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空間高能粒子是威脅航天器安全運(yùn)行的長(zhǎng)期隱患，可誘發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn)（Single Event Upset, SEU）等效應(yīng)，導(dǎo)致衛(wèi)星平臺(tái)及載荷異常。隨著空間科學(xué)衛(wèi)星、低軌互聯(lián)網(wǎng)星座、載人航天、導(dǎo)航及深空科學(xué)等任務(wù)的快速發(fā)展，如何在復(fù)雜多變的空間輻射環(huán)境中精準(zhǔn)評(píng)估電子系統(tǒng)的在軌可靠性，已成為航天領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。

近地空間輻射環(huán)境由內(nèi)輻射帶俘獲質(zhì)子、銀河宇宙線及太陽高能粒子等多種成分構(gòu)成，并高度依賴于軌道位置、地磁場(chǎng)分布（如南大西洋異常區(qū)）以及太陽活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化。傳統(tǒng)單粒子風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要依賴標(biāo)準(zhǔn)空間輻射環(huán)境模型與地面輻照實(shí)驗(yàn)，這能夠?yàn)槿蝿?wù)的長(zhǎng)期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供重要依據(jù)。但是，難以真實(shí)反映在軌環(huán)境的空間分布特征和時(shí)變規(guī)律。因此，如何利用在軌粒子探測(cè)數(shù)據(jù)，建立太陽活動(dòng)等空間輻射環(huán)境動(dòng)態(tài)變化與電子器件單粒子效應(yīng)響應(yīng)之間的定量關(guān)系，成為空間抗輻射方向關(guān)鍵問題。

針對(duì)上述瓶頸，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心太陽活動(dòng)與空間天氣全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室空間天氣效應(yīng)中心團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合空間環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，發(fā)揮空間環(huán)境效應(yīng)交叉學(xué)科與空間能量粒子探測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)，在單粒子效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的天地等效研究方面取得系列進(jìn)展。該系列研究圍繞低軌質(zhì)子主導(dǎo)環(huán)境和中高軌銀河宇宙線主導(dǎo)環(huán)境中的SEU風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問題，逐步形成了從“誘發(fā)因素識(shí)別—?jiǎng)討B(tài)SEU率計(jì)算—輕量化探測(cè)數(shù)據(jù)SEU率估算”的連續(xù)研究鏈條。系列進(jìn)展如下:

一是甄別SEU在軌誘發(fā)因素，量化其時(shí)空分布。利用搭載于長(zhǎng)征四號(hào)丙末子級(jí)的NSSC-SPRECMI載荷數(shù)據(jù)，分析了輻射環(huán)境與器件翻轉(zhuǎn)的同步測(cè)量關(guān)聯(lián)性。研究發(fā)現(xiàn)，在低地球軌道（LEO），高達(dá)97.34%的翻轉(zhuǎn)事件集中在僅占運(yùn)行時(shí)間12.75%的南大西洋異常區(qū)；進(jìn)一步量化分析證實(shí)，質(zhì)子是該軌道環(huán)境下誘發(fā)翻轉(zhuǎn)的主導(dǎo)因素，基于在軌實(shí)測(cè)粒子數(shù)據(jù)計(jì)算得到的長(zhǎng)期平均SEU率，與SEU監(jiān)測(cè)單元實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差僅為7.01%。

二是面向SEU風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)警，確立較優(yōu)統(tǒng)計(jì)時(shí)間尺度。為實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)預(yù)警，提出了三種基于在軌質(zhì)子探測(cè)的實(shí)時(shí)SEU率計(jì)算方法。研究揭示了評(píng)估精度與動(dòng)態(tài)響應(yīng)之間的“天平”效應(yīng)：長(zhǎng)時(shí)間尺度統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定但無法動(dòng)態(tài)響應(yīng)，短時(shí)間尺度靈敏但波動(dòng)大。通過多維度計(jì)算分析，研究明確了6小時(shí)為該任務(wù)下計(jì)算精度與動(dòng)態(tài)響應(yīng)之間取得較優(yōu)平衡，為工程上風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估與動(dòng)態(tài)預(yù)警提供了量化參考依據(jù)。

三是探索輕量化環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測(cè)，重構(gòu)重離子LET譜。針對(duì)銀河宇宙線（GCR）主導(dǎo)環(huán)境下的重離子SEU風(fēng)險(xiǎn)估算問題，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)依賴結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多層探測(cè)器。以北斗導(dǎo)航衛(wèi)星（M15/M16）軌道數(shù)據(jù)為驗(yàn)證對(duì)象，從高能粒子在敏感體積中能量沉積的物理本質(zhì)出發(fā)，創(chuàng)新構(gòu)建了從宏觀探測(cè)器到微觀器件敏感體積的物理反演框架，僅利用單層硅探測(cè)器的沉積能譜，研究利用弦長(zhǎng)分布描述探測(cè)器與器件間的幾何差異，通過求解描述能量沉積過程的第一類弗雷德霍姆積分方程，成功重構(gòu)出入射LET譜并精準(zhǔn)計(jì)算出器件在軌翻轉(zhuǎn)率。該技術(shù)大幅降低原位監(jiān)測(cè)的重量與復(fù)雜度，為航天器低成本、輕量化輻射監(jiān)測(cè)提供了新思路。

該系列研究形成了從在軌粒子探測(cè)、SEU誘發(fā)因素實(shí)測(cè)解析到動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估的連續(xù)研究鏈條，覆蓋了低軌質(zhì)子主導(dǎo)SEU場(chǎng)景和中高軌銀河宇宙線主導(dǎo)輻射環(huán)境。相關(guān)成果為理解空間輻射環(huán)境與電子器件響應(yīng)之間的關(guān)系提供了在軌實(shí)測(cè)證據(jù)，也為未來航天任務(wù)開展在軌單粒子風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和空間天氣效應(yīng)分析提供了理論支撐。

代表性附圖：

圖1. 1025km高度航天器在軌SEU全球分布實(shí)測(cè)圖。

圖2. 6小時(shí)時(shí)間尺度下，在軌實(shí)測(cè)SEU率與模型動(dòng)態(tài)計(jì)算值的相關(guān)性分布。

圖3. 基于單層硅探測(cè)器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的重離子SEU率物理反演算法流程。

相關(guān)系列研究成果均發(fā)表在核科學(xué)與輻射效應(yīng)領(lǐng)域國(guó)際期刊 IEEE Transactions on Nuclear Science上。系列論文第一作者為國(guó)家空間科學(xué)中心2023級(jí)直博生王杰義，通訊作者為團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人馬英起研究員，合作者為沈國(guó)紅研究員等。該系列工作得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)優(yōu)秀會(huì)員人才基金以及北京市自然科學(xué)基金等的聯(lián)合支持。

系列論文信息：

[1] Jieyi Wang, Huanxin Zhang, Xinyu Zhu, Guohong Shen, Zheng Chang, Xiaoheng Xu, Tian Yu, Xiang Zhu, Longlong Zhang, Yingqi Ma, “Analyzing Measured Evidence for Inducing Factors of SEU From In-Flight Data of NSSC-SPRECMI on OPUS CZ-4C,” IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 72, no. 2, pp. 101–109, Feb. 2025. DOI: 10.1109/TNS.2024.3522366

[2] Jieyi Wang, Longlong Zhang, Chunqin Wang, Youzhi Li, Guohong Shen, Bin Yuan, Xiaoheng Xu, Tian Yu, Yingqi Ma, “SEU Rate Calculation Using In-Flight Proton Detection: Methodologies and Evaluation of Time-Scale Variability,” IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 72, no. 6, pp. 1919–1926, June 2025. DOI: 10.1109/TNS.2025.3565670

[3] Jieyi Wang, Xinyu Zhu, Guohong Shen, Bin Yuan, Chunqin Wang, Xiaoheng Xu, Longlong Zhang, Yingqi Ma, “Feasibility of SEU Rate Estimation Using Deposited-Energy Spectra from In-Flight Single-Layer Silicon Detectors,” IEEE Transactions on Nuclear Science, 2026. [Early Access] https://ieeexplore.ieee.org/document/11505979 . DOI: 10.1109/TNS.2026.3689890.

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