探測微電子芯片輻射效應(yīng)及表面、深層充電效應(yīng)監(jiān)測能力；集成多類環(huán)境效應(yīng)功能模塊，形成多功能一體化空間環(huán)境危害監(jiān)測能力；針對不同衛(wèi)星平臺裝備應(yīng)用，形成空間環(huán)境危害綜合感知網(wǎng)絡(luò)，具備甄別環(huán)境破壞和人為干擾危害的監(jiān)測能力。

2）新型高性能器件輻射效應(yīng)及加固技術(shù)

高性能智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可應(yīng)用于遙感等實時、智能處理應(yīng)用場景。隨著機(jī)器深度學(xué)習(xí)技術(shù)的逐步成熟，智能衛(wèi)星處理系統(tǒng)將會采用多核CPU+多核GPU 等高性能計算平臺，在大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)的支持下，為衛(wèi)星智能圖像、多傳感器數(shù)據(jù)實時處理提供技術(shù)支撐。因此，基于高性能智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的空間輻射效應(yīng)研究成為一個全新的領(lǐng)域，為了加快智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在空間的應(yīng)用，需要掌握其輻射效應(yīng)特征規(guī)律與加固技術(shù)。美國高性能空間飛行計算（HPSC）項目基于ARM 處理器架構(gòu)下一代抗輻射多核處理器，將在專用航天飛行計算機(jī)及飛行子系統(tǒng)中使用。賽靈思（Xilinx）全新20 nm抗輻射XQRKU060 FPGA 提供無限在軌重組能力，數(shù)字信號處理（DSP）效能提升10 倍，實現(xiàn)了高效能機(jī)器學(xué)習(xí)功能的首次空間應(yīng)用，為星上即時處理提供神經(jīng)網(wǎng)路推論加速[42]。國內(nèi)科研院所在國產(chǎn)SoC 多核處理器輻射加固技術(shù)上也取得了大量成果，尚需在高性能多核SoC 系統(tǒng)輻射損傷特征機(jī)理、表征方法及仿真方面開展深入研究，進(jìn)行高性能多核SoC 系統(tǒng)的輻射效應(yīng)芯片級、系統(tǒng)級加固設(shè)計與驗證，積極推進(jìn)實現(xiàn)高性能多核抗輻射SoC 系統(tǒng)的空間在軌應(yīng)用驗證。

3）基于機(jī)器學(xué)習(xí)的輻射效應(yīng)智能檢測與糾錯技術(shù)

機(jī)器學(xué)習(xí)可應(yīng)用于新一代高性能星載信號處理平臺的單粒子效應(yīng)監(jiān)測與糾錯領(lǐng)域，其本質(zhì)是對數(shù)據(jù)分類的過程，從單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)（SEU）角度看就是利用模型預(yù)測一個bit 是否正確，并通過數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)使其恢復(fù)正確值。隨著CMOS 芯片技術(shù)的發(fā)展，對于新型納米器件，主要輻射損傷因素已不是單粒子鎖定（SEL）等硬錯誤，而是單粒子翻轉(zhuǎn)（包括多位、多字節(jié)翻轉(zhuǎn)等）、單粒子瞬態(tài)（SET）效應(yīng)等。此外，超大規(guī)模納米集成電路的單粒子效應(yīng)異常復(fù)雜，很難掌握其輻射特征與機(jī)理，因此基于機(jī)器學(xué)習(xí)的單粒子效應(yīng)糾錯技術(shù)通過模型訓(xùn)練發(fā)現(xiàn)并糾正翻轉(zhuǎn)錯誤成為新的研究熱點，結(jié)合系統(tǒng)級單粒子效應(yīng)加固設(shè)計方法，有望解決超大規(guī)模集成電路空間應(yīng)用受單粒子效應(yīng)制約的問題。2014 年Hooten首次使用機(jī)器學(xué)習(xí)分析SET 數(shù)據(jù)[43]。2019 年P(guān)atel使用二維線性判別模型，結(jié)合電離輻射效應(yīng)光譜圖，正確分類了振蕩器和鎖相環(huán)電路的工作電壓與總劑量關(guān)系，可用于電子器件的原位健康監(jiān)測[44]。2021 年Loveless 采用K 最鄰近分類算法k-NN 正確分類了鎖相環(huán)電路的單粒子瞬態(tài)[45]。2022 年Ildefonso 在美國海軍項目支持下研究了基于機(jī)器學(xué)習(xí)減緩射頻電路系統(tǒng)單粒子效應(yīng)的方法，結(jié)果表明機(jī)器學(xué)習(xí)對受單粒子瞬態(tài)影響的數(shù)據(jù)是否發(fā)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象的分辨準(zhǔn)確率可達(dá)99.2%[46]。

我國的智能糾錯研究有待提高，需要基于現(xiàn)有的大量單粒子效應(yīng)試驗數(shù)據(jù)開展機(jī)器訓(xùn)練研究，建立輻射效應(yīng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型；開展適應(yīng)于器件資源需求的模型優(yōu)化研究，建立超大規(guī)模器件輻射效應(yīng)機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練模型，研制兼容輻射效應(yīng)機(jī)器學(xué)習(xí)的宇航級智能系統(tǒng)。

4）空間環(huán)境效應(yīng)系統(tǒng)級仿真分析軟件

5）空間環(huán)境效應(yīng)矩陣數(shù)據(jù)庫

國外空間環(huán)境效應(yīng)試驗研究已有較為長期而豐厚的積累。我國空間環(huán)境效應(yīng)地面模擬實驗研究雖然受到相關(guān)航天部門和單位的重視，高校、科研院所也開展了一定的研究，但由此得到的空間環(huán)境效應(yīng)地面模擬數(shù)據(jù)相對分散。針對這樣的現(xiàn)狀，需要全面收集、整理和提煉各環(huán)境試驗數(shù)據(jù)，建立航天用、商用基于試驗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析的電子元器件輻射效應(yīng)數(shù)據(jù)庫；利用大科學(xué)工程綜合環(huán)境模擬試驗裝置等開展協(xié)同效應(yīng)研究，建立空間環(huán)境全因素數(shù)據(jù)庫和器件/系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的完備數(shù)據(jù)體系，結(jié)合在軌實驗數(shù)據(jù)，分析各個維度下的數(shù)據(jù)內(nèi)涵信息，提煉普適性規(guī)律，并建立綜合效應(yīng)試驗分析方法。

4 發(fā)展對策思考及措施建議

針對我國空間環(huán)境工程領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)發(fā)展需求分析，應(yīng)該首先建立空間環(huán)境工程相關(guān)技術(shù)的體系化發(fā)展思路，首先是現(xiàn)有發(fā)展成果的固化：無論是空間環(huán)境探測數(shù)據(jù)、評估技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范以及防護(hù)技術(shù)手段，我們均有一定的積累，部分領(lǐng)域技術(shù)已較完善，亟需在這些積累基礎(chǔ)上，加強(qiáng)頂層設(shè)計，使空間環(huán)境技術(shù)成為一個完善的體系，以支持我國空間技術(shù)發(fā)展，同時借助航天事業(yè)的快速發(fā)展機(jī)遇，不斷完善空間環(huán)境技術(shù)。

國內(nèi)外航天實踐表明空間環(huán)境與航天器的相互作用是影響航天器在軌安全、可靠運行的重要因素。伴隨著航天活動的持續(xù)深入開展，空間環(huán)境與航天器的相互作用將是永恒的研究主題。過去幾十年，地面開展的單因素或多因素空間環(huán)境效應(yīng)研究，為航天器研制和運行提供了有力保障，積累了大量的數(shù)據(jù)，但地面研究只能在材料、器件和部組件層面開展，不能對系統(tǒng)的空間環(huán)境適應(yīng)性和可靠性給出有效評價。

通過對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行深入分析后，對于我國空間環(huán)境及效應(yīng)研究，本文提出基于天地一體化的空間環(huán)境及效應(yīng)研究新思路，即：應(yīng)用先進(jìn)的微納技術(shù)、商業(yè)宇航產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)等開發(fā)小型化、低成本空間環(huán)境探測及效應(yīng)監(jiān)測載荷，在未來發(fā)射的覆蓋不同軌道、多種類型的航天器上進(jìn)行搭載，實現(xiàn)真實空間環(huán)境下的原位測量，并將空間獲取數(shù)據(jù)與地面理論研究、模擬試驗、仿真分析等數(shù)據(jù)融合共享形成大數(shù)據(jù)，從而拓展空間環(huán)境認(rèn)識，系統(tǒng)地研究空間環(huán)境與航天器相互作用和有效利用空間環(huán)境資源，全面提升我國空間環(huán)境科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)水平，為空間科學(xué)、空間技術(shù)和空間應(yīng)用提供有力的支撐，如圖1 所示。

圖1 基于天地一體化的空間環(huán)境及效應(yīng)研究新思路Fig.1 A new approach to the study of space-ground integrated space environment and effects

1）加強(qiáng)空間環(huán)境探測及空間環(huán)境效應(yīng)感知理論與技術(shù)基礎(chǔ)研究

從空間環(huán)境探測對象和目標(biāo)層面講，要求既開展宏觀大尺度的空間物理層面的空間環(huán)境現(xiàn)象研究和探測，又特別要加強(qiáng)空間各種環(huán)境因素的精準(zhǔn)探測和動態(tài)探測。

從探測技術(shù)上講，要求加強(qiáng)空間環(huán)境與效應(yīng)理論研究，設(shè)計新型在軌空間環(huán)境探測與環(huán)境效應(yīng)感知探測器和試驗平臺，以便獲得集成化、小型化和高通量的探測能力，實現(xiàn)大參數(shù)范圍、高精度的環(huán)境因素探測。

從國內(nèi)各領(lǐng)域已落實的航天器規(guī)劃來看，“十四五”及后續(xù)，將有數(shù)百顆航天器運行于各空間軌道，空間環(huán)境探測在不同空間位置的布局、探測內(nèi)容的豐富、探測時間的持續(xù)穩(wěn)定，將助力我國空間環(huán)境探測技術(shù)的新飛躍，使空間環(huán)境探測有條件進(jìn)入全面應(yīng)用階段。隨著科學(xué)認(rèn)識的不斷發(fā)展和微電子、新型材料等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，空間大尺度探測和精細(xì)探測的目標(biāo)都趨于明確，探測設(shè)備也逐步向輕小型化、長壽命、高可靠、高集成度方向發(fā)展，載荷種類和功能在不斷增加，而重量和功耗逐步減小。

2）持續(xù)開展天地一體化的空間環(huán)境效應(yīng)理論與技術(shù)研究

近年來在互動式的、商業(yè)化、國際化的航天發(fā)展趨勢下，更多主體參與進(jìn)入空間任務(wù)的提出、設(shè)計、實施環(huán)節(jié)，需要天地一體化的空間環(huán)境效應(yīng)理論與技術(shù)支持，加強(qiáng)空間環(huán)境地面和在軌模擬試驗研究，獲取規(guī)范、系統(tǒng)的材料/器件空間環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)，為空間環(huán)境與效應(yīng)大數(shù)據(jù)平臺提供持續(xù)的數(shù)據(jù)支持，并保證這些數(shù)據(jù)在多元化的空間任務(wù)參與者之間實現(xiàn)有效、可靠和商業(yè)化的傳遞，從而促進(jìn)空間任務(wù)一體化的設(shè)計。

由于歷史原因，直到空間環(huán)境地面模擬大科學(xué)平臺建設(shè)，前期研究的平臺主要以工程評價為主。因此，要加快空間環(huán)境地面模擬大科學(xué)平臺的建設(shè)，加速相關(guān)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究，支持空間環(huán)境效應(yīng)相關(guān)技術(shù)由型號保障向產(chǎn)業(yè)化保障轉(zhuǎn)變，為快速發(fā)展的空間科學(xué)、航天技術(shù)、空間環(huán)境與效應(yīng)跨越式發(fā)展提供支撐。

3）建設(shè)國家級空間環(huán)境與效應(yīng)數(shù)據(jù)平臺

深挖現(xiàn)有空間環(huán)境探測與效應(yīng)數(shù)據(jù)，推進(jìn)相關(guān)空間環(huán)境與效應(yīng)的軟件和模型的開發(fā)建立，并進(jìn)行持續(xù)、有序的空間環(huán)境與效應(yīng)數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，建設(shè)空間環(huán)境與效應(yīng)數(shù)據(jù)共享平臺，制定數(shù)據(jù)共享指導(dǎo)原則，為數(shù)據(jù)的高效利用提供便利條件。針對電子元器件，建議盡快制定規(guī)范的研判依據(jù)、建立航天不同領(lǐng)域的基于試驗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析技術(shù)的電子元器件輻射效應(yīng)數(shù)據(jù)庫，一方面可以全面地收集可能影響實驗數(shù)據(jù)的過程信息，另一方面可以作為研判和檢索的依據(jù)，對于保證質(zhì)量并在一定程度上提高使用商用元器件衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。借鑒國際上在這方面的經(jīng)驗，在這種國家級的數(shù)據(jù)平臺上，不斷優(yōu)化空間環(huán)境與效應(yīng)模型，形成大量可工程實踐的在軌行為評價軟件，建立數(shù)字化空間環(huán)境與效應(yīng)研究與評價系統(tǒng)。由此，將空間環(huán)境地面模擬與效應(yīng)研究、在軌搭載實驗研究和環(huán)境效應(yīng)計算機(jī)仿真研究相結(jié)合，成為本領(lǐng)域科學(xué)研究和工程評價的三駕馬車，三者相輔相成，互相補(bǔ)充，不可或缺。

4）實施我國自主的前沿創(chuàng)新空間環(huán)境領(lǐng)域科學(xué)發(fā)展計劃

制定具前沿性、探索性和原始創(chuàng)新性的空間科學(xué)計劃，積極開展空間科學(xué)探測活動，拓展人類的認(rèn)知領(lǐng)域，牽引和帶動航天和相關(guān)高技術(shù)的快速發(fā)展，為國家安全、科技進(jìn)步提供支撐和保障；同時，通過大批創(chuàng)造性的發(fā)明和技術(shù)應(yīng)用，為國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、人類生活質(zhì)量改善提供源源不斷的創(chuàng)新活力。隨著我國航天器技術(shù)的高速發(fā)展，僅僅依靠原有的地面研究模式將無法解決新材料、新器件、新技術(shù)和新載荷帶來的問題，亟需利用天基資源平臺系統(tǒng)開展空間環(huán)境效應(yīng)及對應(yīng)空間環(huán)境的原位探測和在軌實驗等研究，踐行“地面研究—真實空間研究—再地面研究”的發(fā)展思路。

5 結(jié)束語

通過實施空間環(huán)境工程相關(guān)的科學(xué)問題與工程技術(shù)研究，解決涉及的重大基礎(chǔ)性科學(xué)技術(shù)問題，利用商業(yè)航天等大規(guī)模的衛(wèi)星系統(tǒng)，獲得海量的空間環(huán)境及效應(yīng)原位監(jiān)測數(shù)據(jù)，與地面積累數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和融合，建立產(chǎn)業(yè)化的大數(shù)據(jù)平臺，并實現(xiàn)在衛(wèi)星設(shè)計部門、研制部門與航天原材料、元器件供應(yīng)商等航天產(chǎn)業(yè)鏈參與者之間的數(shù)據(jù)共享，構(gòu)建全國范圍內(nèi)一體化的空間環(huán)境工程相關(guān)的輻射效應(yīng)數(shù)據(jù)、環(huán)境模型、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、評價規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。圍繞構(gòu)建空間環(huán)境體系的目標(biāo)，堅持需求牽引和創(chuàng)新驅(qū)動，推動空間環(huán)境技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用、工程技術(shù)優(yōu)化與提升。